中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：針對月球科研站能源供給特點(diǎn)和需求，提出具有“五強(qiáng)”技術(shù)特征、“五高”供應(yīng)能力的月球數(shù)智化高可靠微電網(wǎng)綜合能源基地藍(lán)圖，明確了以直流為主交流為輔的混合微電網(wǎng)基本形態(tài)、以電氫耦合為基本能量轉(zhuǎn)換形式的“電-氫-氧-熱-水”綜合能源基地的建設(shè)愿景，并在地球建立全域、全態(tài)、全時(shí)數(shù)字孿生系統(tǒng)，支撐其安全穩(wěn)定、高質(zhì)高效運(yùn)行。月球微電網(wǎng)綜合能源基地建設(shè)是一項(xiàng)全局性、復(fù)雜性和開創(chuàng)性的系統(tǒng)工程，創(chuàng)新提出兆瓦級月球微電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能形式、網(wǎng)架形態(tài)以及系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式，提出基于月球科研站用能需求的三階段發(fā)展設(shè)想，為我國深空探測能源供給提供全套解決方案。基于新質(zhì)生產(chǎn)力形成的新供給，提出加強(qiáng)前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)多路徑探索和交叉融合，盡早開展月球微電網(wǎng)綜合能源基地研究的建議。月球微電網(wǎng)綜合能源基地將有力促進(jìn)地球新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展。歡迎品讀。
1 研究背景
月球是人類向深空領(lǐng)域探測的重要門戶，已成為國家利益新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，需以戰(zhàn)略眼光，提前謀劃，前瞻布局。人類已開啟新一輪探月熱潮，中國、美國、俄羅斯、歐空局等國家和組織相繼發(fā)布一系列探月規(guī)劃。2016年，我國首次提出建設(shè)國際月球科研站的構(gòu)想，并于2024年4月明確了“2035年建成基本型；2045年建成拓展型”兩階段實(shí)施計(jì)劃。立足于月球原位資源開發(fā)和利用，在月球建立永久性有人駐留科研站的競爭已經(jīng)開始。
月球科研站所處空間環(huán)境惡劣，能源需求具有獨(dú)特屬性。隨著月球科研站任務(wù)規(guī)劃、建設(shè)目標(biāo)、組成結(jié)構(gòu)的日漸清晰，月球科研站電力建設(shè)不再是為月面某一用電設(shè)備配置電源的技術(shù)路線，而是逐步呈現(xiàn)具備一定規(guī)模的電網(wǎng)格局。對有人駐留的月球基地，則呈現(xiàn)電、熱、氫、氧、水多種能量物質(zhì)綜合利用的需求模式。傳統(tǒng)航天電源技術(shù)已無法滿足長周期、復(fù)合型、安全可靠的用能需求。
國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者和研究團(tuán)隊(duì)初步提出了以空間光伏和燃料電池、核反應(yīng)堆電源、月壤溫差發(fā)電等為電源形式的供電方案以及利用原位資源的月晝蓄熱系統(tǒng)。但還多處于月球能源系統(tǒng)的基本要求、關(guān)鍵技術(shù)問題研究階段，尚未形成如何構(gòu)建月球電網(wǎng)和綜合能源利用模式的系統(tǒng)性、整體性研究思路。
2 研究意義
能源是月球科研站建設(shè)的先決條件和重要基礎(chǔ)保障。提前謀劃和啟動(dòng)月球能源體系研究，建設(shè)高質(zhì)、高效、高可靠的專業(yè)供能系統(tǒng)，對保障月球科研站的建設(shè)和運(yùn)行，維持科研站生命線具有重要意義。
須運(yùn)用系統(tǒng)思維，從月球空間發(fā)電、輸電、配電、用電及儲(chǔ)能等全環(huán)節(jié)，研究探討極熱極寒等惡劣月球運(yùn)行環(huán)境下，月球科研站供電系統(tǒng)和多能量物質(zhì)綜合利用可能的技術(shù)路徑，為我國構(gòu)建月球科研站能源供應(yīng)系統(tǒng)提供總體思路和戰(zhàn)略布局。月球能源電力技術(shù)的突破與成功驗(yàn)證，對地球新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。
