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未来的太空和月球应该以蒸汽发电机为主要供电源

已有 1451 次阅读 2023-7-16 13:33 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记

未来的太空和月球应该以蒸汽发电机为主要供电源

 

中国最近公布了登陆月球计划,让我们非常自豪,那么我们2030年以前登陆月球以后如何长期驻守?如何修建人类营地,如何开展生产,如何搞科学研究,这些问题似乎已经是近在咫尺的事情了?其中首要的一个问题就是如何增加电力,提供能源补给。

虽然现在的太阳能技术非常发达,太阳能发电能力很强,但是太阳能转化为电能的转化比例依然比较小,大约在18%_24%之间,因此太空中的太阳能面板面积巨大,产出的电能有限。资料显示国际空间站的国际空间站共有8个太阳能电池组件,每个组件的面积约为112平方米,总面积约为896平方米,可以产生八十到一百二十千瓦的电力,每天产生19002800度电力。我国的神州空间站每天也产生大约2000度电。这点电量如果维持空间站的日常运营估计是充足的,但是如果要稿生产就不行了。在月球上,如果利用太阳能修建一个永久居住地,搞月球建设,搞月球运输,甚至在月球发展制造业、冶金业,肯定是不能满足需求的。

那么未来的空间站和月球应该应用哪一类发电站呢?搞水力发电,太空和月球的水很少,搞热力发电,太空和月球没有燃料和空气。但是太空和月球表面有很强的太阳辐射,能够在物质表面产生极高的温度,航天器在太空真空中飞行,由于没有空气传热和散热,受阳光直接照射的一面,可产生高达100℃以上的高温。而背阴的一面,温度则可低至 -100~ -200℃。白天最热时,月表温度可达127℃;夜间最冷时,温度则可降到负的183℃。可以看出,无论空间站表面,还是月球表面,它们的温度都可以超过100摄氏度,而这个温度恰恰是水的沸点温度,水可以变成水蒸气,水蒸气推动发电机产生电力。因此说,古老的蒸汽发电机非常适合于太空发电和月球上发电。

改造古老的蒸汽发电机,使之适用与太空环境,发明出太空蒸汽发电机。它的发电效率会比目前的太阳能光伏板发电机的效率提高10——100倍。我们知道,在地球大气层之上,太阳辐射的强度约为每平方米1380(W/m2),这个值被称为太阳常数。在我们纬度,在夏季太阳正午晴朗的日子里,地表的数值约为1000 W/m2。按照太阳常数,修建100千瓦的电站只需要100平方米的太阳能板即可,而实际上国际空间站的同功率的太阳能板的面积是896平方米,就是说,太阳能板把光能转换为电能的能力只有太阳能的11%左右,90%的太阳能被浪费掉了。所以太空中利用太阳能光伏板提供电力有两个很大的缺点,一个是占用面积很大,展开和维护很困难,另一个是发电效率较低,不能满足更大的需求,例如在太空自己制造燃料的需求无法满足。但是,在太空建造太空蒸汽发电机也不是容易的事情。

首先一个问题是,太空中大辐射能源到底有多少?月亮上的辐射能源到底有多少?研究小组发现,在月球上的辐射量为每天1369微希弗特,约为国际空间站工作人员每日剂量的2.6倍,是地球表面辐射强度的200倍。白天最热时,月表温度可达127℃,空间站面对太阳的一面温度可以超过100度。按照这个强度,每天每平方米可以最多提供电力33度,在月亮上修建兆瓦级别的太阳能发电站也不能问题,只是月亮上陨石多,最好使用蒸汽发电机。所以,太空中辐射强度很大,可以满足未来太空工业的发展需求。

