基于月球原位资源与热泵储电的月球基地能源系统及方法

1.本发明属于空间能源技术领域，特别涉及一种基于月球原位资源与热泵储电的月球基地能源系统及方法。


背景技术：

2.月球基地作为执行月球探测任务的重要试验验证平台，其能源系统设计至关重要，属于月球基地设计阶段的关键核心任务之一。月球表面具备特殊的环境，首先，月球自转周期较长，为一个恒星月，约为28个地球日，其中月昼14日，月夜14日，月昼与月夜的持续时间均较长；其次，月昼时月球表面温度高达130℃，而月夜期间降至-150℃，昼夜温差变化极大；最后，月球表面无大气、海洋河流及生物存活，使得在地球上广泛采用的风能、海洋能、水能和化石能等均无法使用。这些特征均对于月球基地能源系统的稳定运行影响极大，在设计月球基地能源系统时需要充分考虑这些因素带来的影响。
3.根据月球可供利用的原位能源资源类型，月球基地能源系统可分为太阳能发电技术、月壤温差发电技术、太阳风发电技术和空间核反应堆发电技术等几种形式。
4.月壤温差发电技术基于塞贝克效应，利用深层月壤的恒温层与月壤表面较大的温度变化所带来的温差来实现持续热电转换，即月昼期间以月面为热源，月壤恒温层为冷源；月夜期间以月面为冷源，月壤恒温层为热源。然而，该发电技术输出功率水平低，仅适用于固定地点探测用传感器的长时供能，不适用于功率需求高的月球基地。太阳风发电技术利用磁场收集直接到达月球表面的太阳风中的电子实现发电，但该技术发电功率小，且只能在月昼期间运行，使得该技术不能满足月球基地大功率、持续稳定的能量需求。空间核反应堆发电技术利用月球克里普岩中富含的钍和铀元素，就地开采可实现核裂变发电，但目前该技术在月球实现难度极大，近期基本不具备可实现性。
5.太阳能发电技术包含太阳能光伏发电和太阳能光热发电两种具体形式。无论哪种形式，虽然在月昼期间均可保证月球基地的能源稳定供应，但在无太阳照射的漫长月夜或日食期间均无法正常供能。相比而言，太阳能光伏发电是航天领域应用较为成熟的技术，但需要配置一定的储能装置才能实现月球基地的持续稳定供能。现阶段航天领域主要使用的储能装置主要是蓄电池，依靠蓄电池组存储月昼期间的多余电能供月夜期间使用。然而，这种“太阳能光伏-蓄电池”配置在当下太空探测任务中能量的短时小容量需求层面具有优势，而不适用于作为月球基地能源系统配置的长时大容量储能装置。另外，蓄电池能量密度低，需要较大的重量资源才能满足月球基地长时大功率存储的需求，同时循环寿命短，在月球环境下无法处理蓄电池废料，且在月夜的低温环境下其性能会显著下降，均限制了太阳能光伏发电系统在月球基地的应用。
6.综上所述，月球基地作为月球探测的重要科考平台与前沿基地，其稳定可靠的能源系统设计至关重要。现阶段在航天领域应用已经成熟的太阳能光伏发电技术仍是月球基地能源系统的首选，但该系统在漫长的月夜或日食期间存在无法供能的问题，需要配置长时大功率储能装置来解决。目前航天领域应用最多的储能装置是蓄电池，但该技术在短时
小容量需求层面具有优势，对月球基地的长时大容量储能需求并不适用；且蓄电池能量密度低，需要较大的重量资源，同时循环寿命短，在月球环境下无法处理蓄电池废料，且在月夜的低温环境下其性能会显著下降。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于月球原位资源与热泵储电的月球基地能源系统及方法，以克服当前月球基地的能量持续稳定供应问题，本发明能够提高月球基地能源供应的可靠性与安全性。
8.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.基于月球原位资源与热泵储电的月球基地能源系统，包括太阳能光伏发电系统、热泵储电系统和月球基地负荷，所述太阳能光伏发电系统的输出端分别连接至热泵储电系统和月球基地负荷，所述热泵储电系统的输出端连接至月球基地负荷；
10.所述热泵储电系统包括电机和月壤蓄热器，所述电机的第一输出轴通过第一离合器连接至主压缩机和辅助透平，所述主压缩机的出口端连接至月壤蓄热器的第一入口端，所述月壤蓄热器的第一出口端连接至辅助透平，所述辅助透平的出口端通过加热器连接至主压缩机的入口端；
