月球基地太阳能-氢能互补能源系统的能量生成机制及昼夜运行特性评估

《Energy》：Assessment of energy generation mechanism and daytime-nighttime operation characteristics of lunar base solar-hydrogen complementary energy system

　　刘泽圈 | 陈玉婷 | 李继 Lu | 刘文倩 | 飞腾 | 秦江 | 梅洪源
哈尔滨工业大学复杂环境建筑研究所，哈尔滨，150001，中国

**摘要**
可持续的月球基地运行是深空探索的基石，但面临一个关键的能量瓶颈：在漫长的月夜期间缺乏热源。本研究提出了一种创新的封闭布雷顿循环（CBC）系统，该系统结合了氢氧燃烧和化学储能技术，具有三种运行模式，能够在整个阴阳周期内实现不间断的电力供应。建立了一种独特的电解-储存-燃烧化学途径，通过氢气将白天多余的太阳能传输到低或零太阳辐照条件下，完全符合月球原位资源利用的原则。开发了一个综合的热力学模型来模拟29.5个地球日的性能，并量化了关键参数（包括电解槽运行时间、功率分配和工作流体质量流量）的影响。结果表明，该系统将稳定的电力生成时间从约14小时延长到了整个月球周期，克服了物理热存储（如烧结月球表土）的关键限制。氢氧燃烧使得夜间电力达到千瓦级别，并在月球早/晚期间将热效率提高到15.5%，最佳燃烧转化为电能的能量回收率超过0.9。通过调整不同模式的运行时间，该系统实现了电能到化学能、再到燃烧能、再回到电能的全周期转换的最高效率为0.41。该系统还具有31.9 W/kg的优良功率重量比，略微超过传统CBC系统，这表明化学储能路径没有额外的质量负担。这项工作为持续月球能源供应提供了技术上可行的设计。

**引言**
人类深空探索的宏伟愿景正在稳步迈向环月空间的常规运行和可持续月球基地的建立。月球不仅是人类前往火星及更远地方的自然垫脚石，其氦-3等战略资源以及独特的低重力和高真空环境也使其成为进行空间科学实验、材料研究和天文观测的理想地点[1]。所有这些的核心前提是建立连续、稳定且高度可靠的能源供应系统，能源是月球基地生存支持、科学载荷运行和资源开发的生命线。其技术成熟度直接决定了深空探索的边界和范围[2]。
月球的极端自然环境对能源系统的设计提出了挑战，这些挑战远超地球或近地轨道遇到的情况。其中，长达14个地球日的月夜是核心瓶颈。在每个月夜期间，基地完全失去了太阳辐射。这一特性使得传统的依赖太阳能的电力解决方案无效：无论是光伏阵列还是聚光太阳能系统，在月夜期间都无法产生任何电力[3]。此外，持续的低温度会严重降低能源存储设备的性能和寿命。能源中断不仅威胁到基地生命支持系统的瘫痪，还会使长期科学观测和资源开发变得不可持续，成为月球基地从短期停留向长期定居转变的关键障碍。
为了解决月夜期间的能源短缺问题，学术界和工业界提出了各种解决方案，但每种方案都有显著的局限性[4,5]。大规模电池储能是最直接的方法，即在月球白天储存多余的电力以供夜间使用[6]。然而，受电池能量密度和低温性能的限制，要满足基地几周内的能源需求需要极其庞大和沉重的电池组，这会显著增加发射成本和着陆复杂性[7]。核能系统（如放射性同位素热电发电机（RTG）或小型核反应堆）可以在白天和夜晚提供连续电力[8,9]，但它们涉及高技术复杂性、严格的核安全和辐射防护要求，并且在深空环境中面临燃料补给和设备维护的困难。
针对月夜期间能源中断的核心问题，主要解决方案在于热存储技术的发展[5,[10], [11], [12]]。这些热能存储系统通常与热力学循环（如封闭布雷顿循环（CBC）相结合，在月夜期间将存储的热能转化为电能[[13], [14], [15]]。胡等人[16]对不同堆叠配置下的压缩月球表土的热传递性能进行了详细分析，以驱动斯特林循环系统。谭等人[6]使用烧结月球土壤作为热存储介质，实现昼夜连续电力生成，产生6.3 kW的电力，并形成了与光伏电池、电池和其他组件的集成能源利用系统。张等人[17]提出使用烧结月球表土在月夜期间驱动有机朗肯循环（ORC）系统，以实现连续的电力和热供应。程等人[11]也在月夜期间使用烧结月球表土作为热源，为热电发电和CBC耦合系统提供驱动能量，在月夜期间实现了超过15%的能量转换效率。然而，这样的显热解决方案需要数千吨的烧结月球表土和极高的工业能力，目前尚不可行。
在化学热存储领域，现有研究提出了利用氧化钙（CaO）/氢氧化钙（Ca(OH)2的水合-脱水循环反应在月球表面实现热吸收和释放。目前关于将CaO/Ca(OH)2化学热存储与CBC系统结合用于夜间电力生成的研究非常有限，这种耦合的实际挑战大多尚未探索（反复的热循环会导致CaO/Ca(OH)2颗粒的烧结和团聚，降低比表面积并影响长期循环稳定性[18,19]）。
为了完全避免这些限制，一种可行的方法是将化学能源存储转向以气体物质作为载体的方法，即氢能源存储。氢能源存储不涉及固体颗粒的反复烧结和团聚，从而从根本上防止了材料退化。更重要的是，氢能源存储与月球原位资源利用（ISRU）的概念完全契合：月球极地地区已确认的水冰资源可以通过电解直接分解为氢和氧，无需从地球运输任何反应物。这不仅可以完全消除CaO/Ca(OH)2系统所需的反应物供应问题，还可以利用氢的超高重力能量密度（120 MJ/kg [20]），实现长达14个地球日的跨周期能量存储，体积和质量更小。因此，将氢能源存储引入月球基地的能源系统不仅是传统化学热存储限制的有效突破，也是一种高度适应月球环境、能够进行长期循环运行的技术途径。
将氢能源高效整合到月球基地的连续电力供应系统中仍面临关键挑战。一个关键挑战在于开发一个涵盖氢生产、存储和利用的完整热力学循环，以实现整个阴阳周期内的高效和适应性运行。在这个系统中，氢存储在月球环境条件下代表了最关键的瓶颈。正如李等人[21]所展示的，结合主动和被动热防护以及沸腾氢回收可以有效解决液态氢泄漏和蒸发损失问题。然而，目前使用燃料电池进行供电的典型方法[22,23]仍然依赖必须从地球运输的关键组件（例如膜电极组件和双极板）。更重要的是，仅10,000小时的工作寿命不适合月球操作。
为了解决这个问题，本研究提出并深入分析了一个创新的集成能源系统。该系统的核心创新在于将氢氧燃烧室（COMB）作为另一个核心热源组件，与太阳能收集器（SC）一起直接整合到统一的封闭布雷顿循环框架中。这种整合不仅使月夜期间能够通过氢氧燃烧产生电力，还具有独特创新优势：在月球昼夜过渡期间，氢氧燃烧可以补充太阳能热循环的热量。化学能源可以实时利用，提高涡轮机入口温度，从而在月球表面早晨和傍晚太阳能收集能力下降时显著提高系统的动态效率。

