基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统

摘要

本发明提出了一种基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统，通过温差发电和光热电联合技术，实现月球基地能源的闭环连续稳定供能。月坑或熔岩管形成的地下掩蔽场所可作为集储热‑发电一体化模块的天然安置地，坑内规则安置大容量、高密度的储热单元，通过在月球表面安置的大量自动跟踪反射镜及聚光镜，引入太阳能光热，完成系统热能的存储。储热模块最外侧包裹温差发电材料，基于储热模块与外界环境之间的温差，实现月昼、月夜不同时刻的连续电能供应，保证月球基地能源的稳定需求。同时月球基地的建筑同样结合储能进行搭建，后期可进一步开发智能的能源管理系统，实现光‑热‑电的稳定高效转换利用。

说明书

技术领域

本发明属于空间能源技术领域，特别是涉及一种基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统。

背景技术

探索外太空并进行创造性劳动，是人类科学技术发展，最终实现生活质量和文明程度提升的必然选择。月球作为距离地球最近的天体，是人类走向深空的跳板，同时月球存储大量特有的矿藏和能源，是地球资源的重要补充和储备，因此建设月球基地成为目前最为可行的工程起点和最佳实践场，也是世界各大国竞相发展的目标，更是迄今为止人类多面临的最宏伟的工程和最大的冒险。在建设月球基地的诸多核心任务规划中，稳定供给、高效利用的能源系统的是基地正常运行的关键保障，也是目前亟需解决的问题。

在月球的自转周期中，各有长达约14地球日的月昼和月夜，如何保证稳定、高效的热能与电能供应是能源供应所面临的最大技术困难。现阶段可以将月球基地的能源供应方式分为三种：太阳能、核能以及其他能源。月球表面无大气、无风无雨的环境使得太阳光辐照强度是地球的1.5倍，因此太阳能是最好的能量来源，可以常用的利用利用方式为：太阳能光伏发电、太阳能光热发电。同时，月球上有丰富的氦-3资源，为月面核反应堆发电站提供了充足的原料保障。值得注意的是：由于月昼月夜的长时间周转，造成月球表面温差可达到300℃以上，昼夜温差极大，这基于月壤温差发电成为月球基地能源供应的有效选择之一。

针对于月球环境这一特殊要求，月球基地的能源供给来源可以分为三大类：以太阳能为主体的能源转换系统、以核能为主体的能源转换系统和其他能源转换系统，其中，以太阳能为主题的能源转换系统包括太阳能光伏发电系统，太阳能光热发电系统等，以核能为主体的能源转换系统包括空间核反应堆发电，放射性同位素发电等。

长时间的太阳照射使得光能利用成为月球基地能源供应的首要选择对象，利用光伏或光热发电配合蓄电池组是最常见的月球基地能源供应系统，但其具有很大的局限性。对于以光伏发电的月球基地而言，这种方式能够有效的保证月昼期间的能源供给，但对于长时间持续的月夜或者特殊天气无法提供稳定且可靠的能源供给。现阶段可以采用的方式为集成蓄电池组或压缩二氧化碳系统在月昼时段储能，在月夜完成释能。但集成蓄电池组的能量低、寿命短，在月夜的极端低温环境下充放电效率低，循环性能差，需要较大的安置空间和资源配比才能实现月球基地高负荷的供能要求，同时报废的蓄电池组在月球环境下无法被有效处理。对于压缩二氧化碳系统而言，其系统结构过于复杂，工程实施难度大，主要装置(例如二氧化碳压缩机、高压储液罐，透平)的质量和体积较为庞大，不便于运送到月球。另外压缩二氧化碳储能的全过程效率较低，自身运行中耗电量大，对装置所处的地理条件要求很高，这些因素都限制了光伏发电在月球基地的应用。