11.所述热泵储电系统还包括主透平和辅助压缩机，所述电机的第二输出轴通过第二离合器与主透平和辅助压缩机连接，所述月壤蓄热器第二出口端连接至主透平的入口端，所述主透平的出口端通过冷却器连接至辅助压缩机的入口端，所述辅助压缩机的出口端连接至月壤蓄热器的第二入口端；
12.所述月壤蓄热器和加热器均设置在月壤的恒温层中；
13.所述热泵储电系统包括储能、释能和空闲三种运行模式，当热泵储电系统处于储能模式时，所述电机作为电动机，当热泵储电系统处于释能模式时，所述电机作为发电机。
14.进一步地，所述月壤蓄热器采用固体填充床式蓄热装置，所述固体填充床式蓄热装置的外壳采用登月舱下降级推进系统燃料罐，所述固体填充床式蓄热装置的填充物采用月壤压制球体，所述月壤压制球体的密度为2500～3000kg/m3，导热系数为1.5～2.1w/mk。
15.进一步地，所述月壤蓄热器设置有1个或多个，当设置多个时，多个月壤蓄热器串联或并联设置。
16.进一步地，所述电机、主压缩机和辅助透平同轴设置，形成轴系ⅰ。
17.进一步地，所述电机、主透平和辅助压缩机同轴设置，形成轴系ⅱ。
18.进一步地，所述冷却器采用置于月球浅层月壤的内埋式冷却器或置于月球表面的辐射冷却器。
19.进一步地，所述主压缩机的出口端与月壤蓄热器之间设置有第一三通阀，所述第一三通阀的第一口连接至主压缩机，第二口连接至月壤蓄热器，第三口连接至主透平。
20.进一步地，所述月壤蓄热器与辅助透平之间设置有第二三通阀，所述第二三通阀的第一口连接至月壤蓄热器，第二口连接至辅助透平，第三口连接至辅助压缩机。
21.基于月球原位资源与热泵储电的月球基地能源运行方法，包括储能模式、释能模式和空闲模式；
22.在月昼时，太阳能光伏发电系统将太阳辐射转换为电能，除提供给月球基地负荷
外，剩余部分提供给热泵储电系统，此时，热泵储电系统运行于储能模式，电机运行于电动机模式，第一离合器啮合，第二离合器断开，太阳能光伏发电系统剩余电能驱动电动机带动主压缩机运行，对低温低压气体进行压缩使其升压升温，获取高温高压气体；随后经第一三通阀进入月壤蓄热器进行放热后流出，将压缩热存储于月壤蓄热介质中；放热后的高压低温气体经第二三通阀流入辅助透平进行膨胀降压，生成低压、超低温的气体工质，同时辅助透平的膨胀功与电动机共同驱动主压缩机；最后，工质流入加热器中吸收月壤恒温层的热量进行升温，获得低压低温气体后再次进入主压缩机完成循环，以此重复循环完成储能过程；
23.在月夜时，热泵储电系统需运行于释能模式进行放电，对月球基地负荷进行能量供应，此时，电机运行于发电机模式，第一离合器断开，第二离合器啮合，低温低压的气体工质经辅助压缩机升压，经第二三通阀后流入月壤蓄热器中进行吸热升温，随后高温高压工质流经第一三通阀后进入主透平进行膨胀做功，驱动发电机和辅助压缩机旋转，发电机发出电能送给月球基地负荷，最后主透平的排气流入冷却器进行换热实现冷却，冷却后的工质再次流入辅助压缩机完成循环，以此重复循环完成释能过程；
24.在月昼期间，若热泵储电系统已充满，则热泵储电系统运行于空闲模式。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
26.本发明系统采用技术成熟的太阳能光伏发电作为能量转换技术，以月球原生能源资源太阳能为唯一能量来源，以热泵储电系统为储能装置进行长时大容量能量时空转移，将多余电能转换为热能存储于月壤蓄热器内，分别采用热泵循环与热机循环实现储能与释能，采用热泵储电装置与太阳能光伏发电系统相结合，来满足月球基地对于储能装置的长时大容量需求，实现月球基地的能量持续稳定供应，该技术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。
27.进一步地，该月球基地能源系统利用月球原位资源，月壤蓄热器利用导热系数和密度增大的加工月壤压制球体作为蓄能介质，且利用导热系数极低的原生月壤实现月壤蓄热器的保温；利用深层月壤中的恒温层作为储能循环回路的热源实现热泵循环的吸热过程；利用月夜期间的浅层月壤作为释能循环回路的冷源实现热机循环的散热过程，或利用深空低温环境作为释能循环回路的冷源以热辐射形式进行散热。
