同位素熱光伏電源真空熱性能試驗研究

蘇 生,邵劍雄,邱家穩,陳 陽,馬巨印,田 岱,馬 彬,韓承志

(1.北京空間飛行器總體設計部,北京 100094;2.空間熱控技術北京市重點實驗室,北京 100094;3.蘭州大學 核科學與技術學院,甘肅 蘭州 730000;4.中國空間技術研究院,北京 100094)

同位素熱光伏電源(RTPV)是我國重點發展的空間核電源形式之一[1-2]。美國NASA格倫研究中心持續開展同位素熱光伏電源研究,其工程樣機的系統發電效率可達18%[3],而目前在軌服役的同位素電源(RTG)發電效率僅為6.3%[4]。同位素熱光伏電源以效率高、可靠性高的特點,成為適用于數百瓦級電源需求深空探測任務的極佳電源發展路線。近年來,同位素熱光伏電源逐漸成為國內外研究的熱點[5-7]。

同位素熱光伏電源主要由同位素熱源、輻射發射器、光伏電池、濾光器、外殼等組成,光伏電池布置于外殼內壁面上,外殼內部無光伏電池的區域均進行隔熱處理,使同位素熱源的熱能得到充分利用[8]。在設計工況下,為將同位素熱源維持在1 000～1 200 ℃的目標高溫狀態,需要采用高溫多層隔熱組件(MLI)進行輻射隔熱。高溫多層隔熱組件選用耐高溫、低發射率的金屬箔作為反射屏,選用耐高溫、低導熱系數的耐高溫材料作為間隔層[9-10],廣泛用于航天器發動機熱防護和大氣再入高速飛行器氣動熱防護,也用于某些地面高溫加熱爐的隔熱保溫[11-17],輻射隔熱效果非常好。

本文設計分別采用突刺、金屬絲網和氣凝膠作為間隔層的3種不封邊新型高溫多層隔熱組件,在真空條件下測試其在同位素熱光伏電源樣機中的高溫隔熱性能,分析實現良好隔熱效果的關鍵影響因素,以獲得一種可滿足同位素熱光伏電源長期高溫隔熱需求的高溫多層隔熱組件形式。

1 試驗系統

1.1 同位素熱光伏電源試驗樣機構型

本文研究的同位素熱光伏電源構型如圖1所示:1) 采用電加熱熱源模擬同位素熱源,熱源通過陶瓷釘支撐在電源中心,熱源采用99 mm×95 mm×55 mm的六面體結構,外部包覆輻射發射器,用于在發射端進行輻射光譜調節;2) 在周向、距離熱源34 mm處布置4塊濾光器,用于在吸收端進行光譜選擇性透過;3) 在距離濾光器14 mm處布置4塊光伏電池,光伏電池直接安裝在外殼上;4) 在高度方向上下端面內部安裝高溫多層隔熱組件,隔熱組件周向與外殼之間設置1 mm間隙;5) 外殼周圍安裝散熱器,用于控制光伏電池溫度,并排出廢熱。

圖1 同位素熱光伏電源幾何構型

1.2 高溫多層隔熱組件試驗件

1) 高溫多層隔熱組件設計

高溫多層隔熱組件由N個單元疊加而成,每個單元由1層反射屏和1層間隔層組成。在間隔層將反射屏充分隔開,相鄰反射屏互不接觸時,在真空條件下,通過多層隔熱組件的傳熱是輻射換熱Qrad和固體導熱Qcond的組合[9-11,18-20]。

(1)

(2)

式中:n為間隔層的折射系數;σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數;Ar和Ac分別為垂直于熱流方向的反射屏面積和間隔層面積;T1為熱面溫度;T2為冷面溫度;N為多層單元數量;ε為反射屏表面發射率;α為間隔層吸收系數;s為間隔層散射系數;δ為間隔層厚度;λD為間隔層當量導熱系數。

從式(1)可知,反射屏表面發射率越低、單元數量越多時,通過多層隔熱組件的輻射換熱量越低。從式(2)可知,間隔層當量導熱系數越小、垂直于熱流方向的面積越小、厚度越大時,通過多層隔熱組件的固體導熱量越低。

基于上述分析,本試驗選擇拋光的不銹鋼箔、不銹鋼板和鉬板作為反射屏,其在室溫條件下實測的發射率為0.1。從控制間隔層材料的導熱系數、接觸面積出發,選用不同形式的間隔層,制作了突刺間隔層、不銹鋼絲網間隔層、氣凝膠間隔層等3種形式的高溫多層隔熱組件。3種間隔層的隔熱思路如下。1) 突刺間隔層高溫多層隔熱組件:在反射屏上穿若干小孔,利用小孔處翻邊出來的突刺作為間隔層,使相鄰反射屏之間處于點接觸狀態;2) 不銹鋼絲網間隔層高溫多層隔熱組件:在反射屏表面點焊不銹鋼絲網作為間隔層,使相鄰反射屏之間處于線接觸狀態;3) 氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件:采用較厚的鉬板和不銹鋼板作為反射屏,在相鄰反射屏之間的4個角上安裝細長條狀氣凝膠作為間隔層,使相鄰反射屏之間僅在4個角上處于面接觸狀態。

