太阳帆航天器研究及其关键技术综述_荣思远

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太阳帆航天器研究及其关键技术综述_荣思远

文章编号:1006-1630(2011)02-0053-10

太阳帆航天器研究及其关键技术综述

荣思远,刘家夫,崔乃刚

(哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘 要:综述了国内外关于太阳帆航天器的研究成果。介绍了太阳帆航天器的构型与材料、姿态控制、轨道控制及任务分析、试验验证及动力学仿真分析等的研究进展,讨论了太阳帆航天器轻质高强度帆体、折叠储存与展开控制、结构设计、姿态控制、地面试验及在轨演示验证,以及测试与诊断等关键技术,分析了未来太阳帆航天器的发展趋势。

关键词:太阳帆航天器;姿态控制;轨道任务;太阳帆材料;关键技术中图分类号:V423.9 文献标志码:A

A Review of Solar Sail Spacecraft Research and Its Key Technology

RONG Si -yuan ,LIU Jia -fu ,CUI Nai -gang

(College o f A st ronautics Enginee ring ,Ha rbin Institute o f T echno log y ,Ha rbin Heilong jiang 150001,China )Abstract :T he so lar sail spacecraf t re sear ch achiev ements at home and abroad w ere summarized in this paper .T he re searches o f co nfigur ations and materials ,attitude co ntrol ,o rbit contro l and task analy sis ,tests and dy namics simula tion ana ly sis fo r the sola r sail spacecraft we re introduced .T he key techno lo gies of so la r sail spacecraft such a s sail with sma ll mass and hig h intensity ,fo ld sto re and deploy ment contro l ,str ucture desig n ,at titude co nt rol ,g round test and in -o rbit approv al ,and test and diag nosis w ere a lso discussed .T he dev elo pment t rend o f solar sail spacecraf t in the future w as analy zed .

Keywords :Solar sail spacecraft ;A ttitude contr ol ;O rbital mission ;So lar sail material ;Key techno log y

收稿日期:2009-11-19;修回日期:2009-12-08 基金项目:国家自然科学基金(10772057)

作者简介:荣思远(1974—),男,博士,讲师,主要研究方向为航天器动力学与控制、自主导航及滤波方法。

0 引言

快速、高效、低成本、低风险、长寿命是21世纪现代航天飞行器技术发展的目标。现代飞行器受化

学燃料火箭能量和其能携带的燃料质量的制约日甚,特别是为使深空探测的距离更远和更长期在轨完成更多的空间任务,飞行器的质量随之增大,这就必然需要携带更多的燃料并付出更大的代价。为克服这些缺点,已出现了核子火箭、电火箭和离子火箭等多种新型高效发动机并用于空间飞行任务,但它们都未摆脱燃料的束缚,飞行器寿命仍受制约。

为摆脱庞大的运载工具,且能使航天器携带更多的载荷,以实现更快、更廉价、更好的目标,近年来

一种新型的航天器———太阳帆航天器受到了国内外

的广泛重视。太阳帆航天器依靠面积巨大但质量很轻的太阳帆反射太阳光获得源源不断的推力,是唯一不依靠反作用推进实现飞行控制的飞行器。它无需消耗燃料,在太空中的寿命不受有限燃料的制约;采用高性能材料使其结构质量很轻,可显著减小发射质量,发射费用更低。利用太阳光压所提供的连续加速度,经过长时间加速,太阳帆航天器能以速度93km /s 飞行,该速度较当今火箭推进的最快航天器快4~6倍[1、2]。

太阳光产生的压力很小,全反射时在1AU 处约9μN /m 2

。为获得足够的推力,太阳帆航天器需有很大的反射面,而为获得更大的加速度,太阳帆航天器质量须非常轻。通过控制太阳帆与太阳光线的夹角,可使太阳帆航天器向太阳系中心或远离太阳系飞行。

太阳帆航天器是唯一不依赖于反作用推进的飞

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行器,它可适应星际探测、取样返回、太阳极点观测等各种任务,高性能的太阳帆也可完成部分过去无法实施的任务,如太阳或行星的悬浮轨道任务、极地通信卫星的推进任务[3、4]。由于太阳帆航天器有巨大的优越性,会在未来的空间任务应用中发挥更重要作用。

为此,本文对太阳帆航天器的研究现状和关键技术等进行了综述。

1 太阳帆航天器研究现状

虽然太阳帆航天器近年来才作为一种新型航天器成为人们关注的焦点,但其概念提出的历史却很长。早在400多年前,开普勒就设想无需携带任何能源,仅仅依靠太阳光就可使宇宙飞船驰骋太空。20世纪20年代,前苏联的TSIO LKOVSKY等明确提出了用照到很薄的巨大反射镜上的太阳光产生的推力获得宇宙速度的理论,他们率先提出了太阳帆———一种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想,成为今天建造太阳帆航天器的基础。

目前,对太阳帆推进研究较多的主要航天机构有:俄罗斯巴巴金空间研究中心、俄罗斯空间研究所、美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)、德国航空航天研究院(DLR)和英国格拉斯哥大学等。进入21世纪以来,N ASA的戈达德空间飞行中心(GSFC)、喷气推进实验室(JPL)、兰利研究中心(LaRC)、马歇尔空间飞行中心(MSFC)和NASA先进概念研究所均有太阳帆研究项目, NASA空间技术公司(Code R)和NASA空间科学办公室(Code S)则致力于太阳帆工艺研究、任务研究与任务分析[5~7]。近些年来国内一些高校和科研院所也开始对太阳帆航天器进行研究,主要集中在太阳帆航天器的结构分析、姿态控制及轨道任务应用等领域。

1.1 构型与材料

1.1.1构型

太阳帆构型与尺寸的选择主要取决于任务的需要,如太阳帆所需特征加速度的大小等,同时也要考虑工程任务的成本和风险[8]。迄今为止,太阳帆主要的构型为方形、圆盘形和直升机螺旋桨形,如图1所示。其中,构型(d)是新近提出的,这种特殊构型旨在减小太阳帆系统质量[9]。

太阳帆研究的重点集中于方形构型,诸多空间任务应用都以此种构型太阳帆为最优,主要因为该种构型的太阳帆易操控,能为行星逃逸提供很大的转弯速度。方形太阳帆由支撑管4根、帆面4块、包装展开机构、有效载荷和姿态控制机构等组成。其中,支撑杆为结构提供刚度、使帆面保持平整;包装展开机构位于4根支撑杆汇聚的中心

图1 太阳帆航天器结构形状

Fig.1 Structure style of solar sail spacecraft

1.1.2 材料

太阳帆的结构质量尽可能轻,才能最大程度提升太阳帆的推进性能,这就要求在满足太阳帆的机械物理性能及空间环境需要的前提下,采用更小密度的材料。随着材料学的不断发展,许多新型高性能材料已用于太阳帆的研究。

a)太阳帆支撑杆

为使太阳帆有很大的支撑刚度和强度,同时质量较轻,太阳帆支撑杆需使用先进的复合材料和纤维材料。DLR设计了一种4根长14m且厚度小于10μm的碳纤维增强复合材料管的太阳帆支撑结构。该结构采用充气方式展开,在充气展开过程中对支撑杆材料进行刚化处理,充气完毕后支撑杆即已全部刚化[10]。这种用碳纤维材料制作的桁架机构的支撑杆有质量轻、强度高、弹性好等优点,且可方便地收卷、展开。NASA曾对太阳帆支撑杆旋转展开方式进行了研究[11]。在这种展开方式中,采用碳素纤维加固塑料(CFRP)制作支撑杆,该材料的强度高、硬度大、密度低,易于折叠包裹,厚度仅10μm,线密度仅101g/m。

b)太阳帆帆面薄膜

目前,制备太阳帆薄膜的材料是镀铝的聚酰亚胺或聚脂薄膜。这种刚硬、超轻、制作工艺相对简便、折叠包装体积小的聚酰亚胺是在超轻空间结构

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应用中备受青睐的良好材料。现已能生产最小厚度3μm的Kapton(聚酰亚胺)和面密度4.8g/m2的CP-1薄膜材料。

LaRC的20m方形可升级太阳帆系统中太阳帆帆面材料的面密度为4~5g/m2[12]。随着材料技术的发展,NASA已可生产厚度小于1μm、面密度小于2g/m2的薄膜材料,可使太阳帆系统面密度小于5.3g/m2[13]。此系统面密度可使用其制作的太阳帆完成目前科学界提出的所有空间科学任务。

近期,NASA,DLR等正尝试使用Kevlar纤维加强材料制作太阳帆帆面,以显著提高帆面抗拉伸能力[14]。该厚度较大的新颖多孔性碳纤维薄膜(又称微桁架纤维)不仅能耐高温,而且面密度仅为1~10g/m2。

1.2 姿态控制

在轨运行的太阳帆航天器尺寸巨大、转动惯量很大,且执行任务飞行时间长,存在的干扰力矩较多,用传统姿态控制方法会明显降低太阳帆航天器的飞行性能,已不适于太阳帆航天器的姿态控制。为此,国内外提出了多种针对高性能太阳帆航天器的新型姿态控制技术。