光热发电系统是将集中的太阳光通过传热工质转化为热能，在通过热机实现热电转换的技术。其成本相对于光伏发电大大降低，充放电效率较高，能量密度高，在月球环境下，光热辐照的强度进一步加强，系统整体的效率有所提升。对于光热发电系统而言，为了保证月夜阶段供能的持续稳定，必须要配合储能装置完成相关的工作。在月球环境下，传统热-电转换所需的装置种类繁多，所需要的体积与质量较为庞大，不便于运送到月球。同时传统光热发电中热电转换过程依靠热机完成，配合透平、换热器及冷凝器等复杂装置，降低了系统整体的运行稳定性、可靠性。因此，传统的光热发电系统并不适用于月球基地能源的供应。

对于以核能为主的能源转换系统，空间核反应堆发电具备高能量密度，低负重等优点。但由于月球环境复杂，核反应堆的抗振动稳定性和安全性难以实现，装置整体的质量庞大，功率较低，且应用过程中的辐射防护问题严重，不适用于月球基地大容量、高功率的要求。对于放射性同位素发电系统而言，其根本原理是基于温差而进行的热电转换。同位素发电具有很大的缺陷，热电的转换效率低，功率的绝对值相对于太阳能发电低，同样无法满足月球基地大功率的供能要求。

另外，由于陨石的撞击和月球自身地理活动的，月球表面存在大量的月坑和巨大熔岩管道，他们可以认作为一个受保护的地下深坑，不会出现剧烈的温度变化，同时免遭辐射轰炸和陨石撞击。因为这些优势的存在，它们能够充当未来月球基地建设的原位资源，建设栖息地和能源系统。而传统的基于月壤昼夜温差发电的方式，温差范围并不理想，使得整体充放电过程效率低。

分析以上内容，面对月球基地能源供给系统高效、稳定的要求，当前的能源转换系统无法满足真正的需求，光伏发电结合蓄电池供能充放电效率低，循环性能差，无法满足月球基地高负荷、大功率的要求；光伏发电结合压缩二氧化碳系统结构过于复杂，工程实施难度大，整体效率低，限制了其在月球环境的应用；光热发电结合储能系统运行稳定性差，传统结构装置体积与质量庞大，难以实施；空间核反应堆发电与同位素发电功率较低，无法满足月球基地大功率的供能要求。因此，现阶段需要设计一种月球基地能源供给系统，以解决当前月球基地供能不稳定，输出功率低等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统，通过温差发电和光-热-电联合技术，实现月球基地能源的闭环连续稳定供能，解决当前月球基地供能不稳定，输出功率低等问题。本发明结合月球原位资源，基于月壤温差和光-热-电联合发电技术，能够保障月球基地能源系统的稳定、长时间、高功率供应，推动人类在月球表面的长期驻留，进一步探索外太空。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统，包括太阳能热源端、光谱跟踪-聚集子系统、光热存储-发电子系统、热电输送子系统和最终负荷子系统，所述光谱跟踪-聚集子系统、光热存储-发电子系统、热电输送子系统和最终负荷子系统依次连接，所述光热存储-发电子系统安装在月球表面坑道内；

所述光谱跟踪-聚集子系统由多组自动跟踪反射镜和初次聚光镜构成，多组自动跟踪反射镜将从太阳能热源端的太阳光反射给初次聚光镜；

所述的光热存储-发电子系统包括二次聚光镜、储热模块与温差发电模块，所述储热模块顶部安装有二次聚光镜，所述温差发电模块的热电转换两端分别布置在月球表面坑道和储热模块之间；

所述热电输送子系统包括热流输送管道和电力输送通道，分别对最终负荷子系统进行热流和电力的输送。

更进一步的，所述光热存储-发电子系统基于月球表面原有的月坑或爆破坑形成的地下掩蔽场所作为安置地点。

更进一步的，所述月球表面坑道构成圆柱体坑道。

更进一步的，所述储热模块包括多个压制成型的圆柱形储热单元，多个储热单元规则排列，彼此之间具有一定的间隙。

更进一步的，在月球表面坑道的最外侧设置有温差发电模块，温差发电模块的外侧与月壤直接相连，月球表面坑道的内侧与储热模块相连。

更进一步的，所述热流输送管道包括热流输送管路和调节阀门，所述光热存储-发电子系统出口端与热流输送管路和调节阀门相连，通过调节阀门调节冷热流体流量实现热能的供应，最终通过管道输送给月表建筑。

