摘要
针对月球基地的能量储存及月夜期间能量供应问题,提出了一种基于光谱自适应吸收/发射平板和月壤储热的月夜发电系统。该系统通过使用加工后的月球土壤以实现月昼期间储存太阳辐射能量、月夜期间放热发电的功能。此外,该系统通过使用一种光谱自适应吸收/发射平板,在月昼期间实现太阳辐射波段(0.3~2.5 μm)高吸收和红外波段(3~30 μm)低发射特性、在月夜期间实现红外波段(3~30 μm)高发射特性,将太阳能集热平板与辐射散热平板合二为一,极大地减少了地月运输的有效载荷,降低了发射成本。模拟结果显示,该系统的比功率约为5.12 W/kg,而光伏‑锂电池系统的比功率约为0.83 W/kg。此外,与储能总量相同的光伏‑锂电池系统相比,该系统的发射总质量降低了约83%。
作为地球唯一的天然卫星,月球是人类开展深空探测活动的前哨站,也是潜在的矿产和能源资源储备库。从20世纪60年代至今,人类已经通过向月球发射探测器成功获取了超过382 kg的月球土壤,极大地促进了人类对于月球和宇宙的探索进
能源问题是月球基地建设的核心问题。目前,太阳能光伏发电技术是深空探测活动的主要能源供应技术。然而,月球的自然环境与地球有很大不同,月球绕地球公转的周期约为29.53天,这导致月球的昼夜时长均超过14
原位资源利用(In‑situ resource utilization,ISRU)技术可以在一定程度上解决月球基地夜间能源供应问题。1968年,Barna等研究了利用月球风化层土壤储存能量的可行
本文介绍了一种基于光谱自适应吸收/发射平板和月壤储热的月球夜间发电系统。该系统使用一种基于VO2的光谱自适应吸收/发射平板,这种平板通过温度控制的光谱自适应调控,分别在月昼和月夜实现太阳能集热和辐射散热两种功能,因此也称作光谱自适应调控平板。该系统可以减少运载火箭的发射重量,降低月球基地夜间能源供应系统的建设成本。本文通过现有理论模型模拟该系统的性能,并比较该系统与光伏‑锂电池系统的比功率,为今后月夜储能发电技术的发展提供一定的参考和建议。
本文介绍的基于月壤储热的月夜发电系统如

图1 基于月球原位资源利用的太阳能热发电系统示意图
Fig.1 Schematic of a solar thermal power system based on lunar ISRU
本文使用一种基于VO2光谱自适应光热‑辐射制冷(Photothermal‑radiative cooling,PT‑RC)涂层的自适应调控平板。该涂层主要由VO2层、红外发射层和辅助层构成。VO2在68 ℃左右会发生从绝缘态到金属态的相变,同时其红外波段的光谱特性也由高透过变为高反

图2 一种基于VO2的PT-RC涂层结构示意
Fig.2 Schematic of a VO2‑PT‑RC coating structur
由于月球自转轴相对于月球黄道的倾角只有1.54°,因此投射到月球表面的太阳辐射强度随季节的变化可以忽
月昼期间,光谱自适应调控平板吸收太阳辐射迅速升温达到相变温度,其红外光谱特性由高发射变为低发射。此时,平板处于集热模式,集热平板与月壤储热器之间的管道阀门打开,与斯特林发电机之间的管道阀门关闭,来自太阳的辐射能量持续不断输入月壤储热器。在忽略太空冷源(3 K)辐射的情况下,光谱自适应调控平板收集到的净能量通量可以表示为
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式中:A为光谱自适应调控平板面积;α为月昼期间光谱自适应调控平板太阳辐射波段(0.3~2.5 μm)光谱吸收率;qsun为太阳辐射强度;ε为月昼期间光谱自适应调控平板红外波段(3~30 μm)光谱发射率;σ为斯蒂芬‑玻尔兹曼常数,σ=5.67×1
月夜期间,在没有太阳辐射能量输入的条件下,光谱自适应调控平板的温度迅速降低至相变温度以下,其光谱特性由红外低发射转变为红外高发射,光谱自适应调控平板与月壤储热器之间的管道阀门关闭,与斯特林发电机之间的管道阀门打开。此时,光谱自适应调控平板充当斯特林循环的冷源,以红外辐射的形式向外太空散失热量。在忽视太空背景辐射的情况下,其辐射热通量为
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式中ε为月夜期间光谱自适应调控平板红外波段(3~30 μm)光谱发射率。
由于原始月壤的孔隙率大,其热导率只有约0.012 W/(m‧K),因此需要对月壤进行压实、烧结或熔融处理增加其导热
(3) |
边界条件为
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(5) |
式中:a为加工后月壤的热扩散率;k为加工后月壤的热导率;月昼期间,q为从集热平板传入月壤储热器的能量;月夜期间,q为从月壤储热器传入斯特林热机的能量。
热机的高热效率将减少必须的储热量,并减少太阳能集热平板和辐射散热平板的质量,从而降低包括月地运输、系统搭建在内的建设成本。因此,许多研究者考虑使用热效率较高的斯特林发电机作为月壤储热发电的参考发电单