由于同位素熱光伏電源尺寸小,為減少高溫多層隔熱組件邊緣漏熱,高溫多層隔熱組件采用不封邊形式。

2) 突刺間隔層高溫多層隔熱組件制備

該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內層反射屏采用0.1 mm厚的拋光不銹鋼箔。在內層不銹鋼箔上穿若干直徑為1.5 mm的小孔,小孔間距為15 mm,利用小孔處翻邊出來的突刺作為間隔層,使相鄰不銹鋼箔之間處于點接觸狀態。高溫多層隔熱組件單元數量為50。

使用不銹鋼絲使高溫多層成形并固定在同位素熱光伏電源樣機上、下端蓋內側,如圖2所示。該多層隔熱組件內部單元為柔性狀態。

圖2 突刺間隔層高溫多層隔熱組件組裝狀態

3) 不銹鋼絲網間隔層高溫多層隔熱組件制備

該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內層反射屏采用0.1 mm厚的拋光不銹鋼箔。在不銹鋼箔反射屏表面點焊25目的不銹鋼絲網,作為間隔層。不銹鋼箔無突刺。高溫多層隔熱組件單元數量為50。

完成不銹鋼絲網與不銹鋼箔點焊后的單元狀態如圖3所示。使用不銹鋼絲使高溫多層成形并固定在樣機上、下端蓋內側,組裝狀態如圖4所示。該多層隔熱組件內部單元為柔性狀態。

圖3 不銹鋼絲網間隔層高溫多層部件

圖4 不銹鋼絲網間隔層高溫多層組件實物

4) 氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件制備

該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內層反射屏由0.5 mm厚的拋光鉬板和1 mm厚的拋光不銹鋼板組成,靠近熱側的3層為拋光鉬板,其他14層為拋光不銹鋼板。在內層反射屏邊緣開設隔熱槽,以減少反射屏向邊緣的橫向導熱漏熱。采用50 mm長、10 mm寬、2 mm厚的長條狀氣凝膠作為間隔層。氣凝膠安裝在相鄰反射屏之間的4個角上。高溫多層隔熱組件單元數量為18。

使用不銹鋼絲對高溫多層成形并固定在樣機上、下端蓋內側,組裝狀態如圖5所示。該多層隔熱組件整體為剛性狀態。

圖5 氣凝膠間隔層高溫多層組裝狀態

1.3 真空熱性能測試試驗臺

試驗臺由真空系統、水冷系統、熱源供電系統、數據采集系統組成,如圖6所示。同位素熱光伏電源試驗件通過5 mm厚聚酰亞胺隔熱墊隔熱安裝在真空罐內。

真空系統主體包括真空罐(直徑0.6 m、高0.8 m)和真空泵。真空系統可實現優于1×10-3Pa的罐內真空度。真空罐底部提供9路測溫通道、1路電加熱通道和1路電池晶元電性能通道。測溫通道用于將樣機溫度傳感器連接至罐外的溫度測量系統。電加熱通道用于從罐外向樣機內部的熱源供電,實現熱量模擬。電池晶元電性能通道用于向罐外輸出電池晶元發電信號。

水冷系統由水冷機、管路和水冷板組成。4塊水冷板導熱安裝在同位素熱光伏電源樣機的4個側面。水冷機采用乙二醇水溶液作為工質,可提供-5 ℃至室溫的水冷循環,用于樣機側面廢熱排散,試驗時將進入真空罐的進口工質溫度控制在(0±1) ℃。

熱源供電系統采用交流變壓器,直接將市電進行變壓后向樣機熱源供電,可實現0～500 V交流電輸出,具有電壓指示裝置。

數據采集系統用于采集熱源供電電流信號、熱電偶溫度信號。溫度測量采用1個鉑銠鉑熱電偶(熱源內部)和8個T型銅-康銅熱電偶,均經過標定,測溫精度優于1 ℃。

2 試驗方法

試驗按如下步驟進行:1) 同位素熱光伏電源樣機部件在真空條件下除氣;2) 組裝同位素熱光伏電源樣機,并置于真空罐內;3) 連接測試系統電纜以及水冷系統管路;4) 關真空罐,在真空罐內對樣機進行多次抽真空及惰性氣體置換;5) 真空罐抽真空至1×10-3Pa,之后水冷機啟動循環,樣機熱源加電、逐步升高輸入電功率,開展熱性能測試;6) 完成測試工況后,樣機熱源斷電。待熱源回溫至50 ℃以下后開罐,試驗結束。

