[發明專利]基于月球原位資源與熱泵儲電的月球基地能源系統及方法

有效

• 申請號: 202210033952.8
• 申請日: 2022-01-12
• 公開（公告）號: CN114412584B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 趙攀;許文盼;劉艾杰;吳汶澤;王江峰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F01D15/08
• 分類號: F01D15/08;F01D15/10;F01K17/06;F04B35/04;H02J7/35;F25B30/02;F25B41/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 賀小停

本發明公開了一種基于月球原位資源與熱泵儲電的月球基地能源系統及方法，本發明采用太陽能光伏發電裝置為系統供能，利用月球原位資源，采用熱泵儲電裝置與太陽能光伏發電系統相結合，來滿足月球基地對于儲能裝置的長時大容量需求，實現月球基地的能量持續穩定供應。首先，該熱泵儲電系統將多余電能轉換為熱能存儲于月壤蓄熱器內，分別采用熱泵循環和熱機循環實現儲能與釋能。其次，該月球基地能源系統在利用月球原生能源資源太陽能的基礎上，還在月壤蓄熱器使用導熱系數和密度增大的加工月壤壓制球體作為蓄能介質，利用深層月壤中的恒溫層作為儲能過程的熱源，而且還利用月夜期間的淺層月壤或深空低溫環境作為釋能過程的冷源。

技術領域

本發明屬于空間能源技術領域，特別涉及一種基于月球原位資源與熱泵儲電的月球基地能源系統及方法。

背景技術

月球基地作為執行月球探測任務的重要試驗驗證平臺，其能源系統設計至關重要，屬于月球基地設計階段的關鍵核心任務之一。月球表面具備特殊的環境，首先，月球自轉周期較長，為一個恒星月，約為28個地球日，其中月晝14日，月夜14日，月晝與月夜的持續時間均較長；其次，月晝時月球表面溫度高達130℃，而月夜期間降至-150℃，晝夜溫差變化極大；最后，月球表面無大氣、海洋河流及生物存活，使得在地球上廣泛采用的風能、海洋能、水能和化石能等均無法使用。這些特征均對于月球基地能源系統的穩定運行影響極大，在設計月球基地能源系統時需要充分考慮這些因素帶來的影響。

根據月球可供利用的原位能源資源類型，月球基地能源系統可分為太陽能發電技術、月壤溫差發電技術、太陽風發電技術和空間核反應堆發電技術等幾種形式。

月壤溫差發電技術基于塞貝克效應，利用深層月壤的恒溫層與月壤表面較大的溫度變化所帶來的溫差來實現持續熱電轉換，即月晝期間以月面為熱源，月壤恒溫層為冷源；月夜期間以月面為冷源，月壤恒溫層為熱源。然而，該發電技術輸出功率水平低，僅適用于固定地點探測用傳感器的長時供能，不適用于功率需求高的月球基地。太陽風發電技術利用磁場收集直接到達月球表面的太陽風中的電子實現發電，但該技術發電功率小，且只能在月晝期間運行，使得該技術不能滿足月球基地大功率、持續穩定的能量需求。空間核反應堆發電技術利用月球克里普巖中富含的釷和鈾元素，就地開采可實現核裂變發電，但目前該技術在月球實現難度極大，近期基本不具備可實現性。

太陽能發電技術包含太陽能光伏發電和太陽能光熱發電兩種具體形式。無論哪種形式，雖然在月晝期間均可保證月球基地的能源穩定供應，但在無太陽照射的漫長月夜或日食期間均無法正常供能。相比而言，太陽能光伏發電是航天領域應用較為成熟的技術，但需要配置一定的儲能裝置才能實現月球基地的持續穩定供能。現階段航天領域主要使用的儲能裝置主要是蓄電池，依靠蓄電池組存儲月晝期間的多余電能供月夜期間使用。然而，這種“太陽能光伏-蓄電池”配置在當下太空探測任務中能量的短時小容量需求層面具有優勢，而不適用于作為月球基地能源系統配置的長時大容量儲能裝置。另外，蓄電池能量密度低，需要較大的重量資源才能滿足月球基地長時大功率存儲的需求，同時循環壽命短，在月球環境下無法處理蓄電池廢料，且在月夜的低溫環境下其性能會顯著下降，均限制了太陽能光伏發電系統在月球基地的應用。

綜上所述，月球基地作為月球探測的重要科考平臺與前沿基地，其穩定可靠的能源系統設計至關重要。現階段在航天領域應用已經成熟的太陽能光伏發電技術仍是月球基地能源系統的首選，但該系統在漫長的月夜或日食期間存在無法供能的問題，需要配置長時大功率儲能裝置來解決。目前航天領域應用最多的儲能裝置是蓄電池，但該技術在短時小容量需求層面具有優勢，對月球基地的長時大容量儲能需求并不適用；且蓄電池能量密度低，需要較大的重量資源，同時循環壽命短，在月球環境下無法處理蓄電池廢料，且在月夜的低溫環境下其性能會顯著下降。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于月球原位資源與熱泵儲電的月球基地能源系統及方法，以克服當前月球基地的能量持續穩定供應問題，本發明能夠提高月球基地能源供應的可靠性與安全性。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：