附图说明
28.说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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。
29.图1为本发明的基于月球原位资源与热泵储电的月球基地能源系统模式一工作示意图；
30.图2为本发明的基于月球原位资源与热泵储电的月球基地能源系统模式二工作示意图。
31.其中，1、太阳能光伏发电系统；2、月球基地负荷；3、电机；4、第一离合器；5、第二离合器；6、第一三通阀；7、第二三通阀；8、主压缩机；9、月壤蓄热器；10、辅助透平；11、加热器；12、主透平；13、冷却器；14、辅助压缩机。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明实施例做详细描述：
33.本发明的月球基地能源系统利用月球原位资源，采用热泵储电与太阳能光伏发电系统相结合，以适应月球基地对于储能装置的长时大容量需求，实现月球基地的能量持续稳定供应。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。
34.该月球基地能源系统主要包括太阳能光伏发电系统1、月球基地负荷2和热泵储电系统三大部分，热泵储电系统主要由电机3、主压缩机8、辅助压缩机14、月壤蓄热器9、主透平12、辅助透平10、加热器11、冷却器13、离合器和三通阀等部件组成。
35.该月球基地能源系统以太阳能为唯一能量来源，属于月球原位能源利用，月球基地负荷是该系统唯一负荷，热泵储电系统有储能、释能和空闲三种运行模式。在月昼时，通过太阳能光伏发电系统1实现太阳辐射向电能的转换，除了供给月球基地负荷2外，还将剩余电能提供给热泵储电系统进行储能，若充满时，系统运行于空闲模式；在月夜时，因无太阳辐射到达月球表面，热泵储电系统通过释能为月球基地负荷2提供能源供应。
36.在热泵储电系统的储能阶段，由电动机、主压缩机8、月壤蓄热器9、辅助透平10、加热器11和三通阀等组成储能循环回路，按热泵循环进行电能储存，电能转换为热能储存于月壤蓄热器9中。在释能阶段，由发电机、主透平12、辅助压缩机14、月壤蓄热器9、冷却器13和三通阀等组成释能循环回路，按热机循环进行电能生产，月壤蓄热器9中存储的热能转换为电能。在空闲阶段，系统不进行任何运行，仅有极少量月壤蓄热器能量耗散。
37.月壤蓄热器9为固体填充床式蓄热装置，是系统进行能量储存的唯一场所，其外壳采用保温性能良好的登月舱下降级推进系统燃料罐，填充物采用经过加工的月壤压制球体，相比原生月壤，月壤球体密度和导热系数有较大提升，蓄热能力较好，本发明所采用的月壤压制球体的密度为2500～3000kg/m3，导热系数为1.5～2.1w/mk。同时，该月壤蓄热器9可采用多罐体并联结构或串联结构，并布置于深度月壤的恒温层中，其外部包裹物为大量未被加工且导热率极低的原生月壤，可保证月壤蓄热器的保温效果。该特征实现了月球原位资源的利用。
38.热泵储电系统的储能循环回路中主压缩机8、辅助透平10和电动机采用同轴布置形式，并在主压缩机8和辅助透平10与电动机之间设置有第一离合器4进行运行模式切换，储能时该第一离合器4啮合，电动机和辅助透平10驱动主压缩机8运行。热泵储电系统的释能循环回路中主透平12、辅助压缩机14和发电机采用同轴布置形式，并在主透平12和辅助压缩机14与电动机之间设置有第二离合器5进行运行模式切换，释能时该第二离合器5啮合，主透平12驱动发电机和辅助压缩机14运行。
39.热泵储电系统中采用的气体工质可选用氦气、氮气、氩气、空气或其混合物。一般多用氦气，因氦气等单原子气体具有较高的绝热指数，在高压比下易获得高温。
40.热泵储电系统的储能循环回路中加热器11采用置于月球深层月壤恒温层中的内埋式加热器，以月壤恒温层为热源对工质进行加热。热泵储电系统的释能循环回路中冷却器13可采用置于月球浅层月壤的内埋式冷却器，如图1，以月夜期间的低温月面环境为冷源进行散热，也可采用置于月球表面的辐射冷却器，以深空环境为冷源进行散热，如图2。该特征实现了月球原位资源的利用。
