地外储能发电技术

随着深空探测目标距离的增加，地外长期生存技术从原位资源利用中汲取能量以确保人类可以长期参与宇宙探索任务，实现任务过程中的自给自足。原位资源利用、物质循环利用、原位储能发电是人类实现地外生存，开展地外活动的基础。发展原位储能发电技术，才能减少从地球携带的物资，使载人深空探索任务具备可行性。

1.引言

拓展生存空间、寻找地外生命，是人类孜孜不倦的追求，也是人类发展的长远目标之一，而开展深空探测是实现这一目标的必然途径，也是体现一个国家航天技术能力和空间科学水平的重要标志。经过50多年的探索，人类开展的深空探测活动已基本覆盖了月球、太阳、七大行星、小行星和彗星等太阳系各类天体，在航天工程技术和科学发现方面取得了巨大成就，但面对浩瀚宇宙，人类的探测才刚刚起步，我们的认识还很肤浅。随着人类进入空间能力的提升和航天技术的发展，深空已成为人类的重要探索领域之一。

深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测，是相对于近地轨道航天器而言的。国内目前将对地球以外天体开展的空间探测活动称为深空探测。这个定义更加明确了我国深空探测的对象和目的。本世纪的深空探测以太阳系空间为主（月球、火星、水星和金星、巨行星的卫星、小行星和彗星），兼顾宇宙空间的观测。随着深空探测技术的提高，人类的脚步将会到达更远的地方，深空探测的概念也会继续发展。深空探测应该实现以下几个目标：利用空间资源（能源、资源、环境）；扩展生存空间；探索太阳系和宇宙（包括生命）的起源和演化；为人类社会的可持续发展服务。

深空探测的第一阶段是太阳系内探测，仅发射了少量的航天器对太阳、行星和小行星进行了初步探测，还没有系统全面地掌握深空探测技术，例如深空自主技术、新型能源与推进技术、地外基地技术、地外长期生存技术等。深空探测对认识自然科学现象、促进社会发展等方面的影响才刚刚显露出来。我们可以预见，随着航天技术的快速发展，未来往返于行星和地球之间就像往返于两个城市之间那样方便和快捷。深空探测的第二阶段是太阳系外探测，进入银河系，探测恒星系统，了解各类星系和暗物质，遨游浩渺的宇宙空间。深空探测技术的要求比当前航天技术更高，需要突破现有物理定律的约束、突破光速极限的认识、建立多维新型时空关系，才能对远在几十万光年处的星系进行探测，这些显然不是今天的科学技术或近期的科学技术所能解决的。深空探测的第二个阶段会非常漫长，中间或许会经历多次重大的科学技术革命。但我们人类一定能掌握深空探测技术，自由翱翔于宇宙星间。

深空探测任务的开展依赖于航天技术的进步和国家综合实力的提高。相对于近地航天任务，深空探测任务面对距离遥远、飞行时间长、数据传输速率有限、深空环境复杂等一系列难题，需要不断地进行技术创新与验证。未来，对深空及其中的天体探测的深度与广度直接取决于一系列关键技术突破与支撑的程度。由于大部分探测目标天体距离地球遥远，探测器通常需要消耗巨量的燃料才能实现向目标的转移，而且还可能难以获得足够的太阳能。因此，高效的能源与推进系统是进行深空探测任务的基本保障。

2 深空探测新型能源技术

深空探测任务中能源系统应具有耐恶劣环境、长寿命和高功率的特点，并不断减小辐射量。适用于未来深空探测任务使用的高效能源和储能技术主要包括：太阳能光伏发电技术、放射性同位素电源技术、核裂变电源系统技术、核聚变电源系统技术、高比能量储能技术、再生燃料电池技术、无线功率传输技术等。

太阳能光伏发电技术：将光能转化为电能的技术，未来的深空探测任务要求太阳能光伏发电系统具有更高的性能。达到技术成熟度6的标志为：能够在低光强/低温条件下（>3AU）有效地工作的太阳电池，能够在高温条件（>200℃）下长时间工作太阳电池以及太阳电池阵，具有高比功率（500-1000W/kg）太阳电池阵，具有静电清洁能力、耐辐射、防尘、可重复收拢/展开的太阳电池阵。

