CN114745922B - 自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统及方法，系统包括热管辐射散热、太阳能光伏板发电和防冻结三个装置。当进行功率调节时，控制摇臂使下表面含绝热涂层的太阳能光伏板发生转动，使下表面覆盖至翅片表面，翅片散热受阻，通过调节转动角度，实现散热功率的无级调节，从而满足空间核电系统不同情况下的散热需求。若热管工质冷却冻结，板型红外线加热器自动用所储存的电能对热管进行加热，使辐射散热系统快速启动。若空间核电系统供电受限或供电线路出现故障，整个散热系统利用太阳能发电装置产生的电能，实现散热系统的防冻结和功率调节功能，以及整个散热系统的能源自循环，从而提高了核电系统的安全稳定性和能源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种自循环防冻结无级调节太阳能发电协同辐射散热系统，属于能源综合利用领域。
背景技术
近代以来，随着人类科学技术飞速发展，人类开展了对外太空的探索，在探索过程中，低功率、低速推进方式以及飞船和燃料重量的限制使星际探索推进缓慢。化学燃料、太阳能等能量来源由于其局限性，在空间飞行中受制。基于核能的空间推进系统成为目前空间系统的发展趋势，核能具有非常高的能量密度，能够大幅减少飞行器质量，能为长期飞行提供能量。在空间核动力系统中，核反应堆产生的热能用于发电，发电机产生的电能供给飞船日常使用及电力推进，发电后的余热通过辐射散热器排出或者用于其他需要的地方，其中辐射散热系统占了总系统的很大一部分，因此，对辐射散热系统的研究十分重要。
真空环境中不能发生热传导和热对流，由于热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播，而电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。热管式辐射散热器，是目前世界上最常用的空间散热器，因为其具有高效、安全性优良等优点被广泛运用，在工作时，热管一端被加热时，内部的工质吸热汽化，在微小压差驱动下，蒸汽流向另一端运动并冷凝放热。冷凝液在毛细力、离心力、电磁力等作用下流回蒸发段再次受热汽化，其中热量传递给翅片，翅片再将热量以热辐射的形式排至太空，如此形成热管的工作循环。由于空间站在运行中会出现休眠或航天员外出作业的情况，此时核电系统的功率将减小，当核电系统功率小于辐射散热器散热功率，热管内工质有冷却的风险，因此需要通过调节辐射散热系统的散热功率，使核电系统功率与辐射散热器散热功率匹配，若热管内工质冷却，将影响辐射散热系统的正常工作，因此需要防止热管内工质冻结，必要时进行加热措施。
针对上述问题，本发明提出了自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统及方法，热管辐射散热装置对散热功率进行无极调节，满足了空间站不同情况下的工作需求，并且加入了防冻结装置，如果空间核电系统供电受限或供电线路出现故障，整个系统利用太阳能发电装置产生的电能，实现散热系统的防冻结和功率调节功能，以及整个系统的能源自循环，从而提高了核电系统的安全稳定性和能源利用率。
发明内容
发明目的：
针对当前辐射散热系统中存在的不足，本发明提出了自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，热管辐射散热装置对散热功率进行无极调节，满足了空间站不同情况下的工作需求，并且加入了防冻结装置，如果空间核电系统供电受限或供电线路出现故障，整个系统利用太阳能发电装置产生的电能，实现散热系统的防冻结和功率调节功能，以及整个系统的能源自循环，从而提高了核电系统的安全稳定性和能源利用率。
技术方案：
一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，包括辐射散热装置、太阳能光伏板发电装置和防冻结装置；所述辐射散热装置包括热管和翅片；所述太阳能光伏板发电装置包括主太阳能光伏板和主蓄电装置；所述防冻结装置包括设置于所述热管内的温控开关，以及用于给所述热管加热的加热器；所述主蓄电装置、温控开关和加热器构成Ⅲ电路回路；当所述热管内工质温度高于温控开关的断开温度时，所述Ⅲ电路回路断开，当工质温度低于温控开关的断开温度时，所述Ⅲ电路回路闭合并接通，加热器对热管加热。
进一步的，还包括第一电机；所述主太阳能光伏板的一个表面涂有绝热涂层，所述第一电机能够控制主太阳能光伏板翻转，使绝热涂层部分或完全覆盖于所述翅片；第一电机、主蓄电装置构成Ⅰ电路回路。
进一步的，还包括备用太阳能光伏板和第二电机；所述备用太阳能光伏板的一个表面涂有绝热涂层，所述第二电机能够控制备用太阳能光伏板翻转，使绝热涂层部分或完全覆盖于所述翅片；第二电机、主蓄电装置构成Ⅱ电路回路。
进一步的，所述加热器为板型红外线加热器，由电阻板组成，电阻板的靠近热管的正面的涂层的反射系数大于反面涂层的涂有反射系数。
进一步的，所述主太阳能光伏板和备用太阳能光伏板分别通过绝热柱与热管连接。
进一步的，所述温控开关为双金属片。
进一步的，还包括第一摇臂，所述第一摇臂与第一电机连接，第一电机驱动第一摇臂旋转，以控制主太阳能光伏板翻转。
