與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池、Ni-cd電池等二次電池相比,再生燃料電池具有更高的比能量及比功率,是一種具有廣闊發(fā)展前途的新型儲能電池。近些年來,可在臨近空間實現(xiàn)長航時駐空的飛行器是世界各個科研機構(gòu)和高校的重點研究對象,由于受到總體對動力系統(tǒng)質(zhì)量和體積的嚴格限制,目前并未得到工程化應(yīng)用。NASA的研究表明,只有比能量達到400Wh/kg的再生燃料電池儲能系統(tǒng)可滿足臨近空間飛行器長航時的飛行需求,結(jié)合外部太陽能的輸入,系統(tǒng)可以實現(xiàn)自身能源的再生,使臨近空間飛行器的設(shè)想成為現(xiàn)實。對于臨近空間飛行器來說,系統(tǒng)的儲能方式?jīng)Q定了動力裝置的續(xù)航能力,水作為再生燃料電池儲能系統(tǒng)中唯一的循環(huán)介質(zhì),且在飛行過程中無法補充,因此水回收管理方案的研究對系統(tǒng)的性能具有不可或缺的意義。本文針對臨近空間長航時飛行器的動力需求,采用太陽能-再生燃料電池混合能源動力作為飛行器推進系統(tǒng)方案,對儲能系統(tǒng)輸入?yún)?shù)計算、能源的分配、水分離回收和熱量綜合利用方案等進行研究,主要包括以下內(nèi)容:(1)針對太陽能-再生燃料電池混合動力飛行器設(shè)計過程中存在的質(zhì)量、能量之間的耦合問題,通過建立正弦太陽輻照度模型,基于能量平衡原理,將飛行器總體和動力...

【文章頁數(shù)】：105 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 課題研究背景、目的及意義
        1.1.1 臨近空間特點
        1.1.2 臨近空間低動態(tài)飛行器能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
        1.1.3 再生燃料電池系統(tǒng)的組成
    1.2 課題研究的意義
        1.2.1 再生燃料電池水循環(huán)回收必要性
        1.2.2 熱量綜合利用的必要性
    1.3 國內(nèi)外研究進程
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
2 再生燃料電池系統(tǒng)設(shè)計輸入?yún)?shù)計算
    2.1 概述
    2.2 太陽輻照度模型
    2.3 太陽能光伏電池輸出能量特性
    2.4 飛行需求功率
    2.5 能量平衡關(guān)系
    2.6 飛行器質(zhì)量組成
    2.7 再生燃料電池儲能系統(tǒng)輸入?yún)?shù)計算
        2.7.1 飛行器初始參數(shù)
        2.7.2 再生儲能系統(tǒng)輸入?yún)?shù)計算結(jié)果
        2.7.3 能源系統(tǒng)工作模式和周期
    2.8 小結(jié)
3 再生燃料電池系統(tǒng)方案及參數(shù)計算
    3.1 水電解和燃料電池發(fā)電原理
        3.1.1 陽極供水質(zhì)子交換膜水電解器工作原理
        3.1.2 陽極供水電解器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        3.1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理
        3.1.4 質(zhì)子交換膜燃料電池組成
    3.2 再生燃料電池儲能系統(tǒng)方案
        3.2.1 再生燃料電池儲能系統(tǒng)總體方案
        3.2.2 水電解分系統(tǒng)
        3.2.3 燃料電池發(fā)電分系統(tǒng)
        3.2.4 介質(zhì)儲存分系統(tǒng)
        3.2.5 環(huán)境控制分系統(tǒng)
        3.2.6 電源調(diào)節(jié)與測控分系統(tǒng)
    3.3 系統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)平衡計算分析
        3.3.1 燃料電池氫氧消耗量
        3.3.2 燃料電池生成水
        3.3.3 電解氫氧氣的產(chǎn)氣量
        3.3.4 電解用水的消耗量
        3.3.5 電解器的給水量
        3.3.6 氣體攜帶飽和水量
        3.3.7 系統(tǒng)效率與產(chǎn)熱
    3.4 氣體儲罐容積計算
    3.5 計算程序的開發(fā)
    3.6 參數(shù)計算結(jié)果
    3.7 小結(jié)
4 水電解氫氧氣水回收管理方案研究
    4.1 地面應(yīng)用時常規(guī)工藝
    4.2 臨近空間應(yīng)用特殊性
    4.3 臨近空間再生系統(tǒng)水電解氫氧氣后處理方案研究
        4.3.1 氣體含濕量的影響因素
        4.3.2 臨近空間環(huán)境特點
        4.3.3 再生儲能系統(tǒng)全周期工作散熱量需求分析
        4.3.4 再生系統(tǒng)氫氧氣后處理方案
        4.3.5 進入氣體儲罐的水量計算方法
        4.3.6 再生系統(tǒng)氫氧氣后處理參數(shù)確定
    4.4 傳熱計算的基本方法
        4.4.1 Nusselt的蒸氣層流膜狀凝結(jié)分析解
        4.4.2 邊界層方程組的簡化
        4.4.3 主要求解過程與結(jié)果
    4.5 冷凝器設(shè)計計算方法
        4.5.1 管殼式冷凝器換熱量計算
        4.5.2 冷凝干燥器的換熱功率
        4.5.3 流動阻力計算
    4.6 冷凝器仿真模擬
        4.6.1 Chem CAD軟件介紹
        4.6.2 技術(shù)條件及要求
        4.6.3 計算過程
        4.6.4 冷凝器設(shè)計結(jié)果
    4.7 小結(jié)
5 高效水回收管理分析
    5.1 系統(tǒng)方案介紹
        5.1.1 電解運行流程
        5.1.2 燃料電池運行工況
    5.2 計算驗證
        5.2.1 儲罐的熱輻射分析
        5.2.2 分析模型的建立
        5.2.3 模型仿真
        5.2.4 仿真結(jié)果分析
    5.3 在臨近空間環(huán)境下應(yīng)用分析
        5.3.1 應(yīng)用的相似性
        5.3.2 應(yīng)用的差異性
        5.3.3 方案設(shè)想
    5.4 小結(jié)
6 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 論文創(chuàng)新點
    6.3 未來展望
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況
致謝



本文編號：4041892