41.热泵储电系统属机械储能领域，具备高充放电循环次数、高使用寿命且易维护等优势。
42.热泵储电系统采用在月壤蓄热器中的热能存储进行能量储存，具备冷热电联供的潜质，可进行后续能源系统功能扩充，也可协助建设月球基地的热控系统。
43.实施例
44.参照图1，一种基于月球原位资源与热泵储电的月球基地能源系统示意图来详细描述其工作原理。该系统的主要部件包括太阳能光伏发电系统1、月球基地负荷2、电机3(储能阶段作为电动机，释能阶段作为发电机)、第一离合器4、第二离合器5、第一三通阀6、第二三通阀7、主压缩机8、辅助压缩机14、主透平12、辅助透平10、月壤蓄热器9、加热器11和冷却器13等。其中，太阳能光伏发电系统1为系统能源的唯一来源，将空间太阳能辐射转换为电能，月球基地负荷2为系统唯一负载，其余部件组成热泵储电系统进行能量的存储与释放，实现长时大容量能量的时空转移。月壤蓄热器9外壳采用保温性能良好的登月舱下降级推进系统燃料罐，填充物采用加工的月壤压制球体；同时，月壤蓄热器9布置在深度月壤的恒温层中，外部因包裹有大量未被加工且导热率极低的原生月壤，有利于月壤蓄热器的保温。储能循环回路的加热器以月壤恒温层为热源，释能循环回路的冷却器以月夜期间的月面浅层月壤为冷源或深空低温环境为冷源。
45.系统的主要工作原理描述如下：
46.在月昼时，太阳能光伏发电系统1将太阳辐射转换为电能，除通过线路a提供给月球基地负荷2外，剩余部分通过线路b提供给热泵储电系统。此时，热泵储电系统运行于储能模式，电机3运行于电动机模式，第一离合器4啮合，第二离合器5断开，并由主压缩机8、月壤蓄热器9、辅助透平10和加热器11沿实箭头所示逆时针方向组成储能循环回路。经线路b送来的太阳能光伏发电系统1剩余电能驱动电动机带动主压缩机8运行，对低温低压气体进行压缩使其升压升温，获取高温高压气体；随后经第一三通阀6进入月壤蓄热器9进行放热后流出，将压缩热存储于加工的月壤蓄热介质中；进而，放热后的高压低温气体经第二三通阀7流入辅助透平10进行膨胀降压，生成低压、超低温的气体工质，同时辅助透平10的膨胀功经轴系i与电动机共同驱动同轴布置的主压缩机8；最后，工质流入加热器11中吸收月壤恒温层的热量进行升温，获得低压低温气体后再次进入主压缩机8完成循环。以此重复循环完成储能过程。
47.在月夜时，因无太阳辐射，使得太阳能光伏发电系统1无电能输出，此时热泵储电系统需运行于释能模式进行放电，经线路c对月球基地负荷2进行能量供应。此时，电机3运行于发电机模式，第一离合器4断开，第二离合器5啮合，并由主透平12、冷却器13、辅助压缩机14和月壤蓄热器9沿空箭头所示顺时针方向组成释能循环回路。低温低压的气体工质经辅助压缩机14升压，经第二三通阀7后流入月壤蓄热器9中进行吸热升温，随后高温高压工质流经第一三通阀6后进入主透平12进行膨胀做功，驱动同轴布置在轴系ii上的发电机和辅助压缩机14旋转，发电机发出电能经线路c送给月球基地负荷2，最后主透平12的排气流入冷却器13通过与月夜浅层月壤换热实现冷却，冷却后的工质再次流入辅助压缩机14完成循环。以此重复循环完成释能过程。另外，如图2所示，主透平12的排气也可流入辐射冷却器通过与深空低温辐射换热后冷却。
48.另外，在月昼期间，若热泵储电系统已充满，则其运行于空闲模式。
49.本发明系统采用在航天领域应用已经成熟的太阳能光伏发电装置为系统供能，利用月球原位资源，采用热泵储电装置与太阳能光伏发电系统相结合，来满足月球基地对于储能装置的长时大容量需求，实现月球基地的能量持续稳定供应。首先，该热泵储电系统将多余电能转换为热能存储于月壤蓄热器内，分别采用热泵循环和热机循环实现储能与释能。其次，该月球基地能源系统利用月球原位资源，在利用月球原生能源资源太阳能的基础上，还在月壤蓄热器使用导热系数和密度增大的加工月壤压制球体作为蓄能介质，利用深层月壤中的恒温层作为储能过程的热源，而且还利用月夜期间的浅层月壤或深空低温环境作为释能过程的冷源。
50.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。