WIE等给出了一种太阳帆姿态控制方案,包括无推进工质消耗的主姿态控制系统和微小推进工质消耗的辅助姿态控制系统各1个[15~17]。前者通过采用2个质量块沿支撑杆往复移动对俯仰/偏航轴和1个位于支撑杆端部的滚转稳定棒对滚转轴进行姿态控制;后者通过使用位于桅杆端部的轻质脉冲离子推力器实现对太阳帆的姿态控制,可将太阳帆的姿态从非正常状态控制到正常状态。

M ET TLER等对有M个控制叶片(每个叶片的自由度数为1)的太阳帆进行了动力学建模,并给出了一种非线性鲁棒控制算法,仿真结果表明设计的控制器在因存在质心/压心偏差产生的干扰力矩时有较好的控制品质,但动力学建模与姿态控制时并未考虑控制叶片和帆面的变形因素[18]。

LAWRENCE等研究了有4个控制叶片太阳帆的轨道姿态耦合控制,通过调整太阳帆4个控制叶片的偏转角实现太阳帆三轴姿态机动,同时也控制了太阳帆的推力矢量幅值,与传统依靠调节推力幅值的2自由度推力控制方法比较的结果表明,4叶片控制系统在初始误差修正等方面的优势较大[19]。

骆军红等针对由有效载荷、太阳帆和4个控制叶片组成的太阳帆航天器系统,基于物理模型,用欧拉动力学方程建立姿态动力学方程,通过数值仿真对太阳帆航天器基于控制叶片的对日定向性能进行了研究。该姿态控制方法无需消耗自身工质,适于任务期限长、姿控精度要求低的行星际探测任务[20]。

太阳帆是一个有6个自由度的柔性体航天器,其转动惯量、自然频率、阻尼和模态常数均不确定,应用鲁棒控制技术设计太阳帆姿态控制系统是一个重要方向。在对静地转移轨道(GTO)的太阳帆进行分析后,ROT UNNO等应用H∞,定量反馈理论(QFT)和输入成形三种方法设计太阳帆姿态控制系统,并对基于三种方法设计的姿态控制器进行了比较,分析了各自的优缺点[21]。

改变太阳帆质心/压心相对位置(通过调节有万向节的控制杆实现),同时采用位于4个支撑杆顶端的控制叶片亦可实现太阳帆三轴姿态控制[22~24]。WIE对采用这种姿态控制方法的太阳帆进行三轴姿态动力学建模,模型中转动惯量的大小和控制叶片的相对矢量均是万向节转角的函数。崔祜涛等对由控制杆、反作用飞轮、有效载荷和太阳帆组成的太阳帆航天器多体系统应用拉格朗日方程进行姿态建模,并分析了系统的稳定性和能控性,对太阳帆三轴姿态控制响应特性和行星际轨道转移过程中姿态控制效果进行数值仿真,结果表明这种姿态控制方案可行,且节省燃料、降低系统质量,可提高太阳帆推进性能[25]。

对装有万向接头的太阳帆,WIE给出了简化的俯仰轴物理及动力学模型,在设计姿态控制系统时,采用简单的比例积分微分(PID)控制方法,仿真结果表明控制系统设计可抑制各种干扰力矩对太阳帆姿态的影响[23、25]。结合太阳极地观测任务,W IE 给出了有控制质量块太阳帆的简化姿态动力学方程,设计了太阳帆三轴控制器,并根据太阳极地观测任务给出仿真算例[12]。

自旋稳定是太阳帆的一种较简单的姿态控制方法[26、27]。当太阳帆质心/压心存在偏差时,太阳光压力将使帆的指向偏离太阳,而此时利用陀螺定轴性保持帆的旋转轴指向太阳,再通过喷气进行进动和章动控制,可实现太阳帆的对日定向。

WIE通过平移和倾斜太阳帆帆面控制NASA 的新千年空间技术ST-6太阳帆姿态,该姿态控制

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方法的执行机构非常复杂。WIE设计了PID控制器,虽然仿真结果表明姿态控制方法操纵性能良好,但硬件实现却很难[22、23]。

1.3 轨道控制及其任务应用

太阳帆的推进性能独特,对其轨道控制及任务应用进行了大量的研究,主要包括以下内容。

1.3.1 太阳极地观测任务

太阳极地观测任务的目标轨道是距日心0.48A U、倾角75°的太阳圆轨道[28、29]。DACH WA LD等采用尺寸160m×160m、系统质量450kg太阳帆完成此任务,其特征加速度为0.35mm/s2。研究基于参考转移轨道,以帆面温度极限作为约束设定了太阳帆“冷”、“热”任务(所谓冷、热是指帆面可耐温度的极限)。帆面可耐温度极限越高,太阳帆就可更接近太阳以获得更多的能量,进而缩短轨道转移时间。

1.3.2 太阳帆悬浮轨道任务

太阳帆须有很高的性能才能提供悬浮轨道[8]。针对太阳为中心的悬浮轨道,MCINNES就太阳帆航天器多种形式的日心悬浮轨道线性稳定性和可控性进行了分析,讨论了3种形式的日心悬浮轨道线性稳定性,结果表明如太阳帆姿态相对帆-日连线固定,太阳帆日心悬浮轨道即为稳定的,该相对固定的姿态可通过选取特定的太阳帆形状使用被动控制方法实现。因此当轨道不稳定时,原则上可通过被动控制方式实现稳定[30、31]。

李俊峰等对日心悬浮轨道的太阳帆编队进行了研究,推导了悬浮轨道附近的相对运动方程。将相对运动方程在悬浮轨道附近线性化,获得了线性化方程,基于该线性化方程考虑了悬浮轨道附近的数种编队控制方法,只需通过调节太阳帆姿态就可简单地实现控制[32、33]。

1.3.3 外太阳系及更远探测

应用太阳帆进行外太阳系甚至更远处的科学探测任务是由ESA与DLR新近提出的[34~37]。对距离太阳200A U的太阳风层顶和日光层接触面进行原地探测对基础科学的研究有很大意义[34]。由于探测距离过远,太阳帆设计成边长245m的方形构型,系统总质量达517kg。太阳光压力反比于帆-日距离,因此太阳帆可通过数次接近太阳获得远行的能量[34~36]。到达目标地点的飞行时间主要取决于太阳帆系统的质量和允许接近太阳的最小距离,而后者取决于帆面材料的耐高温极限能力[35、36]。

1.3.4 拦截对地球有威胁的小行星

AIAA假定在2004年7月4日发现一颗小行星,经计算,该小行星将于2015年1月14日撞击地球,小行星半径200m,定名为2004W R。DACH WALD,WIE提出用太阳帆撞击2004W R小行星消除其对地球的威胁。用10个160m方形、系统总质量300kg、特征加速度0.5m m/s2的太阳帆完成此次撞击任务。太阳帆航天器经过约5年的在轨运行后,将于2012年1月1日于小行星的近日点分离出自身携带的小卫星对小行星进行撞击,太阳帆航天器携带质量150kg的小卫星。小行星与小卫星的相对速度约为70km/s,小行星轨道速度在每次撞击完成后均增加0.3cm/s。经过10次连续撞击以后,将彻底消除小行星对地球的威胁[38~41]。

1.3.5 行星探测任务

马歇尔空间飞行中心对使用太阳帆进行火星探测任务很感兴趣[42、43]。S TEVENS等对地球-火星往返轨道进行了优化设计,以太阳帆进入火星的双曲极限速度Δv作为轨道优化指标。优化结果表明:使用太阳帆进行火星探测可显著减小火星的双曲极限速度[42]。此外,太阳帆还可携带更轻质的有效载荷进行火星探测,太阳帆的高机动飞行能力可大幅提升其有效载荷的运送能力[43]。因为从水星轨道返回地球需要巨大的轨道转移能量Δv, MCINNES等认为应用太阳帆航天器进行水星取样返回是很好的选择,提出使用1个面积275m2的太阳帆实现水星取样返回任务,太阳帆系统面密度5.9g/m2,总发射质量2353kg,拟定搭载日本H2运载火箭升空,近期的最佳发射时间是2014年4月,4.4年后完成取样返回任务[44、45]。与传统化学推进方式相比,太阳帆推进方式可减少发射质量60%,节约旅行时间40%。

1.3.6 彗星取样返回

在1976年11月NASA就曾决定开展利用太阳帆完成与哈雷彗星汇合的任务,但最终由于太阳帆技术难度太大任务被取消。近期,随着对太阳帆任务研究的深入,与彗星汇合及其取样返回任务又成为关注的热点。TAYLO R等提出利用太阳帆推进提高轨道倾角,设计的太阳帆轨道可使太阳帆与目标彗星在其近日点交汇(距太阳1A U),太阳帆利用自身携带的小容器收集小彗星喷射出的物质以完成取样,完毕后收回小容器,太阳帆减小轨道倾

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角,返回地球[46]。

1.3.7 地磁尾探测任务

对地磁尾构造的了解有助于对地球物理构造认知更深入。传统的地磁尾监测任务需要飞行器运行于一大椭圆轨道获取地磁尾空间结构的信息[47]。用传统推进方式需要飞行器有持续低推进能力或周期性的高脉冲推进能力,这要求飞行器自身携带大量燃料,这样既增加了发射成本又缩短了飞行器的寿命。利用太阳帆能提供持续推力的特性,可让太阳帆携带科学有效载荷长期驻留在地磁尾处进行探测[47、48]。