3 試驗結果及分析

各試驗工況中,真空罐內的真空度在8.6×10-5～1×10-3Pa之間,真空系統、水冷系統、熱源供電系統、數據采集系統均工作正常,得到的試驗數據有效。

3.1 試驗結果

試驗1:基于突刺間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率達到260 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩定時,熱源溫度為854 ℃,上端蓋溫度為63.2 ℃,下端蓋溫度為29 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關鍵部件溫度數據曲線示于圖7a。

圖7 試驗過程溫度與輸入電功率曲線

試驗2:基于不銹鋼絲網間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率達到250 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩定時,熱源溫度為875 ℃,上端蓋溫度為47.5 ℃,下端蓋溫度為33.6 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關鍵部件溫度數據曲線示于圖7b。

試驗3:基于氣凝膠間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率為250 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩定時,熱源溫度為1 038 ℃,上端蓋溫度為72.9 ℃,下端蓋溫度為68.5 ℃。進一步加大輸入電功率至293 W,熱源溫度趨于穩定時,熱源溫度為1 099 ℃,上端蓋溫度為79.4 ℃,下端蓋溫度為74.7 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關鍵部件溫度數據曲線示于圖7c。

3.2 試驗結果分析

1) 間隔層的裝配間隔效果

突刺間隔層的裝配間隔效果可控性較差。試驗1中,經高溫多層隔熱組件隔熱后,上端蓋與下端蓋之間的溫差為34.2 ℃,下端蓋高溫多層隔熱組件隔熱效果明顯好于上端蓋。表明下端蓋高溫多層隔熱組件的突刺間隔層起到了較好的間隔效果,能將相鄰單元的反射屏有效地間隔開;上端蓋中的間隔效果相對較差,存在相鄰反射屏在局部有面接觸的情況。在3個試驗中,試驗3的上、下端蓋溫差最小,表明上、下端高溫多層隔熱組件的隔熱性能一致性最好;試驗2的溫差居中;試驗1的溫差最大。該結果表明,在間隔層的裝配間隔效果可控性方面,氣凝膠間隔層最優,不銹鋼絲網間隔層次之,突刺間隔層最差。

2) 隔熱組件的隔熱效果

試驗1與試驗2均采用50單元高溫多層隔熱組件。試驗1在輸入電功率為260 W時,下端蓋溫度為29 ℃。相較而言,試驗2在輸入電功率為250 W時,下端蓋溫度為33.6 ℃。表明在裝配間隔效果控制良好時,突刺間隔層高溫多層隔熱組件的隔熱效果優于不銹鋼絲網間隔層高溫多層隔熱組件。

3) 封閉光學腔對熱源溫度的影響

試驗3僅采用了18單元的高溫多層隔熱組件,在輸入電功率為250 W時,熱源溫度達到了1 038 ℃,明顯高于試驗1與試驗2的熱源所達到的溫度。氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件在單元數量更少的情況下,獲得了顯著優于突刺間隔層和不銹鋼絲網間隔層兩種形式高溫多層隔熱組件的隔熱效果。其原因主要是,圖5所示的氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件與樣機的濾光器形成了封閉的光學腔,提升了對熱源輻射熱量的利用率;另外兩種形式的高溫多層隔熱組件剛性較小,未能與濾光器形成封閉光學腔,產生的間隙造成了熱源輻射熱量的漏失。試驗3相較試驗1與試驗2,熱源溫度大幅提升,表明高溫多層隔熱組件與濾光器形成封閉光學腔,對于提升同位素熱光伏電源的熱源溫度至關重要。試驗3所得輸入功率-熱源溫度關系已初步滿足同位素熱光伏電源工程應用需求。

特別說明,上述試驗的輸入電功率由真空罐外部電源電壓與電流相乘得到,為輸入總功率,包含供電線路上的功率消耗與傳導/輻射漏熱。

4 結論

通過真空熱性能試驗,測試了3種新型高溫多層隔熱組件在同位素熱光伏電源樣機中的高溫隔熱性能,得到如下結論。

1) 在間隔層的裝配間隔效果可控性方面,氣凝膠間隔層最優,裝配出的不同批次高溫多層隔熱組件的隔熱性能一致性最好,不銹鋼絲網間隔層次之,突刺間隔層最差。

2) 在裝配間隔效果控制良好情況下,突刺間隔層高溫多層隔熱組件的隔熱效果優于不銹鋼絲網間隔層高溫多層隔熱組件。

3) 在同位素熱光伏電源樣機中,高溫多層隔熱組件與濾光器形成一個光學腔,提高該光學腔封閉性,有利于提高熱量利用率,以達到較高熱源溫度。使用氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件時,光學腔封閉性最好,同位素熱光伏電源樣機在輸入電功率250 W時,熱源溫度達到了1 038 ℃,初步滿足工程應用需求。