放射性同位素电源技术：基于放射性元素和热电转换器的电源转换技术。未来0.1-1000We功率范围的放射性同位素电源系统能够有效地支持人类探索任务。达到技术成熟度6的标志为：先进的同位素热电发电机（10-15W/kg、效率15-20%、15年寿命）；先进的斯特林放射性同位素发电机（10-15W/kg、35%的效率、15年寿命）；小型（1W～10W）RPS（reactor protection system，反应堆保护系统），能承受5000g的冲击，包括热源及功率转换系统。

核聚变电源技术：研究约50MW的中子反应器、高能带电粒子束直接能量转换（如行波）、高电压（1MV）、高效率电源管理与配电。发展10-100kWe电源系统；开发非常高功率（>5MWe）和非常小比质量（<5kg/kWe）空间核聚变电源。

核裂变电源技术：采用高功率核裂变系统将使得高性能的核电推进技术变为可能，理论上核裂变具有无限的燃料能量密度，不依赖于与太阳的距离及朝向，可支持大型高功率机器人任务。

高比能量储能技术：包括一次性电池和可充电蓄电池。达到技术成熟度6的标志为：一次电池，比能量达到1000Wh/kg，在低温下运行的能力（-160℃）；内行星任务要求高温（450℃）一次和可充电电池；行星轨道飞行器要求寿命＞20年，100000次循环，可充电电池比能量达到300Wh/kg。

飞轮储能技术：一种新型系统，将姿态控制（替代动量轮）和能量储存（取代蓄电池组）组合在一起。飞轮能够快速释放能量，能够重复完全放电而不会对系统产生危害，以及在所有电能储存介质中具有最低的自放电率。达到技术成熟度6的标志为：系统储存能量达到kWh和MWh，并且在采用碳纳米纤维后比能量达200Wh/kg，及在高可靠性和安全性的情况下满足充电寿命大于50000次和寿命大于20年。

再生燃料电池技术：再生燃料电池是目前比能量最高的储能系统，对需要兆瓦级大规模能量存储的空间任务具有很大吸引力，对于行星表面系统等大规模能量存储应用非常重要。需研发大范围能量储存应用的可再生燃料电池，达到技术成熟度6的标志为：比能量达到1500Wh/kg、充电放电效率达到70%、高可靠性和长寿命能力（10000小时）得到增强。

无线能量传输技术：通常指高功率集束，功率可通过激光束或微波传输，在未来地外长期生存中具有广阔的应用前景。

3 地外储能发电技术

随着深空探测目标距离的增加，地外长期生存技术从原位资源利用中汲取能量以确保人类可以长期参与宇宙探索任务，实现任务过程中的自给自足。原位资源利用、物质循环利用、原位储能发电是人类实现地外生存，开展地外活动的基础。发展原位储能发电技术，才能减少从地球携带的物资，使载人深空探索任务具备可行性。

地外储能发电装置通过原位能量转换和资源利用的方式实现储能发电，采用原位资源利用装置处理过的致密蓄能块，白天吸收并储存太阳辐射热，通过热电转换装置，为地外生存实验舱各装置提供电能和热能，为受控生态箱昼夜不间断提供能源供应，满足生命活动的基本能量需求。

图1 地外储能发电技术原理


载人登月和建设月球基地将是开展更远的深空探测活动前不可或缺的重要一环，为乘员和科学载荷昼夜持续不断地提供电能和热能是实现载人登月任务的重要保障。因月夜长达350小时，为满足登月舱或月球基地的能量供应要求，太阳能-储能电池和核反应堆电源均面临发射质量的巨大挑战。图2比较了在发电功率均为10kWe时，太阳能-化学储能电池、核反应堆、月壤储能发电3种不同方案的发射质量，可以看出，利用原位资源的月壤储能发电技术能够大大减少发射质量。