1.3.8 地磁暴任务

地磁暴又称为太阳风暴,是由太阳强烈释放等离子体所产生的一种空间物理现象,对卫星通信会产生很大干扰,因此有必要对地磁暴进行预测[49]。利用太阳帆独特的推进方式进行日地L1平衡点驻留可实现地磁暴的预测[8、50]。LAWRENCE等给出了绕L1点的H alo轨道的控制方法,给出了H alo 轨道动力学方程,讨论了日地L1平衡点的控制,研究了日地L1点的轨道修正及轨道保持,并运用线性二次闭环控制器进行相应的控制[50]。使用具鲁棒性的局部反馈控制律设计相应的控制系统。李俊峰等对人工L1点附近太阳帆的稳定飞行进行了研究,采用被动控制方法,并结合太阳帆构型讨论了轨道的被动控制方法,同时考虑太阳帆的姿态轨道耦合动力学效应,给出了姿轨耦合动力学方程,基于姿轨耦合动力学方程讨论L1点被动稳定控制[51]。

1.4 试验验证及动力学仿真

在NASA空间推进技术研究室指导下,L' GARDE小组、JPL和LaRC等部门业已并仍在开发一个可升级的太阳帆系统以用于NASA未来的空间推进[52]。进行太阳帆飞行试验前,有必要进行一次全面的结构测试以检验太阳帆结构的设计水平。测试项目包括展开、真空热环境、结构动力响应测试等;太阳帆结构设计成熟的关键是开发有效的有限元模型,这些有限元模型的正确性与精度将用前述的地面测试结果检验。随着太阳帆尺寸增大,太阳帆地面试验验证变得很困难,故为太阳帆开发有效的有限元分析模型显得愈发重要。

1.4.1 地面实物测试

2005年5月,NASA对由A TK空间系统研发的20m可升级方形太阳帆系统进行了一个大气压和重力环境中的地面展开试验[53、54]。由于太阳帆结构巨大、刚度相对较小,重力使地面展开试验与实际飞行所得结果间存在差异。GSFC用非线性有限元模型模拟重力对太阳帆的影响,所得有限元分析结果与地面试验接近,最大误差小于10%。经过近期的试验和测试,NASA计划生产出边长为40~120m的可升级方形太阳帆系统,其性能几乎可完成目前科学界提出的所有空间科学任务。

在20m可升级方形太阳帆系统展开测试后, 2005年7月NASA将此系统在格伦研究中心的空间模拟环境设备中进行了组件、子系统和系统级的结构静力与动力响应测试[55]。同时,科研人员用Abaqus,Nastran等有限元程序分析结构静力与动力响应,将实物测试结果与有限元分析结果进行比较,发现两者基本一致。

在太阳帆地面动力学响应测试中,照相测量法是一种常用的测量方法[56]。最近10年,LaRC将照相测量法用于测量太阳帆帆面的动力学响应的模态,该测量方法可为研究人员提供可靠的测试结果。

1.4.2 动力学仿真

NASA在进行太阳帆系统地面实物试验测试的同时,对太阳帆进行了结构动力学有限元分析。NASA将太阳帆成熟的有限元分析手段视为以后替代地面实物试验的有效而经济的方式。

西工大与俄罗斯曾开展了太阳帆结构分析的合作[57]。他们设计的太阳帆由中心鼓轮和向四周辐射的辐条组成。将辐条视为悬臂梁模型,由动平衡条件得出方程,应用差分方法求解,所得结果对确定太阳帆辐条强度、太阳帆转速和太阳帆结构参数很有意义。

龚胜平等研究了太阳帆结构参数(主要指支撑杆长度与帆的面积)对其在悬浮轨道稳定运行的影响,研究结果表明帆的面积对其稳定性影响较大:当帆的面积较小时,只要结构参数满足一定的约束条件太阳帆即可稳定;当帆的面积较大时,则不稳定;支撑杆的长度对太阳帆稳定性的影响较小[58]。

2 太阳帆航天器关键技术

太阳帆航天器的概念已提出数十年了,大量研究已证明了其潜在的优势和技术可行性。近年来,随着微电子和材料科学的飞速发展,国外已进行过一系列太阳帆航天器的方案设计及试验,为将来的应用做准备。但至今太阳帆航天器还未经历真正的

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在轨运行,主要是因为部分关键技术有待解决,太阳帆航天器需解决的关键技术如下。

2.1 轻质高强度太阳帆体制造

太阳帆的结构质量应尽可能小,才能最大限度地提升太阳帆的性能,这就要求在满足太阳帆的机械物理性能及空间环境要求的前提下,采用密度更小的材料。随着材料科学的发展,多种新型高性能材料已用于太阳帆的研究。

目前太阳帆帆体一般以塑料薄膜为基体,反射面覆有铝层,发射面覆有铬层。采用止裂加强结构,帆体上每隔一定距离就有加强筋与之结合,也可承受可能发生的拉力。目前,各国在研制超轻支撑架时均采用碳纤维材料。使用这种材料研制的支撑架有质量轻、强度高、弹性好等优点,并可方便地收卷与展开。

2.2 折叠储存和展开控制

为便于太阳帆航天器的贮存、运输和发射,须在其在轨展开前将其折叠存储于给定的较小空间内,因此必须对合理安排各种结构的折叠方式使存放的体积更小、展开更易进行研究。目前,常采用折叠———打卷包装方式存储。

太阳帆航天器与运载工具分离后,展开机构应即时完好地展开太阳帆,展开控制机构能对展开过程进行控制,以使展开过程平稳和顺畅。设计展开控制机构以实现上述展开效果是一项亟待解决的关键技术。

2.3 结构设计

太阳帆要求结构质量尽可能轻,且保证有一定的强度、刚度和稳定性,这就对太阳帆航天器的结构形式提出了一定的要求。设计既轻质又有高强度,可便于安装、存储、发射、在轨展开,且能提供较大推进力的太阳帆系统尚待解决。如前所述,展开结构是结构设计的难点,它要求支撑杆和帆面易于折叠,且具一定的弹性和防折损性。

2.4 姿态控制

太阳帆航天器的姿态控制难度较大。太阳帆质量虽小,但展开后的面积却很大,致使其转动惯量很大,如采用传统姿态控制方法,太阳帆将携带并消耗大量燃料,进而降低太阳帆的性能,缩短使用寿命。因此,选取适合的姿态控制方法是太阳帆姿态控制的核心。迄今为止,国内外对此开展了大量的研究,并提出了多种姿态控制方案及其实现方法,且给出了理论推演。但由于至今还未有真正意义的太阳帆航天器在轨运行,因此上述关于太阳帆的姿态控制方案尚未得到验证。

2.5 地面试验技术及在轨演示验证

目前NASA,DLR等均已进行了太阳帆的地面展开等试验,其中NASA进行了真空、微重力等环境中的展开及动力学响应试验。但因为地面实物验证的试验条件有限,无法完全实现所有空间环境中的试验,因此太阳帆在轨演示技术成为关注焦点, NASA,ESA,DLR均已有相关的规划对太阳帆进行在轨演示验证[59、60]。太阳帆在轨展开及运行可提供大量真实数据与经验,与地面试验相比,在轨演示会使太阳帆技术向工程应用更快发展。

2.6 测试与诊断技术

太阳帆航天器长期在轨运行,宇宙中各种粒子、碎片等会对帆面造成冲击乃至破坏;太阳帆帆面长期受太阳光及宇宙射线的辐射,其材料会随太阳帆在轨运行时间的持续而加速蒸发,这些不利条件均会降低太阳帆性能。这就需要太阳帆航天器配备一套故障监测与诊断系统,对由上述原因产生的破坏及故障进行监测与诊断分析。太阳帆故障监测及诊断系统的质量应尽量小,功能尽可能齐全。监测与诊断内容包括:帆膜应力、帆承受的张力、桁架应力、桁架和帆体的偏转、桁架和帆体的固有频率、太阳帆的完整性和帆面光学性能的变化等。

3 发展趋势

新千年以来,随着微电子等技术的迅速发展,太阳帆已朝着更先进的方向发展[8]。NASA,ESA等均在考虑使用轻质电荷耦合器件(CCD)摄像机、固体存储器、高性能处理器和微电子机械系统技术研制太阳帆的导航和控制等系统,以实现相关系统的轻质化、智能化和小型化。

未来完成诸如外太阳系探测、太阳极地观测等任务需要研制性能更优良的太阳帆,这些任务的完成需要太阳帆有巨大的帆面,同时帆面和支撑杆材料的密度尽量小,以实现太阳帆的巨型化与轻质化。随着太阳帆材料技术的发展,国内外正在大力研制

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超轻(面密度小于5g/m2)、高强度、高反射率帆面材料,并针对大面积薄膜的裁切、涂层、接合等工艺,发展相应的低成本技术。对帆体薄膜研究多种技术手段增强其性能,采用纤维加强薄膜,显著提高材料的抗拉强度和可处理性;对薄膜采用激光减薄技术,去除多余厚度;对薄膜采用自动金属化技术,使金属在聚合物薄膜内扩散,可形成一个有反射性和导电性的层面,以解决常规镀膜易脱落及镀层易折断的问题;对薄膜应用挥发性技术,采用可光解的聚合物作衬底,使帆体的折卷填装和展开变得易于操作,且帆体展开后,在日光下衬底膜会彻底挥发而减小帆体质量。