进一步的，还包括第二摇臂，所述第二摇臂与第二电机连接，第二电机驱动第二摇臂旋转，以控制备用太阳能光伏板翻转。
摇臂的工作原理和舵机相似，即由接收机发出讯号给电机，经由电路板上的IC驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。
进一步的，所述热管内工质为碱金属。
基于上述系统的辐射散热方法，包括如下步骤：满负荷散热功率工作时，Ⅰ电路回路和Ⅱ电路回路断路，主太阳能光伏板和备用太阳能光伏板与翅片不接触，热管内工质将热量传递给翅片，翅片将热量以热辐射的形式排到太空；
进行散热功率调节时，电流从主蓄电装置正极出，控制Ⅰ电路回路和Ⅱ电路回路开关闭合，电流流经第一电机和第二电机，再回到主蓄电装置负极，此时Ⅰ电路回路和Ⅱ电路回路接通，通过电机控制第一摇臂和第二摇臂使主太阳能光伏板和备用太阳能光伏板发生转动，通过调节转动角度，实现散热功率的无级调节，当太阳能光伏板含绝热涂层的下表面将覆盖至翅片表面，翅片的散热受阻。
Ⅰ电路和Ⅱ电路的开关集成在空间站核电系统里，需要调节功率时，人工控制开关的动作。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明实现了辐射散热系统的功率无级调节功能，满足了空间核电系统在不同工况下的散热需求。
(2)本发明在辐射散热系统加入了防冻结功能，若热管工质冷却冻结，板型红外线加热器将自动用所储存的电能对热管进行加热，使辐射散热系统快速启动，保证了空间核电系统的安全性和稳定性。
(3)本发明实现了辐射散热系统的能源自循环，若空间核电系统供电受限或供电线路出现故障，整个系统利用太阳能发电装置产生的电能，实现散热系统的防冻结和功率调节功能。
附图说明
图1为本发明满负荷散热功率模式下的自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统的结构示意图；
其中：1-热管，2-双金属片，3-第一开关，4-第一绝热柱，5-第一摇臂，6-第二开关，7-第一电机，8-主蓄电装置，9-第一输电线，10-下表面涂有绝热涂层的主太阳能光伏板，11-涂有高发射率涂层的翅片，12-下表面涂有绝热涂层的备用太阳能光伏板，13-第二输电线，14-备用蓄电装置，15-第二电机，16-第二摇臂，17-第二绝热柱，18-第三绝热柱，19-第四绝热柱，20-板型红外线加热器。
图2为本发明中负荷散热功率模式下的自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统的结构示意图；
图3为本发明低负荷散热功率模式下的自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的解释。
自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统(如图1)，包含如下装置，1-热管，2-双金属片，3-第一开关，4-第一绝热柱，5-第一摇臂，6-第二开关，7-第一电机，8-主蓄电装置，9-第一输电线，10-下表面涂有绝热涂层的主太阳能光伏板，11-涂有高发射率涂层的翅片，12-下表面涂有绝热涂层的备用太阳能光伏板，13-第二输电线，14-备用储电装置，15-第二电机，16-第二摇臂，17-第二绝热柱，18-第三绝热柱，19-第四绝热柱，20-板型红外线加热器。
一种太阳能发电装置包括主太阳能光伏板10、备用太阳能光伏板12、主蓄电装置8和备用蓄电装置14。太阳能光伏板将吸收的太阳能转化为电能储存在主蓄电装置8中，主蓄电装置8作为主电源、备用蓄电装置14作为备用电源连有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个并联电路，其中Ⅰ电路包括主蓄电装置8、备用蓄电装置14、第一开关3和第一电机7。电路Ⅱ包括主蓄电装置8、备用蓄电装置14、第二开关6和第二电机15。电路Ⅲ包括主蓄电装置8、备用蓄电装置14、双金属片2和板型红外线加热器20。
一种防冻结装置包括板型红外线加热器20和双金属片2。板型红外线加热器20通过第四绝热柱19和第三绝热柱18连接在热管上，热管1内放置有双金属片2。Ⅲ回路连有板型红外线加热器20和双金属片2。热管1内放置有双金属片2，当热管1内工质温度高于双金属片2的膨胀温度时，双金属片2接点位置变形而断开，Ⅲ回路断开，当工质温度低于双金属片2的膨胀温度时，双金属片2接点恢复原形而闭合，Ⅲ回路闭合，电路接通，板型红外线加热器20对热管加热。
自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统的工作流程，包括如下过程：
步骤一：满负荷散热功率工作时，Ⅰ、Ⅱ回路中第一开关3和第二开关6断开，下表面涂有绝热涂层的主太阳能光伏板10和下表面涂有绝热涂层的备用太阳能光伏板12处于默认位置(如图1所示，太阳能板角度为0度)，热管1内含有碱金属工质，热管外插有涂有高发射率涂层的翅片11。碱金属工质将热量传递给翅片11，翅片11将热量以热辐射的形式排到太空，此时为高功率散热模式。