图2 不同方案发射质量比较


通过建立太阳辐射模型、月壤储能装置模型、热电转换模型、辐射器模型构建月壤储能发电理论模型，采用MATLAB软件进行求解，主要结果如下。

初步载人深空探索任务中，设定月壤储能装置表面吸收率为0.9，红外发射率为0.9，聚光比为1，计算结果如图3所示。由图3a可知，在初始温度为100K的条件下，系统在第二个周期以后就达到稳定的温度波动。月壤储能装置的最高温度和最低温度分别为386K和288K。在有太阳辐射的最初50h内，月壤储能装置的温度迅速上升，而后温度逐渐上升。热端温度、冷端温度、吸热过程中的流体温度、放热过程中的流体温度具有相同的温度变化趋势。吸热过程中的流体温度范围在230K和300K之间，可以采用具有合适热物性的液体制冷剂，如HCFC-123等作为工质。图3b示出了昼夜循环中最大电功率和对应最优热效率的变化趋势。可以看出，最大电功率在3172W和1808W之间变化，可为月球基地提供持续电能。系统在稳定循环状态下，对应最优热效率在32.8%和29.7%之间。

图3 月壤储能发电系统模拟结果


在大规模载人深空探索任务中，为提高系统性能，需要采用高吸收率、低发射率的表面材料，以及具有高聚光比的轻质太阳能吸收器。设定月壤储能装置表面吸收率为0.95，红外发射率为0.1，聚光比为10，计算结果如图4所示。由图4a可知，同样，在初始温度为100K的条件下，系统在第二个周期以后就达到稳定的温度波动。月壤储能装置的最高温度和最低温度分别为1210K和532K。

吸热过程中的流体温度范围在440K和900K之间，可以采用具有合适热物性的流体作为工质，如液态金属、熔盐等。由图4b可以看出，最大电功率在11619W和2764W之间变化。系统在稳定循环状态下，对应最优热效率在29.2%和26.7%之间。

图4 月壤储能发电系统模拟结果


针对一些重要设计参数进行了影响分析。图5a示出了聚光比的影响，最大输出功率随着聚光比的增大而增大。在聚光比为1、2、3、4时，最大输出功率分别为3172W、4294W、5071W和5681W，对应最优热效率分别为32.8%、34.0%、34.5%和35.2%。图5b示出了热辐射器面积的影响，最大输出功率和对应最优热效率随着热辐射器面积的增大而增大。在热辐射器面积不断增加时，最大输出功率分别为2568W、3172W、3532W、3788W和3988W，对应最优热效率分别为30.1%、32.8%、34.3%、35.2%和35.9%。图5c示出了热辐射器面积的影响，最大输出功率和对应最优热效率随着热辐射器面积的增大而增大。在热辐射器面积不断增加时，最大输出功率分别为2568W、3172W、3532W、3788W和3988W，对应最优热效率分别为30.1%、32.8%、34.3%、35.2%和35.9%。示出了热漏系数的影响。热漏系数为0.5W/K、1.5W/K、2.5W/K、3.5W/K和4.5W/K时，最大输出功率分别为3213W、3192W、3172W、3152W和3132W，对应最优热效率分别为37.7%、35.1%、32.8%、30.8%和29.0%。可以看出，对应最优热效率随着热漏系数的增大而显著减小，而最大输出功率变化不大。图5d示出了回热器有效因子的影响。回热器有效因子为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时，最大输出功率分别为2823W、2898W、2981W、3071W和3172W，对应最优热效率分别为22.4%、24.3%、26.6%、29.4%和32.8%。可以看出，对应最优热效率随着回热器有效因子的增大而增大，而最大输出功率变化不大。

图5 重要设计参数的影响


4 结语

深空探测是一项高技术、高风险、高投入的航天活动。经过50多年的探索与发展，人类已对太阳系主要天体，尤其是月球和火星进行了比较深入的探测，取得了一系列巨大的工程技术和科学探测成果。

拓展人类生存发展空间，寻找地外生命，是人类孜孜不倦的追求，也是人类文明发展的需要。但要实现这一目标需要人类长期而深入地开展深空探测活动，不断深化对太阳系和宇宙的认识。地外长期生存技术是从原位资源利用中汲取优势以确保人类可以长期参与宇宙探索任务，实现在任务过程中的自给自足。原位资源利用、物质循环利用、原位储能发电是人类实现地外生存，开展地外活动的基础。大力发展原位储能发电技术，才能大大减少从地球携带的物资，使载人深空探索任务具备可行性。相关工作发表于Energy期刊（文章检索doi:10.1016/j.energy.2016.03.132）。