目前,国内外研究在推导太阳帆动力学方程时几乎都将太阳帆视为刚体。即使有建立动力学方程时考虑了太阳帆的柔性因素,但并未给出太阳帆动力学方程的完全推导过程,考虑情形较简单[61]。因此,考虑柔性因素的太阳帆航天器的完整而又精确的动力学方程建立是未来研究的难重点。

太阳帆控制系统的设计已成为NASA等关注的关键技术之一。太阳帆在轨运行将面临诸如结构柔性、帆面材料光学性能退化等诸多不确定因素的影响[21、62]。因此,未来的控制系统将具有很强的自适应性和鲁棒性。

目前,尽管太阳帆航天器技术面临巨大的挑战,且其关键技术尚未实现完全突破,但各国仍在加紧研究太阳帆的基础理论与工程应用,并提出了各自的近期计划与远景规划。

未来N ASA将构建边长100m级、系统面密度仅为5.3g/m2的太阳帆航天器,这将为NASA未来的空间任务提供推进保障[54]。对规模巨大的太阳帆系统,NASA将部分使用数值分析方法替代地面实物验证,这标志着NASA太阳帆的设计方法已趋于成熟。

DLR与ESA合作进行太阳帆的进一步研究,制定了一个从2002~2014年的12年详细研究计划,主要研究内容包括:地面展开演示、轨道展开演示、自由飞行演示和深空科学探测等[1]。

4 结束语

随着人类进入新世纪,各国在航天领域的竞争愈发激烈,太阳帆航天器作为一种新型的航天器必将发挥重要作用。目前,国外对太阳帆技术的研究已进入实质性阶段,NASA,ESA,DLR,俄罗斯、日本等都已开展相关试验验证,取得了一定的进展,而国内相关研究还较少,仅针对轨道应用、姿态控制方法等进行了理论研究,还未进入实质性研究阶段。

近年来,一些有关太阳帆航天器在轨演示实验均未获得成功,表明太阳帆研究还有很多关键问题有待解决,尤其是太阳帆展开控制、太阳帆航天器姿态控制、太阳帆航天器柔性体动力学、姿/轨耦合控制、姿态控制与太阳帆结构交互设计、有强自适应性/鲁棒性的姿态控制设计、太阳帆航天器故障自修复控制等都有待深入研究。

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美国军方准备发射战术星-4卫星

据报道:美国军用战术星-4新型联合战术通信卫星已于2011年3月1日运抵阿拉斯加科迪亚克岛发射场,计划在5或6月发射。战术星-4卫星由美国海军研究办公室投资,与传统系统相比,其体积更小,成本更低,发射速度更快。战术星-4卫星设计用于增强传统卫星通信,能提供特高频信道10个,每天可对热点地区提供覆盖3次,每次2h ,可在24h 内为全球多个战场提供支持。战术星-4卫星在发射入轨30d 后可实现目前美国国防部其他卫星系统都不具备的初始数据传输和移动中通信。与传统卫星为传输数据需要在战场架设天线不同,战术星-4卫星允许作战人员使用常规手提无线电通话机在移动中进行通信。由于使用寿命至少为6个月~1年的高质量部件,战术星-4卫星的运行成本低于传统卫星。

战术星-4卫星将携带一个由海军研究办公室资助、海军研究实验室研发的有效载荷,该有效载荷部件将置于由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室建造的平台上。美国空军作战及时响应型太空办公室投资进行战术星-4卫星的发射,入轨任务将由轨道科学公司的米诺陶-4运载火箭执行。战术星-4卫星的发射日期最早为2011年5月5日。但3月4日,美国金牛座-XL 火箭发射失败,目前正在进行事故调查。米诺陶-4和金牛座-XL 运载火箭同为美国轨道科学公司制造,且两种火箭使用了通用硬件。因此,对金牛座-XL 运载火箭的事故调查将使战术星-4卫星的发射延迟。

(肖 择)

62

上 海 航 天

AE ROS PAC E SH ANG HAI

2011年第2期 

浅析光伏电站发电量与光伏组件衰减的关系

浅析光伏电站发电量与光伏组件衰减的关系 摘要:在光伏电站建设前期的项目可行性评估中,对光伏电站的发电量进行估算具有非常重要的意义,因为这将直接影响到项目的收益预期。目前系统设计人员常用软件来模拟第一年的发电量,本文将基于第一年估算的发电量,并试图计算随后24年发电量。 关键词:光伏电站组件衰减发电量估算 PVSYST模拟 1 前言 由于全球的能源危机问题,风能、太阳能等资源丰富的新能源逐渐占有重要的地位。世界太阳能光伏发电系统在近几年里保持持续高速增长,到2012年世界光伏发电累积装机容量已经达到102GW[1],并且成为增长速度最快的发电技术,光伏发电在20多个国家实现平价上网。 随着核心器件光伏组件的技术不断突破,效率不断提升,光伏发电系统的度电成本会逐渐的逼近传统的火力发电成本,同时随着储能技术的不断发展,届时,光伏发电系统由于它的系统规模随意、安装要求门槛低等优点将会在世界各地更普遍的应用开来。 在整个光伏系统应用市场里,目前并网光伏系统占有绝对主导的地位,皆依赖于并网光伏技术的不断发展成熟、相应设备性能成本的不断研发进步以及各国政府在政策方面的积极推进。 2 光伏发电系统的原理 由于光伏发电系统根据实际的应用大体上分为并网系统和独立系统[2],由于并网系统应用所占的份额较大,本文着重分析并网系统的发电量估算。 同时,由于系统规模和场合条件的不同,并网系统也有多种系统形式,本文对发电量的评估是按较大规模的光伏电站作为模型,且光伏电站所处的环境条件比较好。 图2-1为一个典型的大型地面电站的发电原理框图 图2-1 大型电站发电原理简图

整个系统主要由光伏方阵和交(直)流输变电组成,光伏方阵输出的直流电经过直流线路汇流后通过逆变器转变为波形规则、频率稳定的交流电,然后就地进行一次升压到中压后,在中压交流线路上进行汇流后再进行二次集中升压,最后接入电网进行并网。 根据图示,通常在产权点会安装一个有效的电能计量表对光伏电站发电量进行计量,这是最为准确的统计数据。根据最初几年的计量统计数据对模拟数据进行分析修正,可以较为准确的预估今后的发电量。 3 光伏电站发电量损耗因素分析[3] 要在项目前期比较准确的预估光伏电站的发电量,除了对光伏电站的系统结构有深刻的了解外,也必须对主要的设备性能参数有很深刻的了解。同时,如果要对发电量进行更长年限的预估时,则必须全面考虑长时间内外界环境因素的影响和电站运营状况的预估。 分析第一年光伏电站的发电量估算时,通常需要考虑的损耗因素如下: ⑴倾斜面太阳光辐照量修正; ⑵组件表面灰尘等异物挡光的影响; ⑶温度对光伏组件输出的影响; ⑷光伏组件的自身衰减; ⑸组串内组件的匹配损失; ⑹方阵前后排之间的阴影遮挡损失; ⑺直流线路损失; ⑻逆变器转换效率损失; ⑼本地变压器损耗; ⑽交流线路损失; ⑾主变压器损耗; ⑿电站自用电损耗; ⒀停机时间损失; 通常采用PVSYST软件模拟发电量时,没有考虑自用电和停机时间的损耗,只是考虑其它因素的一个综合数据。

中国航天发展史简介

中国航天发展史简介 1956年10月8日,中国第一个火箭导弹研制机构——国防部第五研究院成立,钱学森任院长。 1964年7月19日,中国第一枚内载小白鼠的生物火箭在安徽广德发射成功,中国空间科学探测迈出了第一步。 1968年4月1日,中国航天医学工程研究所成立,开始选训宇航员和进行载人航天医学工程研究。 1970年4月24日,随着第一颗人造地球卫星“东方红”1号在酒泉发射成功,中国成为世界上第五个发射卫星的国家。 1975年11月26日,首颗返回式卫星发射成功,3天后顺利返回,中国成为世界上第三个掌握卫星返回技术的国家。 1988年9月7日,长征4号运载火箭在太原成功发射了风云1号A气象卫星。 1990年4月7日,“长征3号”运载火箭成功发射美国研制的“亚洲1号”卫星,中国在国际商业卫星发射服务市场中占有了一席之地。 1990年7月16日,“长征”2号捆绑式火箭首次在西昌发射成功,为发射载人航天器打下了基础。 1992年,中国载人飞船正式列入国家计划进行研制,这项工程后来被定名为“神舟”号飞船载人航天工程。 1999年11月20日,中国成功发射第一艘宇宙飞船--“神舟”试验飞船,飞船返回舱于次日在内蒙古自治区中部地区成功着陆。 2001年1月10日,中国成功发射“神舟”2号试验飞船,按照预定计划在太空完成空间科学和技术试验任务后,于1月16日在内蒙古中部地区准确返回。 2002年3月25日,中国成功发射“神舟”3号试验飞船,环绕地球飞行了108圈后,于4月1日准确降落在内蒙古中部地区。 2002年12月30日,中国成功发射“神舟”4号飞船。 载人航天工程又称“921工程”,是党中央国务院1992年1月做出决策并开始实施的重大工程。1999年月11月成功发射了第一艘无人飞船,随后又成功发射了3艘无人飞船,2003年10月15日,航天英雄杨利伟乘坐神舟5号飞船胜利完成了我国首次载人飞行,实现了中华民族“飞天”的千年梦想。