3 月球微電網(wǎng)綜合能源基地
3.1 藍(lán)圖構(gòu)想
基于月球科研站能源供給特點(diǎn)和需求，我們提出未來月球微電網(wǎng)綜合能源基地的藍(lán)圖：以經(jīng)濟(jì)高效空間光伏發(fā)電、氫燃料電池、大功率頂峰氫燃機(jī)發(fā)電、穩(wěn)定可靠核反應(yīng)堆電源、長壽命靈活同位素電源等為電源結(jié)構(gòu)；以氫氧燃料、電化學(xué)儲(chǔ)能等高功率/能量密度、短時(shí)和長周期多類并存的儲(chǔ)能單元，通過大容量低損耗高效輸配電方式等，構(gòu)建而成的以直流為主交流為輔的混合微電網(wǎng)基本形態(tài)、以電氫深度耦合為基本能量轉(zhuǎn)換形式的“電-氫-氧-熱-水”綜合能源系統(tǒng)。
圖1 月球微電網(wǎng)綜合能源基地藍(lán)圖
3.2 系統(tǒng)構(gòu)成
月球微電網(wǎng)空間電源主要包括光伏、燃料電池、小型氫燃機(jī)、核反應(yīng)堆電源、同位素電池等。月球儲(chǔ)能除以電化學(xué)儲(chǔ)能等短周期電量存儲(chǔ)方式外，電解水制得氫氣和氧氣的燃料存儲(chǔ)應(yīng)是長周期、大容量、靈活調(diào)配的最佳形式，存儲(chǔ)量應(yīng)達(dá)到十四天以上，以應(yīng)對長周期月夜無光伏出力的情況。
圖2 月球電源與儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)、作用及其關(guān)系
月球物理電網(wǎng)應(yīng)具備實(shí)現(xiàn)電能輸送與分配、電壓變換等功能，包括輸電、配電和用電環(huán)節(jié)，用于聯(lián)接電源和用電設(shè)備。月面電力傳輸主要考慮電纜、激光和微波等形式。對于月面固定電源和用電設(shè)施之間，采用電纜傳輸功率具有優(yōu)勢。對月球漫游車等移動(dòng)負(fù)荷，激光或微波電力無線傳輸是一種較為便利的技術(shù)路線，但傳輸功率及能量轉(zhuǎn)換效率目前較低。
月球微電網(wǎng)采用雙母線直流微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過電力電子DC/DC或AC/DC變換技術(shù)，為月球各類電源、儲(chǔ)能和負(fù)荷提供所需的電能接口，智能化實(shí)現(xiàn)電壓和功率的靈活變換與控制，高效實(shí)現(xiàn)即插即用功能。
圖3 月球獨(dú)立直流微電網(wǎng)雙母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
月球科研站綜合能源系統(tǒng)：按照由易到難、由小到大、模塊化發(fā)展的原則，提出分別以“構(gòu)建基礎(chǔ)能源系統(tǒng)；維持科研站駐留宇航員生活；構(gòu)建月球能源補(bǔ)給站”為目的，逐步推進(jìn)“無人駐留保證系統(tǒng)自持；有人駐留維持人員生活；有人駐留能源補(bǔ)給站”三階段的發(fā)展設(shè)想。
圖4 三階段物質(zhì)能量循環(huán)示意圖
3.3 基礎(chǔ)目標(biāo)
月球微電網(wǎng)綜合能源基地的建設(shè)目標(biāo)：在暫不考慮大功率空間核反應(yīng)堆的情況下，光伏裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到2MW以上，并配置額定能量為300kW × 350h的燃料電池，以及額定容量為500kW的氫內(nèi)燃機(jī)組（頂峰電源），同時(shí)為月面部分全時(shí)段移動(dòng)負(fù)荷加裝500W同位素電池，則可以滿足月球科研站14天月晝500kW以及14天月夜平均300kW負(fù)荷水平的用能需求。電化學(xué)儲(chǔ)能可根據(jù)月面大功率短時(shí)負(fù)荷或作為黑啟動(dòng)電源設(shè)計(jì)容量和利用小時(shí)數(shù)。該基地最大輸出功率可達(dá)1MW，系統(tǒng)的綜合能源利用率達(dá)到80%以上。
3.4 總體要求