图3 斯特林循环温度-熵图
Fig.3 T-S diagram of Stirling cycle
从状态1到状态2,工质在Th的等温工况下从温度为TH的热源吸热膨胀并推动活塞做功;从状态2到状态3,高温工质在定容条件下在回热器中放热;从状态3到状态4,工质在Tc的等温工况下向温度为TC的冷源放热并被活塞压缩;从状态4到状态1,低温工质在定容条件下在回热器中吸收2~3过程中高温工质放出的热量。
在实际循环中,回热器中不可避免地存在传热损失∆QR,此外,循环过程中还存在从热源到冷源之间的热泄漏损失Q
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(7) |
式中:n为工质的摩尔数;Cv为工质的定容摩尔比热;εR为回热器的有效性;Th、Tc分别为工质在高温和低温两个等温过程中的温度;k0为斯特林发电机热源到冷源的热泄漏系数;TH、TC分别为热源和冷源的温度;τ为经历一次斯特林循环所需要的时间,包括两个等温过程与两个等容过程所需要的时间,则τ可以表示为
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其中t1和t2可分别通过等温吸热和放热过程计算,即
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式中:Qh和Qc分别为两个等温过程中的吸热量和放热量;UHAH和UCAC分别为热源和冷源的换热系数与换热面积的乘积;R为通用气体常数,R=8.314 J/(mol‧K);λ为循环体积比。
计算回热过程所需时间t3和t4的一种方法
(11) |
式中M为比例常数,它与温差无关,只依赖回热材料的性质,称为回热时间常数。
考虑主要的传热损失和热泄漏损失,则工质从热源吸收的热量和到冷源散失的热量可以表示为
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循环功率输出和热效率可以表示为
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P、η是变量Th和Tc的函数,因此通过令∂P/Th=0及∂P/Tc=0,可以优化P和η,得到式(
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式中:
最优热效率为
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式中
此时,工质在两个等温过程中的最佳工作温度分别为
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利用式(
当使用太阳能跟踪器作为辅助设备时,可以假定月昼期间到达平板集热器表面的太阳辐射强度恒定为1 300 W/

图4 有太阳能跟踪器的月壤储热发电系统温度随时间变化图
Fig.4 Temperature variation of lunar soil thermal storage power generation system with solar tracker with time

图5 有太阳能跟踪器的月壤储热发电系统功率随时间变化图
Fig.5 Power variation of lunar soil thermal storage power generation system with solar tracker with time
目前,每平米平板太阳能集热器的质量在15~38 kg不等。以型号为FPC‑E20的Apricus平板太阳能集热平板为例,该集热平板总面积为2
相较于使用锂电池储能的光伏发电系统,要满足月夜期间354 h、平均3 459 W的功率输出,即使取300 Wh/kg的储能密度,也需要至少4 081.6 kg的电池质
当不使用太阳能跟踪装置时,集热平板收集到的太阳辐射强度随时间大致呈正弦曲线变化,可以简化为
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图6 无太阳能跟踪器的月壤储热发电系统温度随时间变化图
Fig.6 Temperature variation of lunar soil thermal storage power generation system without solar tracker with time

图7 无太阳能跟踪器的月壤储热发电系统功率随时间变化图
Fig.7 Power variation of lunar soil thermal storage power generation system without solar tracker with time

图8 月壤储热发电系统比功率随平板面积的变化
Fig.8 Variation of specific power of lunar regolith thermal storage power generation system with panel area
本文提出了一种基于光谱自适应调控平板和月壤储热的月夜发电系统;介绍了该系统的结构组成、工作原理及运行模式;模拟了系统在使用太阳能跟踪器和不使用太阳能跟踪器两种情况下的发电性能;分析了光谱自适应调控平板面积对于太阳能跟踪式发电系统比功率的影响。
研究表明,使用加工后的月壤储热发电可以作为月球基地在夜间的能量来源;从地月运输的成本角度分析,通过使用本文介绍的光谱自适应调控平板,可以将太阳能集热平板与辐射散热平板合二为一,可以极大地降低系统所需的运载负荷。模拟结果显示,该系统的比功率约为5.12 W/kg。此外,与光伏‑锂电池系统相比,月壤储热发电系统的发射质量降低了约83%,极大地减少了发射成本。
在未来,可以通过研制更优性能的光谱自适应调控平板来提升系统比功率;此外,使用轻型材料和优化斯特林发电机的发电性能也是月壤储热发电系统未来的研究方向。
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