太阳能发电技术论文太阳能发电原理论文

太阳能发电技术论文太阳能发电原理论文 利用太阳能的热电偶正向串联发电技术研究 [摘要] 根据热电偶传感器的测温原理逆向思维,与光电传感器串联制成光伏阵列类似,将热电偶串联产生的热电势转换为电能。测量端利用太阳能加热,参考端靠水冷却,初步研究热电势与热电偶材料 的直径、长度、补偿导线之间的关系,由此制造出的绿色发电机无污染,成本低,其结果论证了本方法的实用性与可行性。 [关键词] E型热电偶热电势补偿导线绿色发电机 一、引言 目前,能源告急,如何用绿色能源生产电能对我国可持续发展具 有很重要的现实意义,太阳能电池利用光电传感器中产生的电动势, 将其串并联得到太阳能电池阵列发电,类似地,我们利用热电偶传感 器中产生的热电动势,并将热电偶串联得到发电组件,其测量端采用 太阳能集中加热,参考端自然冷却,将来做成一种新型绿色发电机,成本有望比太阳能电池更低。本论文从此观点出发利用试验对太阳能热偶发电技术进行初步研究,通过对试验数据结果分析总结出一些规律,这对我们进一步研究新能源开发与利用十分有利。 二、热电偶的测温原理与串联 1.热电偶的测温原理 热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路,当两个接点处的温度不同时,回路中将产生热电动势,又称

塞贝克效应。本论文中逆向思维,不是用于测温而是利用产生的热电动势发电,具有创新性。 2.热电偶的串联 热电偶的基本定律有中间导体定律、参考电极定律、中间温度定律。在试验前,我们根据中间温度定律、参考分度表可以对产生的热电动势进行估算。根据中间导体定律可知,加设补偿导线既不会降低热电动势,又可以节约成本,这对于实际生产具有十分重要的意义。 热电偶可串联使用,如下图2所示。但只能是同一分度号的热电偶,且参考端应在同一温度下。当热电偶正向串联,可获得较高的热电动势,其总热电动势的输出等于各热电动势输出之和,如式3,这正符合我们利用热电偶串联达到发电的目的。 三、试验过程 1.试验器材的选用 目前,我国工业上采用的4种标准化热电偶有4种分别是:镍铬-考铜(E型)、镍铬-镍铝(K型)、铂铑30-铂铑6(B型)、铂铑10-铂(S 型)。其特性曲线如图3所示,由图可知,我们选用E型最合理,这种热电偶在同等的温度差条件下产生的热电动势最大。 本次试验所选用主要材料及仪器清单如下表1所示: 2.试验数据

太阳能热利用技术概述

太阳能热利用技术概述 【摘要】太阳能是一种洁净和可再生的能源,太阳能热利用技术发展迅速。本文对太阳能利用成熟技术、先进技术和当前研究的热点技术进行了简要介绍。在发电过程中使用矿物燃料,从而减轻空气污染及全球暖化的问题,环境保护的发展趋势。成熟技术部分主要包括集热器、热水系统、太阳灶、太阳能暖房等传统的太阳能热利用技术;先进技术部分主要阐述了尚处于研究试验阶段的高品位太阳能热利用技术,包括太阳能空调降温/制冷、太阳能制氢、太阳能热发电等;在当前研究的热点问题部分,主要论述太阳能建筑热利用的技术问题。 【关键词】太阳能热利用;太阳能建筑;太阳能热发电;太阳能集热器 1.引言 太阳能的利用已日益广泛,它包括太阳能的光热利用,太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能热利用是一种较成熟的可再生能源利用方式。太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。现代的太阳能热技术将阳光聚合,并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外,建筑物亦可利用太阳的光和热能。太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍,太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。但是太阳能有两个主要缺点:一是能流密度低;二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。太阳能热利用研究和开发方兴未艾,随着常规能源供给的有限性及地球环保压力的增加,世界上许多国家掀起开发利用太阳能的热潮,开发利用太阳能成为各国可持续发展战略的重要内容,太阳能先进技术已成为世界当前及未来研究、开发和利用的主要方向。 2.太阳能热利用技术 太阳能热利用的基本原理是用集热器将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的集热器,主要有平板型集热器、真空管集热器、热管式集热器和聚焦型集热器等4种。通常太阳能热利用可分为:低温(80℃以下)、中温(80-350℃)和高温(350℃以上)三类热利用方式。低温热利用包括最简单的地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳热水器。中温热利用有太阳能建筑、空调制冷、制盐以及其它工业用。热高温热利用有简单的聚焦型太阳灶、焊接机和高温炉。目前应用最广泛的是太阳能热水器、太阳能空调降温/制冷等。 2.1 太阳能集热器

一组有关能源和太阳帆的物理习题

一组有关能源与太阳帆的物理习题(附答案) 卢宗长 1.一质量为M 的汽艇,在静水中航行时能达到的最大速度为10m/s 。假设航行时,汽艇的牵引力F 始终恒定不变,而且汽艇受到的阻力f 与其航速v 之间,始终满足关系:f=kv ,其中k =100N ·s/m ,求: (1)该汽艇的速度达到5m/s 的瞬时,汽艇受到的阻力为多大? (2)该汽艇的牵引力F 为多大? (3)若水被螺旋桨向后推出的速度为8m/s ,汽艇以最大速度匀速行驶时,在3秒钟之内,估算螺旋桨向后推出水的质量m 为多少? (提示:①推算水的质量时,可以将水的粘滞力忽略;②以上速度均以地面为参考系) 2. (08北京卷)风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能(气流的功能)转化为电能的装置,其主要部件包括风轮机、齿轮箱,发电机等。如图所示。 (1)利用总电阻10R =Ω的线路向外输送风力发电机产生的电能。输送功率0300kW P =,输电电压10kW U =,求异线上损失的功率与输送功率的比值; (2)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。设空气密度为p ,气流速度为v ,风轮机叶片长度为r 。求单位时间内流向风轮机的最大风能P m ;在风速和叶片数确定的情况下,要提高风轮机单位时间接受的风能,简述可采取的措施。 (3)已知风力发电机的输出电功率P 与P m 成正比。某风力发电机的风速v 19m/s 时能够输出电功率P 1=540kW 。我国某地区风速不低于v 2=6m/s 的时间每年约为5000小时,试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。 3. (07北京卷)环保汽车将为2008年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环 保汽车,总质量m =3×103 kg 。当它在水平路面上以v =36 km/h 的速度匀速行驶时,驱动 电机的输入电流I =50 A ,电压U =300 V 。在此行驶状态下 ⑴求驱动电机的输入功率P 电; ⑵若驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率P 机,求汽车所受 阻力与车重的比值(g 取10 m/s 2); ⑶设想改用太阳能电池给该车供电,其他条件不变,求所需的太阳能电池板的最小面积。结合计算结果,简述你对该设想的思考。

可展开太阳帆技术概述

可展开太阳帆技术概述 刘宇艳李学涛杜星文 太阳帆航行的构想和原理 太阳帆以太阳光光压为推进动力,是一种独特的推进方式,它超越了对反应物料的依赖。其工作原理是:利用太阳帆将照射过来的太阳光(光子)反射回去,由于力的作用是相互的,太阳帆在将光子“推”回去的同时,光子也会对太阳帆产生反作用力,从而推动飞船前进。装有太阳帆的航天器不需要火箭,也不需要燃料,只需展开一个仅有100个原子厚的巨型超薄航帆,即可从取之不尽的阳光中获得持续的推力飞向宇宙空间,而且只要几何形状和倾角适当,太阳帆可以飞向包括光源在内的任何方向。太阳帆扩大了太空行动的范围,使新的空间探测构想成为可能,而这些构想对于常规推进动力来说是根本不可能的。 我们知道,光是由没有静态质量但有动量的光子构成的,当光子撞击到光滑的平面上时,可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向,并给撞击物体以相应的作用力。除了由入射光子传送到太阳帆上的动量之外,被反射的光子也在太阳帆上施加了反作用力。因此,通过将入射光子和反射光子产生的力相叠加,则作用在太阳帆上的总力几乎垂直指向它的表面。通过控制相对于太阳位置线的太阳帆方位,太阳帆可以获得或者释放轨道角动量。这样,太阳帆就能够向内或向外螺旋式上升穿越太阳系。 单个光子所产生的推力极其微小,在地球到太阳的距离上,光在1m2帆面上产生的推力还不到一只蚂蚁的重量。因此,为了最大限度地从阳光中获得加速度,太阳帆必须建得很大很轻,而且表面要十分光滑平整。对于一个典型的太阳帆来说,整个飞行器单位面积上的质量可以从20g/m2(近距离航行)到0.1 g/m2(远距离星际航行)。太阳帆不但要有较小的自身荷载,而且也要具备近乎完美的反射面,才能使转换到太阳帆上的动量几乎是入射光子所传送的动量的两倍。由于单个光子所传送的动量非常小,为了拦截大量的光子,太阳帆必须有一个大的表面积。如果太阳帆的直径为300m,其面积则为70686 m2,由光压获得的推力为340N。根据理论计算,这一推力可使重约0.5t的航天器在200多天内飞抵火星。若太阳帆的直径增至2000m,它获得的15000N推力就能把重约5t的航天器送到太阳系以外。由于来自太阳的光线提供了无尽的能源,携有大型太阳帆的航天器最终可以67km/s的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的航天器快4~6倍。 太阳帆航行研究的发展历史和现状 虽然太阳帆航行只是在近年来才被看作是一种实用的航天器推进方法,但是它的基本思想却由来已久。著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不携带任何能源,仅仅依靠太阳光能就可使宇宙飞船驰骋太空。1873年,苏格兰物理学家麦克斯韦从理论上说明了光压的存在。1900年,俄罗斯的物理学家进行了准确的实验,测得了光压的存在。1924年,俄罗斯航天事业的先驱齐奥尔科夫斯其同事桑德明确提出了“用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是桑德首先提出了太阳帆——包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想,成为今天建造太阳帆的基础。 1973年,美国航宇局(NASA)出资资助巴特尔实验室进行太阳帆航行的初步研究。近