提出月球微電網(wǎng)綜合能源基地應(yīng)具有以下“五強(qiáng)”技術(shù)特征和“五高”供應(yīng)能力：
圖5 “五強(qiáng)”技術(shù)特征和“五高”供應(yīng)能力
3.5 關(guān)鍵技術(shù)
1）新型綜合能源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：月面“電-氫-氧-熱-水”多能量物質(zhì)、長周期循環(huán)利用將是一次全新嘗試，也是月球科研站能源供需的發(fā)展趨勢。需攻克“五高”供應(yīng)能力要求下的月球智慧綜合能源復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。涉及月面光電、熱電、電化學(xué)多轉(zhuǎn)換模式；各類電源聯(lián)合發(fā)電；氫、氧、水循環(huán)利用；余熱回收與利用；各種能量高效傳輸；電氫氧水熱充足合理存儲(chǔ)等技術(shù)。
2）新材料新裝備技術(shù)：為滿足地月發(fā)射條件、適應(yīng)月球運(yùn)行環(huán)境，需攻克月面發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)的新材料新裝備及其防護(hù)技術(shù)。涉及月面輕便化導(dǎo)電材料；空間光伏、核電源、可再生燃料電池發(fā)電；高性能電力電子變換；空間電纜、激光和微波輸電；液氫超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)儲(chǔ)能等技術(shù)。
3）運(yùn)行控制與調(diào)度技術(shù)：月球微電網(wǎng)綜合能源基地運(yùn)行與控制技術(shù)是保障其安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。需攻克月晝、夜長周期交替常態(tài)化運(yùn)行場景下，以電氫耦合為基礎(chǔ)的多種能量轉(zhuǎn)換方式并存的運(yùn)行控制與調(diào)度技術(shù)。涉及系統(tǒng)建模與仿真、源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同調(diào)控、電壓控制與潮流優(yōu)化、綜合能源能量管理、事故過程控制及極端情況下系統(tǒng)恢復(fù)等多項(xiàng)技術(shù)。
4）新型數(shù)字化技術(shù)：構(gòu)建月球微電網(wǎng)綜合能源基地的必要手段。需攻克高精度傳感、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等數(shù)字化技術(shù)在能源基地全環(huán)節(jié)、全過程中的應(yīng)用，使之具備自調(diào)控、自運(yùn)維、自診斷、自恢復(fù)等高端數(shù)智化、自動(dòng)化功能。并在地球建立全域、全態(tài)、全時(shí)數(shù)字孿生系統(tǒng)，1：1投射至數(shù)字空間形成全覆蓋、多緯度、無限近真的孿生體，支撐月球基地安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)運(yùn)行。
4 結(jié)論
在新時(shí)代新質(zhì)生產(chǎn)力的呼吁下，需要新的理論、新的方法、新的技術(shù)支撐月球能源系統(tǒng)建設(shè)?；谛沦|(zhì)生產(chǎn)力形成的新供給，提出了具有“五強(qiáng)”技術(shù)特征、“五高”供應(yīng)能力的月球微電網(wǎng)綜合能源基地的建設(shè)思路，為我國月球深空探測能源供給提供系統(tǒng)的解決方案。我們認(rèn)為應(yīng)盡早開展月球微電網(wǎng)綜合能源基地研究，把新一代信息技術(shù)、人工智能、新能源、新材料、高端裝備等最新技術(shù)應(yīng)用于其中，對前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)進(jìn)行多路徑探索和交叉融合，做好生產(chǎn)力儲(chǔ)備。月球微電網(wǎng)綜合能源基地將有力促進(jìn)地球新型電力系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展。