更进一步的，所述电力输送通道包括直流交流转换和智能控制单元，所述直流交流转换和智能控制单元连接。

更进一步的，所述光热存储-发电子系统进口端与热泵相连，以提供传热流体。

更进一步的，根据月表地势，要求在高处安置多组连续、高效的自动跟踪反射镜，自动跟踪反射镜跟踪月昼期间的太阳能光伏，聚集反射给安置在月表的初次聚光镜，进行光热转换。

更进一步的，所述最终负荷模块包括月表建筑和探月设备，所述月表建筑利用压制成型的储热砖构建，能够进一步促进建筑内热量的利用，热流体在月表建筑与光热存储-发电子系统间循环流动，形成有效的输送闭环。

本发明所述的基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统，其创新性在于利用温差发电和储热原理，解决了月球基地因月昼、月夜更迭而引起的能源供应不稳定、不连续，更充分的发挥了月球原位资源的优势，增加了基地的安全性和可行性。在月昼时，太阳光照射充足，光热存储-发电子系统外界月壤的温度高，储热模块温度低，温差发电模块正常供电，同时利用集热子系统将多余的热能存储；月夜时，光热存储-发电子系统外界月壤的温度低，内部储热模块温度高，温差发电模块仍然正常供电，同时利用储热模块内部储存的热量对月表建筑进行供热。

与现有技术相比，本发明所述的基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统的有益效果是：

(1)本发明主要由太阳能热源端、光谱跟踪-集热子系统、光热存储-发电子系统、热电输送子系统及最终负荷子系统组成，结合月球上原位资源-月球坑与熔岩管道进行搭建，基于月壤温差和光-热-电联合发电技术，长时间稳定的生产输送电能和热能，能够保障月球基地在月昼、月夜时的能源稳定、安全。

(2)本发明通过引入温差发电与储能单元，保障了月球基地能源供应的长期稳定运行，与其他技术相比，不需要复杂的机械结构，能源供应与循环利用效率更高。

(3)本发明与光热发电、核反应堆发电进行联合，搭建更为智能、完整的能源供应系统，进一步保障月球基地能源的长时间、稳定供应。

(4)本发明通过储热砖搭建月表建筑，提高了系统整体的储热量，提高的基地的安全性，因地制宜，降低技术难度。

(5)本发明结构简单、充分利用月球原有地形结构，无污染有害介质产生，能够实现月球基地的长期稳定能源供应，同时，该能源系统还可以配合光伏、核能等技术，在热电智能控制子系统的调控下，进一步保证地外探索工作的正常运行。

(6)本发明可行性高、利用效率高，同时还可以与光热发电、核反应堆发电联合，搭建更为智能、完整的能源供应系统，对于推动空间能源技术的发展、加快月球基地的建设等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统的整体结构示意图；

图2为本发明所述的光热存储-发电子系统与输送子系统的详细结构示意图；

其中：1-太阳能热源端；2-光谱跟踪-聚集子系统；3-光热存储-发电子系统；4-热电输送子系统；5-最终负荷子系统；6-自动跟踪反射镜；7-初次聚光镜；8-二次聚光镜；9-储热模块；10-温差发电模块；11-热泵；12-热流输送管路；13-调节阀门；14-直流交流转换器；15-智能控制单元；16-月表建筑；17-储热砖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一、具体实施方式一，参见图1-2说明本实施方式，一种基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统，包括太阳能热源端1、光谱跟踪-聚集子系统2、光热存储-发电子系统3、热电输送子系统4和最终负荷子系统5，所述光谱跟踪-聚集子系统2、光热存储-发电子系统3、热电输送子系统4和最终负荷子系统5依次连接，所述光热存储-发电子系统3安装在月球表面坑道内；