浅谈太阳能发电技术 吴丽丽

浅谈太阳能发电技术吴丽丽 发表时间:2019-12-12T10:10:01.630Z 来源:《基层建设》2019年第25期作者:吴丽丽 [导读] 摘要:在能源资源中,煤炭、石油、天然气等非可再生能源,既能做原料,又能做燃料,资源相当紧缺。 山东电力工程咨询院有限公司 摘要:在能源资源中,煤炭、石油、天然气等非可再生能源,既能做原料,又能做燃料,资源相当紧缺。因此,如何优化资源配置,提高能源的有效利用率,对人类的生存繁衍、对国家的经济发展都具有十分重要的意义。 关键词:新能源;太阳能发电;技术 1新能源的种类 新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源,包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、氢能、二氧化碳能、洋流能和潮汐能等。而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能、核裂变能等能源,称为常规能源。常规能源在世界一次能源消费结构中约占总和的93%。 新能源要同时符合两个条件:一是蕴藏丰富不会枯竭;二是安全、干净,不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种,一是太阳能,二是燃料电池。 2太阳能发电概述 现在我们面临两个压力:一是化石能源短缺,二是环境污染与气候的变化,这都要求我们发展替代能源。 2.1太阳能光发电 光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成,其中太阳能电池是光伏发电系统的关键部分,约占总成本的50%。太阳能电池的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两类,前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两种,后者主要包括非晶体硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池和碲化镉太阳能电池。 2.2太阳能热发电 通过水或其他工质和装置将太阳辐射能转换为电能的发电方式,称为太阳能热发电。先将太阳能转化为热能,再将热能转化成电能,它有两种转化方式:一种是将太阳热能直接转化成电能,如半导体或金属材料的温差发电,真空器件中的热电子和热电离子发电,碱金属热电转换,以及磁流体发电等;另一种方式是将太阳热能通过热机(如汽轮机)带动发电机发电,与常规热力发电类似,只不过是其热能不是来自燃料,而是来自太阳能。太阳能热发电有多种类型,主要有以下五种:塔式系统、槽式系统、盘式系统、太阳池和太阳能塔热气流发电。前三种是聚光型太阳能热发电系统,后两种是非聚光型。在国际上,光热发电被看作重要的技术途径,并将之视为未来的主力能源。按欧洲能源中心的预测,在2050年,光热发电在能源构成中占20%~30%的比例,而到2100年,这一比例会达到60%~70%。 一般来说,太阳能光热发电形式有槽式、塔式、碟式(盘式)、菲涅尔式四种系统。 与光伏发电相比,光热发电能够将太阳的热量保存在工质中进行存储,在阴天和晚上释放出来,以实现连续发电,一年将有超过5000小时的满发运行时间,可以在电网中作为一个基础电源来承担调节作用,可以说光热发电的前景比光伏发电更好。 2.2.1槽式光热发电 槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统,是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列,加热工质,产生过热蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电。 要提高槽式太阳能热发电系统的效率与正常运行,涉及到两个方面的控制问题,一个是自动跟踪装置,要求槽式聚光器时刻对准太阳,以保证从源头上最大限度的吸收太阳能,据统计跟踪比非跟踪所获得的能量要高出37.7%。另外一个是要控制传热液体回路的温度与压力,满足汽轮机的要求实现系统的正常发电。 槽型抛物面镜集热器是一种线聚焦集热器,其聚光倍率比塔式系统低得多,吸收器的散热面积也较大,因而集热器所能达到的介质工作温度一般不超过400℃,属于中温系统。这种系统容量可大可小,不像塔式系统只能是大容量才有较好的经济效益;其集热器等装置都布置于地面上,安装和维护比较方便;特别是各种聚光集热器可以同步跟踪,使控制成本大为降低。主要缺点是能量集中过程依赖于管道和泵,致使输热管路比塔式系统复杂,输热损失和阻力损失也较大。 槽式太阳能热发电的优点是: 系统结构简单,技术成熟,商业化运营经验丰富,是当前光热发电的主流路线。目前世界上太阳能发电的80%是槽式太阳能光热发电系统。 2.2.2塔式光热发电 太阳能塔式发电应用的是塔式系统。塔式系统又称集中式系统。它是在很大面积的场地上装有许多台大型太阳能反射镜,通常称为定日镜,每台定日镜都配有跟踪机构,准确地将太阳光反射集中到一个高塔顶部的接受器上。接受器上的聚光倍率可超过1000倍,集热器所能达到的介质工作温度在500~600℃。在这里把吸收的太阳光能转化成热能,再将热能传给工质,经过蓄热环节,再输入热动力机,膨胀做工,带动发电机,最后以电能的形式输出。塔式光热发电系统主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统、发电子系统等部分组成。 目前,国内外采用的定日镜大多是镜表面具有微小弧度的平凹面镜。和其他两种不同的是,塔式系统可通过熔盐储热,具有聚光比高、工作温度高、热传递路程短、热损耗少、系统综合效率高等特点,可实现高精度、大容量、连续发电,适合大规模并网发电。塔式在大规模发电中最具有发展潜力,但是前期单位投资过大。 2.2.3碟式光热发电 碟式系统为点聚焦,于焦点处的太阳能接收器收集高温热能,加热工质,驱动发电机组,或在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置。这种系统具有寿命长、效率高(接收器内的传热工质能被加热到750℃左右)、灵活性强等特点,可以独立运行,非常适合作为边远地区的小型电源使用。 一般碟式太阳能热发电功率为10.25kW,聚光镜直径为5.10米。 碟式的热效率最高,结构紧凑、安装方便,非常适合分布式小规模能源系统,但斯特林热机关键技术难度大,目前仍处于试验示范阶段。

航天器的发展史

航天器的发展史 摘要美丽的星空、浩瀚的宇宙对于人们来说充满了无限的诱惑,激励人们不停地去探索与发现。从古代的嫦娥奔月到现在的嫦娥一号升天,都寄予着人们无限的希望。随着科学技术的发展,航天器的出现使得脱离大气层飞向外太空不再是一个梦想。同时,对宇宙的探索提高了人们对大自然的认识,对人类自我的认知程度。当然也必定会带动现在社会的经济与政治发展,使得我们的社会文化与经济文化向更加多元化的方向发展。 关键词宇宙;探索与发现;科学技术的发展;航天器;经济与政治 Spacecraft Development Abstract:The beauty of the sky, the vast universe filled with infinite enticement for people,inspiring people to keep exploring and discovering.From ancient chang e to the number of now ascended into heaven, which wholly people infinite hope. With the development of science and technology, the emergence of the spacecraft made from the atmosphere to fly to the outer space is not a dream.At the same time, the exploration of the universe improved people the understanding of nature and human cognitive degree of self.Of course it also will drive the economy and society development, making our social culture and economic culture more diversified development. Keywords: Universe; Exploration and discovery; The development of science and technology; The spacecraft; Economic and political 1 航天器的概要 航天器又称空间飞行器、太空飞行器。它是卫星、飞船、空间站、航天飞机和宇宙探测器的总称。航天器是按照天体力学的规律在太空运行,执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。相传最早的试图飞天的人是中国一名叫做“万户”的人,他做了两个大风筝绑在椅子两边,并且将不少的火药绑在凳子上,然后命令仆人点燃火药,但是随着巨响,他消失在烟雾中,人类最早