那么在太空中如何修建蒸汽发电机呢?我对发电一知半解,但是发电的基本原理就是:水遇见热量沸腾,产生水蒸气,水蒸气的密度是水的白万分之一,水的体积膨胀一百万倍,蒸汽推动永磁发电机的转子飞速旋转,产生电磁效应,从而产生出电力。首先,在太空修建蒸汽发电机,其占用的空间不可能太大,水的量估计在5——10立方米就可,这些水膨胀以后也能够产生500万—1000万立方水蒸气,压力足够大,体积足够大。第二点,就是整个蒸汽发电机必须是一个完全封闭系统,不可能和地球上一样修建烟囱,排放压力和废气。也就是说这个发电系统更像是地球上的电冰箱和空调系统。所以,蒸发器,冷凝器,膨胀阀,发电机都必须是密封的,一体化的。当然,人类对于空调的研究已经历史悠久,技术成熟,我想把火力发电技术和空调技术结合起来,发明太空蒸汽发电技术设备也不是难事。

具体的设计大概是这样:在地球上建造空间站的时候把永磁发电机安装在空间站的一边,预埋蒸发器需要的传热管道,管道分布在空间站保护层的切近里面,利用空间站保护层的金属导热性好传热系数高的特点,把热量从空间站保护层传递到发电站传热管道,形成温度超过100摄氏度的高压过热水体,高压过热水体存放在整个可以利用的空间站的外表面以内,面积较大,分布交广,通过泵站把这些过热水输送到蒸发器中,蒸发器的体积应该在%——10立方左右,过热水体在蒸发器中变为高温水蒸气,体积膨胀,然后带动永磁发电机发电,发电完成的水蒸气一部分依然是高温,让这些水蒸气通过发电机的储水箱,把热量供给液体水,然后变为低温水蒸气,把空间站北面的低温区做成液化水的冷凝器区域,让冷凝器中的低温把水蒸气完全液化,再次循环输入向阳面的传热管道中,实现发电设施中水的循环。

在以上设计中有几个问题需要解决:一个是,我们把热量收集器设计在空间站保护层的内层,那么空间站保护层是不是导热性好传热系数高的材料?也许以往空间站保护层恰恰是热的不良导体,导热系数很小,那现在就需要改进,如何改进,是整个外体都设计成金属良导体,还是做成镶嵌式导体,只是在保温层中间嵌入热的导体。或者是把外壳做成金属导体式,在金属外壳下面做热量收集器管道,再在热量收集器管道做保温层?如果这样做,就加厚了空间站的保护壁,成本高了一些,但是安全性更高,而发电机的安排也更加合理。第二个问题是空间站的向阳面温度超过100度,而空间站的背阴面温度在零下一百度,一面要气化水,一面要固化水,水结冰体积要膨胀10%,造成管道破裂,而且空间站的向阳面和背阴面是不断变化的,是随着飞行路程中角度的变化而变化的,没有固定的向阳面和背阴面。这就要求,也许热量收集管道和冷凝管道应该同时分布在空间站外层的下面,冷凝管在热量管的内层。当然,如果利用背阴面低温制造冷空气在空间站内部液化水蒸气就不需要布设冷凝管网。总而言之,空间发电站必须考虑向阳面和背阴面问题,以便于蒸发器和冷凝器的安装。第三个问题,如果向阳面产生的热量不足以达到100度,热水温度已经达到了80度以上,但是它进入蒸发器之后气化缓慢,甚至不蒸发怎么办?这种情况下距离蒸发温度已经不远,不需要很多能量就能够沸腾,这时候可以使用电加热器在沸腾箱中帮助沸腾,这时候的消耗的能量还是远远小于产生的能量的。因此在太空中,可以把太阳能发电站和蒸汽发电站结合使用,两个发电装置互补。

目前来看,把蒸汽发电机集成在空间站中是最好的方式。但是也许未来可以把太空蒸汽发电机做成一个独立的单元体,安装在空间站的外部,一方面用于发电,另外一方面给空间站制造一个辐射遮挡层,用于防止空间站被强辐射和高温摧毁,为空间站营造良好的防护措施,防护功能和发电功能结合起来。

总而言之,利用太阳强辐射产生的高温在太空空间站实现蒸汽发电完全是有条件上的可能性的,而且其发电效率应该远远高于光伏板发电效率。

 

 




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