所述光谱跟踪-聚集子系统2由多组自动跟踪反射镜6和初次聚光镜7构成，多组自动跟踪反射镜6将从太阳能热源端1的太阳光反射给初次聚光镜7；

所述的光热存储-发电子系统3包括二次聚光镜8、储热模块9与温差发电模块10，所述储热模块9顶部安装有二次聚光镜8，所述温差发电模块10的热电转换两端分别布置在月球表面坑道和储热模块9之间；

所述热电输送子系统4包括热流输送管道和电力输送通道，分别对最终负荷子系统5进行热流和电力的输送。

光谱跟踪-聚集子系统2包括自动跟踪反射镜6和初次聚光镜7。所述光谱跟踪-聚集子系统2通过自动跟踪反射镜6和聚光镜7完成第一次太阳能集热。在月表高处安置有许多自动跟踪反射镜6自动跟踪太阳照射位置，将光源反射给月球坑上端的聚光镜7进行首次集热。

根据月表地势，要求在高处安置多组连续、高效的自动跟踪反射镜6，自动跟踪反射镜6跟踪月昼期间的太阳能光伏，聚集反射给安置在月表的初次聚光镜7，进行光热转换。

光热存储-发电子系统3包括二次聚光镜8，储热模块9和温差发电模块10构成。光热存储-发电子系统3基于月球表面原有的月坑或爆破坑形成的地下掩蔽场所作为安置地点，通过适当的加工可以构成圆柱体的坑道，有效的避免了太阳辐射轰炸和陨石撞击，保护性较好。

光热存储-发电子系统内部安置多个压制成型的圆柱形储热模块9，单元规则排列，彼此之间具有一定的间隙，此间隙的尺寸为10-20mm。模块上端设置有二级聚光镜8对光源进行再次集热，吸收来自太阳能热源端1的热量并存储。在月球表面坑道的最外侧设置有温差发电模块10，温差发电模块10的外侧与月壤直接相连，月球表面坑道的内侧与储热模块9相连。

所述储热模块9采用压制的显热或潜热储热材料，所述温差发电模块10，基于塞贝尔克原理，热电转换材料两端分别布置在深层月壤和储热模块9之间，两者之间夹有保温材料，构成多组串联的。多组串联的PN节逐渐累加电压，形成有效电流。

在月昼时，外界的温度高，储热模块9温度低，温差发电模块10正常供电，同时利用集热子系统2进行热能的存储；月夜时外界的温度低，储热模块9温度高，温差发电模块10正常供电，同时利用储热模块内部储存的热量进行供热。

热电输送子系统4包括热泵11、热流输送管路12、调节阀门13、直流交流转换14和智能控制单元15。所述电力输送通道包括直流交流转换14和智能控制单元15，电路外接直流交流转换器14、智能控制单元15，最终输送给月表建筑16及应用设备(例如月球车)。

所述光热存储-发电子系统3进口端与热泵11相连，以提供传热流体，热端出口端与热流输送管路12和调节阀门13相连，通过调节阀门13调节冷热流体流量实现热能的供应，最终通过管道输送给月表建筑16。传热流体在储热单元之间循环流动进行换热。

所述的热电输送子系统4的整体对热量与电能的调控基于智能控制单元16进行集中管理，热流管道和热电转换电路基于智能控制单元构成热电输送子系统，以应对月昼、月夜供热和供电模式的转换。

最终负荷子系统5包括月表建筑16和探月设备，所述月表建筑16利用压制成型的储热砖17构建，能够进一步促进建筑内热量的利用，热流体在月表建筑16与光热存储-发电子系统3间循环流动，形成有效的输送闭环。