太阳帆自旋展开动力学地面模拟试验研究

第28卷第2期2015年4月 振一动一工一程一学一报 Journal of Vibration En g ineerin g Vol.28No.2 A p r.2015 太阳帆自旋展开动力学地面模拟试验研究 周晓俊,周春燕,张新兴,胡海岩 (北京理工大学宇航学院飞行器动力学与控制教育部重点实验室,北京100081) 摘要:太阳帆自旋展开是一项新的空间技术三它利用自旋离心力展开折叠的太阳帆薄膜,并使其保持展开后的位形,从而可省略额外支撑结构,有效减少结构重量,降低展开能耗三在这项技术进行在轨试验和用于航天任务之前,必须对其进行充分的动力学地面模拟试验三介绍了如何设计和研制太阳帆自旋展开与控制系统,制作了不同的太阳帆模型,分别在常规气压下和真空舱中进行太阳帆自旋展开动力学地面模拟试验三通过多组试验,得到了可完整二稳定展开太阳帆模型的方法三试验时在真空舱底部和侧面布置两台高速相机,拍摄各个时段的展开过程三经过图像处理和分析,得到了第一展开阶段帆面展开长度随时间的变化关系和第二展开阶段的帆面动态响应三通过建立简化的动力学模型并进行分析,解释了第二展开阶段帆面产生较大面内外振动的原因三 关键词:航天器;地面模拟试验;太阳帆;展开;自旋 中图分类号:V416.6一一文献标志码:A一一文章编号:1004-4523(2015)02-0175-08 DOI:10.16385/https://www.360docs.net/doc/5c9495323.html,ki.issn.1004-4523.2015.02.001 引一言 进入21世纪以来,人类的深空探测活动范围不断扩大,类型趋向多样化,对新型推进技术的需求也日益增加三太阳帆飞行器利用太阳光的光压实现推进,无需携带附加燃料,可使经济便捷的深空探测梦想成为可能[1~3]三因此世界各国航天机构,包括俄罗斯巴巴金空间研究中心二俄罗斯空间研究所二美国国家航空航天局(NASA)二欧洲航天局(ESA)二德国航空航天所(DLA)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)等都开展了太阳帆研究三1993年,俄罗斯在经过长期理论研究以及地面模拟试验之后,成功研制出直径为20m的Znan y a-2号空间反射镜[4],但接下来进行的直径为25m的Znan y a-2.5号展开试验却失败了三欧洲空间局和德国宇航研究院合作,于1999年研制出20m?20m的太阳帆模型,并成功进行了地面展开模拟试验[5]三2001年,美国行星协会发射了 宇宙1号 航天器[6]三这是在世界上首次使用太阳帆推进技术的航天飞行器,此后美国又有若干这方面的计划,但要么失败了,要么尚未实施[7]三令人可喜的是,2010年日本JAXA成功发射了伊卡洛斯号(IKAROS)太阳帆航天器[8],验证了太阳帆推进技术三 中国在太阳帆航天器研究方面起步较晚,但近年来日益重视三中国航天科技集团二北京航空航天大学二哈尔滨工业大学二清华大学二中国科学院空间科学与应用研究中心等单位就太阳帆航天器的轨道控制,姿态控制问题等进行了若干理论和计算研究[9~13]三 太阳帆推进技术的关键之一是如何在太空中展开大型太阳帆并保持其展开后的形面三为了降低结构重量,人们提出了自旋展开技术,依靠太阳帆角点上的集中质量产生离心力,实现帆面展开和形面保持三太阳帆自旋展开技术在结构动力学与控制方面具有以下难点:太阳帆薄膜在自旋展开中会产生位于自旋平面内二外的振动,若控制不恰当,很容易使薄膜发生危险的面外运动,导致展开过程彻底失败三作者所在实验室建立了太阳帆薄膜结构的多柔体动力学模型,计算了自旋展开动力学问题[14,15]三本文则介绍如何依据自旋展开原理,设计缩比的太阳帆模型二自旋展开装置等,并通过地面模拟试验对太阳帆自旋展开过程的动力学特性进行研究,试图为理论建模和数值模拟提供试验验证,进而为中国太阳 收稿日期:2013-12-18;修订日期:2014-06-27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075032,11290150)

太阳能光热发电技术研究综述

太阳能光热发电技术研究综述 摘要:太阳能是一种清洁的可再生能源,充分利用太阳能进行发电发热是我国 能源企业正在研究和使用的有效方式,这种方式有助于提高太阳能的利用率,有 助于减少不必要的自然环境污染和破坏,有助于新能源的开拓,是我国逐步实现 节能减排的有效体现,也符合我国低碳经济的发展要求,欧美一些发达国家已经 开始关注具有更高能源利用率的太阳能光热发电技术,并相继建立了不同型式的 示范装置。本文首先对太阳能光热发电系统进行了介绍,分析了国内外太阳能发 电的现状,指出了太阳能发电的技术发展趋势和研究方向。 关键词:太阳能;光热发电;发电技术 引言 目前,我国由于工业规模扩大和粗放经营导致了严重环境污染和破坏,因此 开发清洁能源是有效解决这一问题的重要途径,目前,世界各国纷纷将目光投向 太阳能的开发和应用,这也是全球经济的低碳化发展方向。太阳能作为一种清洁 的可再生能源,是未来的理想能源之一,是人类最可靠、最安全、最绿色、最持 久的替代能源。目前太阳能光伏发电被炒得如火如荼,而太阳能光热发电技术却 少为人知,在太阳能光伏发电遭遇瓶颈的今天,太阳能光热发电逐渐被人们重视 起来。 一、太阳能光热发电系统简介 1、太阳能发电系统的分类 目前,太阳能发电技术分为两种,一种是太阳能光伏发电,一种就是本文提 到的太阳能光热发电。太阳能光热发电技术又分为槽式太阳能光热发电、塔式太 阳能光热发电、碟式太阳能光热发电。目前槽式和塔式太阳能光热发电技术已经 投入使用,但是碟式发电系统还处于实验和示范状态。 2、槽式太阳能光热发电系统简介 这种太阳能光热发电系统主要是利用槽式抛物面聚光器聚光的太阳能产生的 热量进行发电,是一种分散型系统。这一系统的机构由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置和辅助能源装置构成。槽式抛物面将太阳光线聚集在一条线上,并 在这条线上的重要位置安装集热器,进而吸收太阳的能量,之后将众多的槽式聚 光器串联或并联形成集热器的排列结构。 一般太阳能发电系统采用的是双回路的设计,集热油的回路与动力蒸汽的回 路是分开的,通过换热器交换热量,使用导热油作为热,低温的导热油从油罐泵 进入槽式太阳能集热场,被加热到391℃,之后经过再热器、过热器、蒸发器、 预热器四个装置,将收集的能量交换给动力回路中的蒸汽,进而产生热量极高的 蒸汽,进入汽轮机中做功,然后产生电能。 如果太阳能供应不足,这时就可以利用辅助加热器,如锅炉进行加热,提高 导热油的热量,进而实现该系统的正常运行,保证该系统连续作业,持续的产生 电能。因为槽式聚光器的集热温度不高,使得槽式太阳能光热发电系统中动力系 统的热能转化为功的效率不高,一般不到40%,因此,残春依靠抛物槽式太阳能 光热发电成本较高。 3、塔式太阳能光热发电系统 塔式太阳能光热发电系统是一种集中式发电系统,主要利用定日镜将太阳光 聚焦在中心的吸热器上,太阳的辐射能量会转变为热能,之后传递给热力循环工质,驱动汽轮做功进而实现发电。这一太阳能发电系统可以分为熔盐系统、空气

太阳能热发电技术综述

太阳能热发电技术综述 1:技术和原理 有三种方式,都是用反射镜聚焦阳光加热水产生蒸汽、通过汽轮机带动发电机发电,区别在于蒸汽产生方式上。 1.1:抛物槽型热发电系统 聚光集热系统(由抛物槽式聚光镜+接收器+跟踪装置组成)+换热系统(由予热器+蒸汽发生器+过热器和再热器组成)+发电系统(同常规发电设备)+蓄热系统(显式、潜式、化学储热三种)+辅助能源系统(夜间和阴天用辅助发电设备)。一般建大于350MW电厂 1.2:塔式热发电 平面镜反射阳光到中心接收塔顶收集器,大量能量在高温下熔化一种盐、并将热盐储存罐中、当要发电时打开产生蒸汽驱动透平发电机。产生蒸汽后低温盐回到冷盐储存罐中并用泵打到塔顶再次加热以为下一热循环用(Ⅱ型)。一般建几千MW电厂。 特点:聚光倍数高易达到高温、反射光线一次完成简单高效、光热转换效率高、成本低 1.3:蝶型热发电 蝶型抛物镜/斯特林系统适用边远地区独立电站,光学效率高、启动损失小。用于小型独立电站。2:比较

电站初期投资1.42亿元,其中定日镜52%、发电设备18%、蓄热装置10%、接收器5%、塔3%、管道及换热器8%、其它4%。可以看出定日镜价格贵,但隋制镜技术提高成本大幅下降,预计到2020年发电成本会达到30-60美元/Mwh(即3-6美分/度)。在大规模发电方面,塔式太阳能热发电将是所有太阳能发电中成本最低的一种方式。 太阳能热发电投资成本为煤电的8倍左右,但因其不需燃料则用电成本比煤电低20-40倍,隋技术发展太阳能热发电成本进一步下降,有环保意识的用户更倾向于绿色能源,而煤电将隋通货膨胀而上升 3条件 3.1:土地:建一个200MW(20万KW)太阳能热发电厂需占地3000英亩,但太阳能热发电与光伏和风力发电比较不宜模块化,估计要在100-300MW以上时才比较经济 3.2:光照:太阳光全照射功率大于1kw/m2,每年大于2000kwh/m2才是经济的 3.3:投资:一个中等的100MW发电厂投资成本3-5美元/W,发电成本10-15美分/度 4:国内外发展情况 4.1:国外 至2004年全世界已装太阳能发电系统总收集阳光面积9500万平方米,以光照1kw/m、照射时间50%、平均转化率20%,则差不多可获电能10GW,但大部分是在低温下使用(如水加热等),高温使用(如热电厂等)只有500Mw,不过正地快速增长。 07-08二年中,世界上太阳能热发电的在建装机容量是07年之前20年中的8倍,太阳能热发电技术已进入快速发展期。 太阳能热发电在可再生能源发电技术中具有成本低、节能减排作用显著、无污染等特点而具有明显的市埸前景。 09年6月29日,国际能源署SolarPACES组织、欧洲太阳能热发电协会(ESTELA)和绿色和平组织联合公布了三方共同撰写的《聚光型太阳能热发电展望2009》。报告预测到2030年聚光型太阳能热发电(简称CSP)将能满足全球7%的电力需求,到2050年可提高到25%。报告认为槽式CSP已经是可靠且得到示范证明的技术,在建和运行的发电站装机容量已接近2000 MW,主要位于西班牙和美国。 CSP发电站具有调度能力,并且可以通过结合新的储能技术和其他可再生能源或传统能源的混合运行概念予以加强。这一特点可解决可再生能源存在的一个最重要的缺点:变化大、不可预测且不可调度。 未来十年里CSP在世界一些日照最强的地区有望得到发展。到2014年在建和拟建CSP发电站容量可达到15 000 MW。然而,CSP仍有一些缺陷尚待解决:首先是成本,需要从系统到部件的创新以及制造技术的改进。效率上也仍有很大的提高空间(更高的工作温度,更好的集热器性能等)。发电站的最佳规模应比现有的要大(目前受制于监管和金融因素),与此相关的储能能力还需要从容量、温度和成本等方面加以提高。最后,还需要从建造和降低运营维护成本中产生学习效应。 美国、以色列、澳大利亚、德国等是太阳能利用的技术强国,在阿尔及利亚、澳大利亚、埃及、希腊、印度、以色列、意大利、墨西哥、摩洛哥、西班牙、美国等已建有13个太阳能热电厂。德国将在西班牙建二个50MW并网的太阳能热电,投资4亿美元(8美元/W),用非跟踪式抛物型聚能器。

