[发明专利]基于月球原位资源的月基跨临界二氧化碳储能系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于月球原位资源的月基跨临界二氧化碳储能系统及方法，本发明利用二氧化碳工质及其跨临界循环在效率高、结构紧凑轻小一体化而降低地月发射重量方面的优势，结合月球原位资源的月壤与深层月壤恒温层，可高效实现电能的储存与释放。另外，该月基储能系统属机械储能领域，具备高循环次数、高使用寿命和易维护等优势。本发明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。

技术领域

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的月基跨临界二氧化碳储能系统及方法。

背景技术

月球作为深空探测的首要目标，已引起世界各航天强国的重点关注。月球基地是未来人类进行深度月球探测的基础设施，其能源持续稳定供应至关重要。现阶段，基于月球原生资源情况，适用于月球基地的主流能源系统设计有太阳能光伏发电系统、太阳能光热发电系统和空间核反应堆发电系统等形式。

然而，月球自转周期为一个恒星月，约为28个地球日，其中月昼14日，月夜14日，月夜持续时间长；同时，月表温度在月昼期间可高达130℃，而月夜期间可降至-150℃，昼夜温差变化极大。这种特殊月球表面环境对于月球基地能源系统的稳定运行影响极大。对于以太阳能利用为基础的太阳能光伏发电系统和太阳能光热发电系统来说，漫长的月夜期间没有太阳辐射，使得该系统无法正常无间断稳定供能；对于空间核反应堆发电系统来说，因月球表面温度的大范围变化使得月球基地热控负荷改变以及科学考察任务安排，使得负荷存在峰谷值，对于特定设计功率的系统而言，也无法正常按需无间断供能。因此，需要月基储能系统与这些能源系统进行耦合，实现时间上的能量转移，以达到稳定持续供能的目的。

现阶段，月球基地潜在的可选择储能技术应为航天领域已经应用或计划应用的储能技术，主要有蓄电池、燃料电池和热储能等方式。蓄电池虽然是航天领域的成熟应用技术，但能量密度低，需要较大的重量资源才能满足月球基地长时间大功率存储的需求，同时其循环次数有限，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，使得其不能作为月球基地的主储能设备，仅可作为月面科考活动设备的储供能技术。燃料电池系统存在因充放电效率低而导致自身损耗大的缺点，另外燃料电池也需要地月发射过程中输送大量的氢氧或水等物质，以适应月球基地大功率、长时间的储能需求，增大了发射质量。月球基地配套的热储能技术需要配置大容量蓄热装置及蓄热工质，重量高不利于运送至月球，且热机的热电转换过程部件多，降低了其运行可靠性。

综上所述，随着航天事业的飞速发展，月球基地的建设迫在眉睫，稳定可靠的能源系统是月球基地建设的重要保障，使得储能系统必不可少。一般，月球基地潜在可选择的储能技术应为在现阶段航天领域已经使用或计划使用的技术，但更应适应月球基地大容量、长时间和高使用寿命的储能需求。蓄电池技术虽然在多数航天器中成功使用，但是受限于低能量密度和有限的循环次数，无法满足空间基地大功率存储的要求；燃料电池系统以氢为储能载体，存在效率低，自身耗电量大的缺点，且需要大量的氢氧或水等物质，增加了地月发射重量；热储能技术需要大容量蓄热装置及蓄热工质，增大了发射重量，且热机转换过程部件多，运行可靠性低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于月球原位资源的月基跨临界二氧化碳储能系统及方法，以克服当前月球基地的能量高效存储问题，本发明能够实现月球基地能量的持续稳定供给，提高月球基地能源供给的可靠性与安全性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于月球原位资源的月基跨临界二氧化碳储能系统，包括电动机、二氧化碳压缩机、月壤蓄热器、换热器、二氧化碳膨胀机、二氧化碳透平、回热器、二氧化碳增压泵和发电机；

所述二氧化碳压缩机通过电动机驱动，所述二氧化碳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二氧化碳膨胀机的入口端，所述二氧化碳膨胀机的出口端连接至换热器的第一入口端，换热器的第一出口端连接至二氧化碳压缩机的入口端，所述二氧化碳膨胀机与二氧化碳压缩机相连，用于将膨胀功补充给二氧化碳压缩机；