光热存储-发电子系统内部安置多个压制成型的圆柱形储热单元，单元通过显热和潜热存储热量，彼此规则排列，存在一定的间隙，便于传热流体的换热。储热模块上端设置有二级聚光镜对首次聚集侯的太阳光进行二次集热，吸收热量并存储。在储热单元的外侧最外侧包裹有很厚的热电转换材料。材料的外侧与月壤直接相连，向内为保温材料，然后另一层热电转换材料内侧与储热单元相连，分别构成许多连续有效的N极和P极，连接起来组成温差发电模块。

本发明在充分来考虑月球原位资源的前提下，提出一种基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统。该系统基于月球表面的地理条件和能源条件，将太阳能光热技术、温差发电技术、显热与潜热储热技术等进行统筹联合，构建了一套高效、稳定、连续的月球基地能源供给系统。首先，该系统以太阳光最为系统最初的能源来源，通过光谱跟踪-聚集子系统将太阳光转化为热能进行发电-存储。同时，结合月球表面存在许多月坑和巨大熔岩管道，即受保护的地下深坑，将这些月球原位资源作为光热存储-发电子系统良好的安置地，搭建安全、高效的热能利用模块。其中，储热模块将月表材料进行利用，压制圆柱形显热或潜热储热单元。温差发电模块的内外两端分别布置在深层月壤和储热模块之间，多组串联的PN节逐渐累加电压，形成有效电流。另外，最终负荷子系统值得为月表建筑和探月设备，月表建筑同样利用储热砖进行搭建。

当月昼或太阳能照射充足时，温差发电模块外的月表土壤温度远高于内部的储热介质的温度，光-热-电联合转换正常运行，基于温差发电将光能转变的电能，并将多余的热量存储到储热单元中。当月夜或太阳光照射不足时，月表外的温度相对于储热介质的温度低很多，再次构成有效的温差环境，实现月球基地电能的稳定供应，同时，子系统内部的储热介质还承担着热能的供应，调节因为光照变化而对月球基地电-热稳定、连续供应的影响。

长时间的太阳照射使得光能利用成为月球基地能源供应的首要选择对象，光-热-电转换是能源利用的基础方式，相较于光伏发电具有效率高、寿命长，设计简单等优势，通过配合储热系统，能够实现基地在长时间的月夜期间能源的稳定供应；同时月球表面大量的储热介质，保障了原料的来源。

由于陨石的撞击和月球自身地理活动的，月球表面存在大量的月坑和巨大熔岩管道，他们可以认作为一个受保护的地下深坑，不会出现剧烈的温度变化，同时免遭辐射轰炸和陨石撞击。因为这些优势的存在，它们能够充当未来月球基地建设的原位资源，建设栖息地和能源系统。

综上所述，结合月球原位资源，基于月壤温差和光-热-电联合发电技术，能够保障月球基地能源系统的稳定、长时间供应，推动人类在月球表面的长期驻留，进一步探索外太空。

本发明所述的基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统主要可以分为五个子系统：太阳能热源端、光谱跟踪-聚集子系统、光热存储-发电子系统、热电输送子系统和最终负荷子系统。为了描述其功能性，可以存在以下工作模式：

1.独立运行模式：即只依靠该系统为月球基地供应所需能源，光热存储-发电子系统是最为核心的部分，基于温差发电实现电能的供应，依靠储热技术实现不同时刻光-热-电的稳定、连续输出。在月昼光照充足时，太阳能通过光谱跟踪-聚集子系统汇集到光热存储-发电子系统前端的二次聚光镜上，投射到储热单元上，使其温度逐渐升高，并存储热能。相较内部的储热单元，子系统外部的月壤温度足够高，使得温差发电能够正常运行。当月夜或者太阳光照射不足时，光谱跟踪-聚集子系统停止工作，光热转换暂时停止。但由于太阳光照射充足期间存储了大量的热能，储热单元的温度相较于系统外月壤的温度要高很多，温差发电仍然能够顺利进行。另外，热泵循环输送传热介质将储热单元部分热量，保障月球基地内部的保暖。