浅谈太阳能热发电技术

浅谈太阳能热发电技术 发表时间:2017-08-04T11:13:47.110Z 来源:《电力设备》2017年第11期作者:吴越李敏[导读] 摘要:太阳能发电方式主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电两种,光伏发电因太阳能电池成本不断下降和成熟的技术,在国内得到大规模应用,而太阳能热发电技术虽然在我国应用较少,但因其固有优势已经得到国家重视,一些新兴的太阳能热发电企业也已进入市场,具有较大的发展潜力。 (国网宁波供电公司中国宁波 315000;国网宁波市鄞州区供电公司中国宁波 315100)摘要:太阳能发电方式主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电两种,光伏发电因太阳能电池成本不断下降和成熟的技术,在国内得到大规模应用,而太阳能热发电技术虽然在我国应用较少,但因其固有优势已经得到国家重视,一些新兴的太阳能热发电企业也已进入市场,具有较大的发展潜力。 关键词:太阳能;储能;新技术;热发电 1 引子 目前,太阳能发电方式主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电两种,光伏发电因太阳能电池成本不断下降和成熟的技术,在国内得到大规模应用,而太阳能热发电技术虽然在我国应用较少,但因其固有优势已经得到国家重视,一些新兴的太阳能热发电企业也已进入市场,具有较大的发展潜力。 2 新技术介绍 2.1 热发电技术介绍 2.1.1 太阳能热发电技术简介 太阳能热发电技术是利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能,通过换热装置提供蒸汽,结合传统汽轮发电机的工艺,从而达到发电的目的。一般来说,太阳能热发电形式有槽式,塔式,碟式三种系统。 槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统,是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列,加热工质,产生高温蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电。随着在太阳能热发电领域的太阳光方位传感器、自动跟踪系统、槽式抛物面反射镜和槽式太阳能接收器等方面技术的发展,槽式太阳能热发电系统已经进入商业化和产业化阶段。 太阳能塔式发电系统又称集中式系统。它是在很大面积的场地上装有许多台大型太阳能反射镜,通常称为定日镜,每台都各自配有跟踪机构准确的将太阳光反射集中到一个高塔顶部的接受器上。接受器上的聚光倍率可超过1000倍。在这里把吸收的太阳光能转化成热能,再将热能传给工质,经过蓄热环节,再输入热动力机,膨胀做工,带动发电机,最后以电能的形式输出。主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统、发电子系统等部分组成。 太阳能碟式发电也称盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面聚光集热器,其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器,其聚光比可以高达数百到数千倍,因而可产生非常高的温度。 2.1.2 太阳能热发电技术的优势 太阳能热发电技术效率较光伏发电高。目前光热转化效率为80%,热电转化效率是30%,二者相乘得出光伏热发电的转化效率为24%,而硅光电池的转化效率为22%,相比较光伏热发电转化效率具有优势。 太阳能热发电直接产生工频的三相交流电,比光负荷风电相比,更适合跟电网的配合。太阳能热发电利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势,即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中,在没有太阳的情况也也能在几小时内带动汽轮发电,连续稳定发电和调峰发电的能力较强。 太阳能热发电技术避免了昂贵的硅晶光电转换工艺,可以大大降低太阳能发电的成本,而且整个生产环节产业链没有污染很大、耗能很高的环节,有效避免了制造光伏电池过程中的高耗能和高污染。 太阳能热发电具有高温特性,高温光热不仅可以发电,还能用于高热化工、热电联供等领域,实现太阳能热能的高效综合利用。如在煤制油高热化工领域,目前技术情况下四吨煤可以制一吨油,用光热来做是两吨半煤就可以制一吨油,耗损低、能耗少、污染少。 2.1.3 太阳能热发电技术的应用状况 太阳能光热发电在国际上已成为可再生能源的发展热点。早在上世纪八十年代,国外就已建造了装机容量500千瓦以上的各种不同形式的太阳能光热发电站20余座,其中美国加州的碟式太阳能光热发电一号及二号装机容量分别达到了850兆瓦和750兆瓦,太阳能光热发电已经开始商业化运作。 在国内,随着国家对可再生能源的日益重视,光热发电产业的发展十分迅猛。 “十五”期间,中国科学院电工研究所、工程热物理所等科研机构和一些太阳能企业,已开始了光热发电技术的项目研究。目前,我国科学家已经对碟式发电系统、塔式发电系统以及槽式聚光单元进行了研究,掌握了一批太阳能光热发电的核心技术,如高反射率高精度反射镜、高精密度双轴跟踪控制系统、高热流密度下的传热、太阳能热电转换等,现在正着手开展完全拥有自主知识产权的100kW槽式太阳能热发电试验装置。 我国内蒙古西部、青海中部、西藏西南部是太阳直接辐射资源最丰富的地区,年辐照量都在1800kWh/m2以上,最适合太阳能热发电;西部北部其他地区的直射资源较丰富,年辐照量在1400-1800kWh/m2之间,也比较适合太阳能热发电。以上两类地区占我国国土面积一半以上,所以我国太阳能热发电潜力巨大。 2.2 储能技术简介 太阳能热发电技术必须配以大规模储能技术才能实现对传统能源的替代。下面我就储能相关技术做下简单的介绍。 2.2.1 储能技术简介 电网就好比运送电力的物流企业,唯一的区别就是:这个物流没有仓储。电力系统是被誉为目前人造的最为复杂的系统,可遗憾的是在这个系统中居然没有仓储,这也直接导致了这个系统中“产品”从生产到消费“瞬时完成、实时平衡”的特点已然成为天经地义的真理,对现阶段电力系统特征产生了深远的影响。随着电网负荷峰谷差的日益拉大、间歇式可再生能源的快速发展,“瞬时完成、实时平衡”对电网提出了日益严峻的挑战。 2.2.2 大规模储能技术的应用

太阳能热利用论文:太阳能热利用技术概述

太阳能热利用论文:太阳能热利用技术概述【摘要】太阳能是一种洁净和可再生的能源,太阳能热利用技术发展迅速。本文对太阳能利用成熟技术、先进技术和当前研究的热点技术进行了简要介绍。在发电过程中使用矿物燃料,从而减轻空气污染及全球暖化的问题,环境保护的发展趋势。成熟技术部分主要包括集热器、热水系统、太阳灶、太阳能暖房等传统的太阳能热利用技术;先进技术部分主要阐述了尚处于研究试验阶段的高品位太阳能热利 用技术,包括太阳能空调降温/制冷、太阳能制氢、太阳能热发电等;在当前研究的热点问题部分,主要论述太阳能建筑热利用的技术问题。 【关键词】太阳能热利用;太阳能建筑;太阳能热发电;太阳能集热器 1.引言 太阳能的利用已日益广泛,它包括太阳能的光热利用,太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能热利用是一种较成熟的可再生能源利用方式。太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。现代的太阳能热技术将阳光聚合,并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外,

建筑物亦可利用太阳的光和热能。太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍,太阳能既是一次能源,又是可再生能源。它资源丰富,既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态,使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。但是太阳能有两个主要缺点:一是能流密度低;二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。太阳能热利用研究和开发方兴未艾,随着常规能源供给的有限性及地球环保压力的增加,世界上许多国家掀起开发利用太阳能的热潮,开发利用太阳能成为各国可持续发展战略的重要内容,太阳能先进技术已成为世界当前及未来研究、开发和利用的主要方向。 2.太阳能热利用技术 太阳能热利用的基本原理是用集热器将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的集热器,主要有平板型集热器、真空管集热器、热管式集热器和聚焦型集热器等4种。通常太阳能热利用可分为:低温(80℃以下)、中温(80-350℃)和高温(350℃以上)三类热利用方式。低温热利用包括最简单的地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳热水器。中温热利用有太阳能建筑、空调制冷、制盐以及其它工业用。热高温热

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