步骤二：进行散热功率调节时，Ⅰ、Ⅱ回路第一开关3和第二开关6闭合，电流从备用蓄电装置14正极出，电流流经第一电机7和第二电机15，再回到备用蓄电装置14负极，此时Ⅰ、Ⅱ电路接通，第一电机7和第二电机15控制第一摇臂5和第二摇臂16使下表面涂有绝热涂层的主太阳能光伏板10和下表面涂有绝热涂层的备用太阳能光伏板12转动，含绝热涂层的下表面将覆盖至翅片11表面，翅片散热受阻，通过调节转动角度，控制散热功率。
本发明公开一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统及方法，属于能源综合利用领域。本辐射散热系统由热管辐射散热、太阳能光伏板发电和防冻结三个装置组成。热管辐射散热装置运行时，将核电系统发电后产生的废热通过辐射散热的形式导向太空，当进行功率调节时，通过电机控制摇臂使下表面含绝热涂层的太阳能光伏板发生转动，通过调节转动角度，实现散热功率的无级调节，当太阳能光伏板含绝热涂层的下表面将覆盖至翅片表面，翅片的散热受阻，从而满足空间核电系统不同情况下的散热需求。本系统加入了防冻结装置，若热管工质冷却冻结，板型红外线加热器将自动用所储存的电能对热管进行加热，使辐射散热系统快速启动。若空间核电系统供电受限或供电线路出现故障，整个系统利用太阳能发电装置产生的电能，实现散热系统的防冻结和功率调节功能，以及整个系统的能源自循环，从而提高了核电系统的安全稳定性和能源利用率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，包括辐射散热装置、太阳能光伏板发电装置和防冻结装置；所述辐射散热装置包括热管和翅片；所述太阳能光伏板发电装置包括主太阳能光伏板和主蓄电装置；其特征在于，所述防冻结装置包括设置于所述热管内的温控开关，以及用于给所述热管加热的加热器；所述主蓄电装置、温控开关和加热器构成Ⅲ电路回路；当所述热管内工质温度高于温控开关的断开温度时，所述Ⅲ电路回路断开，当工质温度低于温控开关的断开温度时，所述Ⅲ电路回路闭合并接通，加热器对热管加热；
还包括第一电机；所述主太阳能光伏板的一个表面涂有绝热涂层，所述第一电机能够控制主太阳能光伏板翻转，使绝热涂层部分或完全覆盖于所述翅片；第一电机、主蓄电装置构成Ⅰ电路回路；
还包括备用太阳能光伏板和第二电机；所述备用太阳能光伏板的一个表面涂有绝热涂层，所述第二电机能够控制备用太阳能光伏板翻转，使绝热涂层部分或完全覆盖于所述翅片；第二电机、主蓄电装置构成Ⅱ电路回路。
2.根据权利要求1所述的一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，其特征在于，所述加热器为板型红外线加热器，由电阻板组成，电阻板的靠近热管的正面涂层的反射系数大于反面涂层的反射系数。
3.根据权利要求1所述的一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，其特征在于，所述主太阳能光伏板和备用太阳能光伏板分别通过绝热柱与热管连接。
4.根据权利要求1所述的一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，其特征在于，所述温控开关为双金属片。
5.根据权利要求1所述的一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，其特征在于，还包括第一摇臂，所述第一摇臂与第一电机连接，第一电机驱动第一摇臂旋转，以控制主太阳能光伏板翻转。
6.根据权利要求1所述的一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，其特征在于，还包括第二摇臂，所述第二摇臂与第二电机连接，第二电机驱动第二摇臂旋转，以控制备用太阳能光伏板翻转。
7.根据权利要求1所述的一种自循环防冻结太阳能发电协同辐射散热系统，其特征在于，所述热管内工质为碱金属。
8.基于权利要求1-7任一所述系统的辐射散热方法，其特征在于，包括如下步骤：满负荷散热功率工作时，Ⅰ电路回路和Ⅱ电路回路断路，主太阳能光伏板和备用太阳能光伏板与翅片不接触，热管内工质将热量传递给翅片，翅片将热量以热辐射的形式排到太空；
进行散热功率调节时，Ⅰ电路回路和Ⅱ电路回路开关闭合，电流从主蓄电装置正极流出，电流流经第一电机和第二电机，再回到主蓄电装置负极，此时Ⅰ电路回路和Ⅱ电路回路接通，通过电机控制第一摇臂和第二摇臂使主太阳能光伏板和备用太阳能光伏板发生转动，通过调节转动角度，实现散热功率的无级调节，当太阳能光伏板含绝热涂层的下表面覆盖至翅片表面，翅片的散热受阻。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Shaozheng Inventor after: Yang Qinshan Inventor after: Lu Peng Inventor after: Yan Xiaodie Inventor after: Huang Hulin Inventor before: Lu Peng Inventor before: Yang Qinshan Inventor before: Yan Xiaodie Inventor before: Wang Shaozheng Inventor before: Huang Hulin |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |