关于分段式热电发电机在月球昼夜温度条件下用于原位供电的潜力初步研究

《Aerospace Science and Technology》：A Preliminary Investigation on the Potential of Segmented Thermoelectric Generators for In-Situ Power Supply under Lunar Diurnal Temperature Conditions

　　辛旭|郑佳欣|孙立成|高天一|龙希亭|王军|李存宝|莫正宇|杜敏|李标|谢和平
中国四川省成都市四川大学水资源与水电学院，深部地下工程智能建造与健康运维国家重点实验室，邮编610065

**摘要**
随着月球探索向长期、大规模任务发展，构建稳定且可扩展的现场能源系统变得愈发重要。本研究在月球表面及月壤温度共同作用条件下，分析了由两对PN结组成的热电模块的热电性能，以评估热电发电机技术在月球表面供电方面的应用潜力。在单层热电模块分析基础上，提出了分段式热电模块，以更充分地利用温度梯度，并系统分析了结构配置与材料组合对热电性能的影响。分段式热电模块通过优化温度与性能的匹配度，展现出显著优势。在极端条件下，其效率可超过10%，经过几何优化后进一步提升至12.4%，最大输出功率可达1.128瓦特。为评估热电发电机的实际可扩展性及供电潜力，研究从两对PN结的热电模块逐步扩展到199对PN结的模块，最终形成1平方米规模的热电阵列。实验结果表明，该阵列在每个月球周期（29.53个地球日）内的累计发电量约为1962千瓦时，最大输出功率密度可达5千瓦/平方米。这些发现表明，分段式热电发电机为未来月球任务提供可扩展、可靠的能源供应方案，尤其在漫长的月球夜晚环境中具有重要价值。

**引言**
月球因其独特的地理特征、稳定的表面环境以及作为深空探索通道的战略地位，在科学研究和技术示范方面具有不可替代的优势[1][2]。随着NASA的“阿耳忒弥斯”计划和中国国家航天局的国际月球科研站计划的推进，中美两国均提出在2035年前建立月球基地的计划[3][4][5][6]。此外，俄罗斯和欧洲航天局等其他航天机构也将月球基地建设纳入其长期深空探索战略中[7][8][9]。因此，国际社会越来越认同建立月球基地的必要性，这进一步凸显了月球在科学研究、技术进步以及地缘政治中的重要地位[6][10][11]。一个能够持续运行的月球基地是人类向深空拓展并实现长期可持续发展的关键基石。然而，随着建设工作的加速，能源供应日益成为确保系统持续稳定运行的核心制约因素[12][13]。月球表面昼夜温差极大，且缺乏大气保护，这使得传统的地球能源技术难以直接应用。在这种背景下，开发高效且具备可持续性的能源系统不仅是一项技术要求，更是推动月球探测不断发展的核心动力[14][15]。

为应对未来月球基地日益增长的能源需求，已有诸多供电方案被提出[16]。在月球基地的潜在能源来源中，光伏发电因受到月球极端环境的多重影响而面临诸多瓶颈。漫长的月球夜晚（约14.77个地球日）会导致发电过程频繁中断[17]。在月球白昼，光伏电池的效率还会受到高温（每升高1摄氏度效率下降约0.1%）、强辐射（效率损失5%~25%）以及黏附性极强的月尘覆盖的影响[18][19][20]。目前，电池和燃料电池等储能技术尚无法在整个无光期维持供电[21][22]。为解决这一难题，全球范围内的研究正在转向替代性和辅助性能源。热电发电机因其能够利用热电材料将热量直接转换为电能而备受关注[23]。这类系统可以利用现场资源运行，且由于依赖固态工艺而非移动部件，具有较高的可靠性。月球表面与月壤中的热层之间存在超过100开尔的稳定温差，为热电能量转换提供了理想条件[24]。利用这一自然温差，基于热电发电机的系统有望为未来的月球设施提供持续稳定的电力供应[25]。

放射性同位素热电发电机在深空任务中的成功应用，充分证明了热电发电机在地球外环境中的可行性。对于远离太阳的航天器而言，光伏发电已难以满足能源需求，而放射性同位素热电发电机则能将放射性同位素衰变产生的热量转化为电能，因此成为深空任务不可或缺的能源形式[26][27][28]。美国和俄罗斯是放射性同位素热电发电机技术的先驱和主要使用者[29][30]。2018年，中国通过“嫦娥四号”任务在月球背面部署了首台放射性同位素热电发电机，为南极艾特肯盆地的极端环境中的关键系统提供了可靠的电力支持[31]。不过，由于材料本身的物理特性，放射性同位素热电发电机的转换效率仅约为6.7%[32]。与放射性同位素热电发电机不同，热电发电机利用环境中的温度差异，因此在应用场景上具有更大的灵活性[31]。放射性同位素热电发电机的长期、安全且高效的运行，充分证明了热电发电机作为太空能源的可行性，同时也为月球科研站的能源供应提供了重要的技术解决方案。

近期研究通过概念设计及初步实验验证，证明了热电发电机可用于实现可持续的月球能源供应。许多研究人员提出利用月球表面的昼夜温差来驱动热电发电机，以为月球基地提供可持续的能源支持。谢等人[33]提出了一种基于月球昼夜温度变化的现场能源供给方案，并设计了利用月球温度差的光伏发电技术。在月球白昼，系统以表面为热端（400开尔文），月壤为冷端（256开尔文）；而在月球夜晚，则反向运行。齐等人[34]开发了一种基于就地资源利用的热电发电机实验系统，该系统包含近乎绝热的月壤和储能单元。在10.12瓦特的输入功率下，该系统的最大能量转换效率达到了1.19%。在连续三个月球日的测试中，月球夜晚阶段的能量输出达到了0.111兆焦，这证明了在极端月球环境下，热电发电机系统能够实现持续供电。然而，由于在实验中难以重现长期、极端的月球环境，因此通过对热电发电机性能的数值模拟，才能全面分析其在真实月球环境下的温度分布、输出功率及系统优化问题。

近期研究进一步聚焦于月球热电发电机系统的设计与优化，数值模拟成为重要的分析工具。刘等人[35]提出了一种基于热管的热电发电机系统，该系统利用就地烧结的月壤作为热能储存介质，重点研究了热电发电机在月球极端条件下的性能。数值模拟显示，该系统在月球白昼的最大能量转换效率可达7.6%，从而实现了全天候的持续供电，为早期月球基地的能源供应提供了可行的解决方案。金等人[36]通过数值模拟研究了多组储能热电发电机在月球栖息地中的应用性能。为提升热电发电机的瞬态性能并确保其在月球夜晚仍能正常工作，该研究采用了带周期性切换功能的独立储能结构、烧结月壤储能装置以及工作流体循环系统。Fleith等人[23]开发了一种基于就地资源利用的热能储存与热电发电机相结合的系统，该系统采用Bi2Te3热电材料，在66小时的月球夜晚期间仍能保持至少36瓦特的输出功率。尽管该系统体现了基于就地资源利用的能源自给能力，但要满足10千瓦的能源需求，大约需要420台热电发电机，总重量约82吨，需运送到月球上。这些研究表明，包括热能储存和热传递管理在内的系统级优化，能够显著提升基于热电发电机的发电系统的连续性和性能。目前，针对月球极端温度条件下的热电发电机的设计与实验验证仍不够充分。虽然已有研究报道了一些能够在低温下工作的热电材料，但现有研究主要集中在材料开发层面，很少考虑其与月球环境的适配性[13][37]。此外，材料本身的限制也制约了当前热电发电机系统的整体转换效率[38]。从实际工程角度出发，考虑到发射质量与运输成本等因素，有必要寻找更适合月球低温和高真空环境的热电材料，并在此基础上进一步优化器件级别的结构设计，从而推动热电发电机在月球基地中的应用与发展[39][40]。

由于热电材料的性能直接决定了热电转换效率，因此开发合适的材料体系已成为热电发电机研究的核心焦点。在热电发电机技术的发展过程中，各类热电材料体系呈现出明显的应用导向特征，且适用的温度范围也有所差异。随着对中高温废热回收及专用电源需求的增加，热电材料逐渐向更高工作温度方向发展。例如，铅碲矿（PbTe，工作温度500~1200开尔文）和硅锗合金（SiGe，工作温度800~1500开尔文）已趋于技术成熟，并成功应用于包括航天器用放射性同位素热电发电机在内的多种高温发电场景中[41][42]。然而，在低温环境下（低于300开尔文），大多数热电材料的性能会显著下降，整体能量转换效率通常低于10%，这一数值远低于其在中高温条件下的性能。传统的铋碲基材料由于在室温附近（300~500开尔文）具有优异的热电性能，长期以来一直主导着低温热电发电机的应用。这类材料的p型和n型材料分别能实现约1.35和0.9的热电优值[23][43][44]。因此，开发在低温环境下性能更优的热电材料，仍是实现月球热电发电机应用的关键前提。

近期研究致力于探索各种低温热电材料及器件，以提升其在极端温度条件下的性能。Lobunets[45]提出了一种利用液化天然气再气化过程中释放的冷能的低温热电发电机。在极端温度条件下（Tc=77开尔文，Th=293开尔文），使用Bi2Te3热电模块时，其转换效率可达8.85%。经过设计优化后，单个模块的输出功率可达到24~28瓦特。Parashchuk等人[46]采用热挤压技术制备了n型Bi0.91Sb0.09合金以及p型Bi1.6Sb0.4Te3热电电极。通过将商用Bi2Te3材料与自行设计的双级超低温模块相结合，该系统在低温条件下（Tc=180开尔文，Th=300开尔文）实现了整个p-n热电模块85毫瓦的最大冷却能力。其整体发电效率相比传统单级冷却器提升了近一倍，显示出在极低温度环境下的巨大应用潜力。Sidorenko等人[47]采用液相静水挤压技术，基于n型Bi-Sb材料（在300开尔文时的热电优值为0.95）开发了一种低温热电制冷器。该制冷器为矩形平行六面体结构，尺寸为16×2毫米，在热端温度为80开尔文时，其冷却能力可达0.4瓦特，其性能与单晶制冷器相当，同时机械稳定性也有了显著提升。这些研究证明了先进热电材料在低温应用领域的潜力，但其是否适用于月球环境仍有待进一步研究。

多层或分段式结构设计能够充分利用不同材料在其各自最佳温度范围内的热电转换潜力[48][49]。Kishore等人[50]基于Bi2Te3/PbTe异质结构优化了一种分段式热电发电机，在热端温度为873开尔文时，其最大转换效率达到了14.7%，相比传统非分段式热电发电机提升了67%。这一结果证实，多层结构能够显著提高能量转换效率。何等人[51]通过将高温热电材料La2Te3与中低温材料CoSb3和Bi2Te3相结合，构建了一种多层热电系统。这种结构使得热电转换效率从11.32%提升到了14.32%，同时输出功率也增加了35.67%。通过有效的温度匹配，多层设计显著提升了整体热电发电机的性能，尤其是将Bi2Te3的工作温度从602 K降低到356 K，从而大幅提高了能量转换效率。在存在较大温度梯度的航空航天应用中，分段式热电结构也展现出了类似的优势。程等人[52]为高超音速飞行器开发了一种多级热电发电机系统，并报告了18.38%的最高转换效率，这体现了通过分段架构实现级联热能利用的有效性。在后续研究中，程等人[53]进一步表明，与传统的单级系统相比，两级热电发电机配置具有更高的转换效率，因为不同的热电材料能够在更接近其最佳工作温度范围的情况下运行。基于这些研究成果，程等人[54]还将三级热电发电机架构引入到一体化高超音速飞行器能源系统中，从而扩展了可用温度范围并提升了整体系统性能。然而，现有的多层热电发电机设计主要侧重于高温环境下的材料组合，而针对低温段以及宽温度范围协同优化的研究则相对较少。因此，开发适用于低温和宽温度跨度条件的分段式热电发电机仍是一个重要的研究方向。本研究旨在解决月球基地在漫长的月夜期间的持续供电问题，同时探讨热电发电机在极低温度及剧烈温度波动条件下的应用潜力。尽管月球环境极为恶劣，但热电发电机仍能够捕获并转化月球表面的热能。它们凭借持续利用稳定温差发电的固有能力，成为一种具有前景的、长期可靠的能源来源。因此，在运输成本和系统可靠性等实际工程约束条件下，提高热电转换效率对于推动热电发电机在月球基地能源系统中的应用具有重要意义。具体而言，有必要突破现有材料的性能限制，选择更适合月球低温环境的熱电材料。与此同时，还需优化器件结构，以满足月球应用需求，提升热电发电机在真实月球工作条件下的整体发电性能。本研究利用COMSOL Multiphysics建立了多物理场耦合模型，用于评估整个月昼月夜周期内的热电性能，以此判断未来在月球表面进行热电发电的可行性。此外，还引入了分段结构来进一步提升月球环境下的热电性能，并系统分析了分段设计、材料匹配以及几何优化的影响，为未来的月球基地能源系统提供了理论支持。

几何热电模型
为分析和评估热电发电机在月球环境中的发电特性，本研究采用COMSOL Multiphysics 6.2，基于有限元多物理场耦合框架构建了三维热电耦合模型。该分析遵循热电转换的基本原理：由于热电材料本身具有较低的热导率，因此在其冷热两侧很容易形成较大的温度差。这种温度梯度……

模型验证
为验证本研究中所提出模型的可靠性，通过将数值模拟结果与陈等人[55]报道的数据进行对比，进行了交叉验证。图4展示了在Th = 300 K、Tc = 200?～?260 K以及不同外部负载电阻条件下的热电性能数值模拟结果。需要指出的是，已有文献中并未完全公开一些热电参数，这不可避免地导致了两者之间存在细微差异……

局限性
需说明的是，本研究仅对热电转换作为月球表面发电技术的潜力进行了初步评估。因此，直接采用了月球表面及月壤的温度作为热边界条件，而未明确考虑热量收集、热储存、热传递和热散发等过程。这种简化有助于热电……

结论
本研究系统地研究了热电发电机在月球昼夜温度变化条件下的热电性能，涵盖了从单层及分段式热电发电机到模块级及阵列级系统。研究结果表明，与单层热电发电机相比，分段式热电发电机能够更好地实现温度特性匹配，从而提升输出性能。在极端温度条件下，经过优化的分段设计可实现超过10%的转换效率，充分体现了该技术的有效应用价值……

作者贡献说明
徐欣：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、数据整理、概念构思。郑佳欣：监督、软件使用。孙立成：写作——审稿与编辑、实验研究。高天一：方法论、实验研究、概念构思。龙希亭：方法论、实验研究。王俊：资源协调、项目管理。李存宝：监督、软件使用。莫正宇：可视化处理、结果验证、方法论、概念构思。杜敏：资金筹集、形式化分析。李彪：利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。