**主要贡献**
本研究主要有四个方面的贡献：首先，开发了一个涵盖光收集、电解、燃烧、涡轮机械和热交换器的完全集成系统的综合热力学模型。同时，提出了基于太阳辐射强度的三种模式切换逻辑，即模式1、模式2和模式3。其次，该模型用于定量分析整个月球周期内系统的连续千瓦级电力生成性能和总体能量转换效率，清楚证明了燃烧整合带来的系统动态性能提升。第三，参数分析阐明了关键设计和运行变量（包括电解槽运行时间、功率分配和工作流体质量流量）对系统性能的影响。最后，基于结果制定了操作指南，以平衡即时电力生成与氢存储需求，确保夜间供应的稳定性。这项工作为可持续月球基地能源系统提供了一种可行且高效的技术途径，推进了ISRU驱动的化学能源存储概念。

**系统描述**
利用氢氧燃烧的月球基地能源系统可以在太阳能可用性较低的时间内显著提高电力生成性能。它主要由燃烧室（COMB）、电解氢生产设备（EHP）、涡轮机（TUR）、压缩机（COM）、太阳能收集器（SC）、再生器（REG）和散热器（RAD）等组成，如图1所示。该系统可以分为三种运行模式：类型1、太阳能氢生产

**假设**
为了建立易于处理的数学模型，同时保留所提出的月球基地能源系统的基本热力学特性，做出了以下假设[22,[26], [27], [28]：
(1) 系统在每个时间步长下处于稳态条件，所有热力学过程均视为平衡状态。
(2) 忽略了所有连接管道和组件（指定热交换器、太阳能收集器和散热器除外）中的压力降和热损失。

**模型验证**
由于所提出的集成月球基地能源系统是一个前瞻性的概念设计，当前尚未在公开文献中找到关于整个集成系统在月球条件下的直接实验数据或已发表数据。然而，本文通过以下两个方面证明了我们数值模型的可靠性：

**结论**
本研究提出并分析了一种创新的封闭布雷顿循环（CBC）能源系统，用于月球基地，结合了氢氧燃烧。该系统通过水电解实现化学能源存储以生产氢，并利用氢氧燃烧作为辅助或主要热源。其目的是解决极端月球环境中的连续和稳定能源供应核心挑战，特别是在月夜期间。

**作者贡献声明**
刘泽圈：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、软件、调查。
陈玉婷：项目管理、方法论。
李继 Lu：调查。
刘文倩：软件。
飞腾：监督、软件。
秦江：监督。
梅洪源：监督。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52238002、52508010）、黑龙江博士后基金（编号LBH-Z25149）和CSCEC科技研发计划（授权编号CSCEC-2025-Z-30）的财政支持。