空间热光伏发电技术进展与展望

空间同位素电源是通过热电转换技术将衰变热能转换为电能的空间电源装置,广泛应用于深空探测任务中太阳能电池无法使用的任务场景,其热电转换方式包括温差、热光伏等静态转换方式以及斯特林、布雷顿等动态转换方式。空间同位素电源普遍使用钚238核源,其制备生产困难,价格高昂,在全球范围内产能受限,同时,长周期的深空探测任务对同位素电源寿命也提出较高要求,因此热电转换效率高、易于实现长寿命的空间热光伏发电技术成为开展深空探测任务的优选技术路线。近年来,近场热光伏、基于光谱调控的热光伏技术是研究重点,结构热控、辐射器、滤光器、电池晶元等关键器件的理论研究与技术验证也取得了显著的进展。对热光伏空间同位素电源技术方案、关键器件研究情况进行了综述,从电源系统总体设计的角度对各器件的发展现状与未来技术的发展重点方向进行了研判,可为进一步推动热光伏同位素电源系统的工程化研制提供参考。

空间同位素热光伏转换技术研究现状

针对我国月球探测等深空任务在极端环境下对高效率、长寿命核电源发电技术的需求,基于热光伏转换技术效率高、静态工作稳定性好等技术特点,重点介绍了与通用标准热源GPHS相匹配的空间同位素热光伏式发电系统技术研究工作。结合未来可能的应用前景,调研了国际国内同位素热光伏发电领域的研究现状和最新进展,阐述了国内空间同位素热光伏转换发电技术研究的技术水平,力争为我国月球科研站等任务核电源新型发电技术的发展提供有益的参考。

同位素热光伏系统辐射场分布及衰减率研究

开展深空、深海探测任务必须解决长周期能源供给问题,同位素热光伏电源(RTPV)系统是重要的解决方案之一,RTPV系统性能衰减研究是开展工程化设计的基础。本工作系统地计算了250 W^(238)PuO_(2)通用热源(GPHS)的功率衰减情况,利用蒙特卡洛方法模拟了RTPV系统内部的辐射场分布,最终结合国外相关实验得到RTPV系统的衰减率。当电池系统服役20 a时,热功率下降导致系统转换效率下降的年衰减率为0.5%;富氧情况下^(238)PuO_(2)源产生的中子辐照导致GaSb晶元转换效率下降的年衰减率为0.7%;综合考虑功率衰减及中子辐照影响,RTPV系统的年衰减率为1.2%。