2.联合供能运行模式：该模式是结合光伏发电或核能发电技术，完成更加智能、高效的月球基地能源供应。

(1)当联合光伏发电进行供能时，仍然面临太阳光变化引起的能源供应系统输出不连续不稳定的问题，在太阳光照充足时，光伏发电是电力供应的主要部分，温差发电作为辅助供电部分，同时必须通过储热单元对额外的热能进行存储。太阳光经过光伏发电子系统后，直接供电给热电输送子系统，温差发电模块的供电作为辅助电源进行调节，基于智能控制单元保障月球基地电力供应一直处于平稳状态。同时，光谱跟踪-聚集子系统仍然保持正常运行，将大多数的太阳光热存储到储热模块内的储热介质中，材料通过显热存储或潜热存储的方式储存热量。当太阳光照不充足或处于月夜时，光伏发电停止工作，仅依高温储热介质与低温月壤间形成的温差进行发电，同时传热流体在热泵的工作下在管路中循环，传递储热介质存储的热量，为月球基地提供日常所需的热量。

(2)当联合核能发电进行供能时，电力供应能够保证长时间的连续、稳定。本发明作为辅助系统，能够进一步提高月球基地的热-电利用效率。核能发电子系统为重要的场所进行供电，并将反应生成的额外热能存储进储热模块中。光热存储-发电子系统基于温差发电完成辅助发电，并保证月球基地整体的供暖。

本发明所述的基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统主要工作原理描述如下：

基于月球表面的地理条件和能源条件等原位资源，该系统以太阳光作为系统最初的能源来源，并将主要的部分安置于月球表面的月坑或巨大熔岩管道，以搭建搭建安全、高效的热能利用模块。该系统主要可以分为五个子系统：太阳能热源端1、光谱跟踪-聚集子系统2、光热存储-发电子系统3、热电输送子系统4和最终负荷子系统5。

光谱跟踪-聚集子系统2包括自动跟踪反射镜6和初次聚光镜7，能够智能化跟踪太阳光的照射移动轨迹，并将太阳光聚集投射到光热存储-发电子系统3中，光热存储-发电子系统3前端安置二次聚光镜8，将太阳光进行再次聚集、产热，子系统3的内部放置有多组储热模块9，外部安放温差发电模块10。温差发电模块10的内外两端分别布置在深层月壤和储热模块9之间，多组串联的PN节逐渐累加电压，形成有效电流。另外，最终负荷子系统5值得为月表建筑16和探月设备，月表建筑同样利用储热砖进行搭建。

当月昼或太阳能照射充足时，温差发电模块10外的月表土壤温度远高于内部的储热模块9的温度，光-热-电联合转换正常运行，基于温差发电将光能转变的电能，并将多余的热量存储到储热模块9中。

当月夜或太阳光照射不足时，月表外的温度相对于储热模块9的温度低很多，再次构成有效的温差环境，实现月球基地电能的稳定供应，同时，光热存储-发电子系统3内部的储热模块9还承担着热能的供应，调节因为光照变化而对月球基地电-热稳定、连续供应的影响。

本发明提出了一种基于太阳能和月球原位资源利用的月球基地能源供给系统，通过温差发电和光热电联合技术，实现月球基地能源的闭环连续稳定供能。月坑或熔岩管形成的地下掩蔽场所可作为集储热-发电一体化模块的天然安置地，坑内规则安置大容量、高密度的储热单元，通过在月球表面安置的大量自动跟踪反射镜及聚光镜，引入太阳能光热，完成系统热能的存储，提高系统的能量利用并为基地提供热能。储热模块最外侧包裹致密、高效的温差发电材料，基于储热模块与外界环境之间的温差，实现月昼、月夜不同时刻的连续电能供应，保证月球基地能源的稳定需求。同时月球基地的建筑同样结合储能进行搭建，后期可进一步开发智能的能源管理系统，实现光-热-电的稳定高效转换利用。对推进月球基地的开发与建设、进一步实现外太空探索具有重要的科学和工程价值。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。