引用格式：
邱家稳,田岱,韩承志,等.空间热光伏发电技术进展与展望[J].中国空间科学技术,2024,44(5):40-56.
QIU J W, TIAN D, HAN C Z,et al.Research status and prospect of space thermophotovoltaic power generation technology[J].Chinese Space Science and Technology,2024,44(5):40-56(in Chinese).
文章导读
1.研究背景
在中国完成探月工程三期、火星探测任务之后，未来探测目标必将向更远的深空领域发展。在航天强国建设长远规划中，明确提出在未来的五到十年内，将陆续启动小行星探测、木星探测等深空探测任务。
航天器的能源获取是限制中国深空探测任务进一步发展的瓶颈问题之一。在中国目前已经实施的空间探测任务中，多使用太阳能电源作为主能量源，其供电能力强烈依赖于航天器空间位置处的光照强度。随着航天器逐渐远离太阳，单位面积的太阳辐照强度随距离呈平方衰减。木星距离太阳平均距离约5天文单位，平均太阳辐照强度约为太阳常数的3.4%，而更远的土星轨道处太阳辐照强度小于太阳常数的1%。显然，太阳能电源已经不能满足任务发展的需求，必须使用核电源。同位素电源是一种通过热电转换技术将衰变核热能转换为电能供航天器使用的装置，具有电功率输出周期长、不依赖于光照环境等特征，是开展深空探测任务的理想能量源。历史上曾广泛应用于木星及远深空探测，以及月球/火星星表无人探测等任务。在国外已经发射的木星及以远目标的深空探测任务中，除JUNO、JUICE采用太阳翼方案外，其余均采用了空间同位素电源。
同位素电源的高效率热电转换和低衰减率是重点发展方向。目前，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，极大限制了任务实施的可行性。高热电转换效率、低衰减率可在给定任务末期功率需求条件下，有效减少单次任务的钚238的消耗量，提高任务可行性。
目前，国际上公认的适用于同位素电源系统的热电转换技术主要包括：温差发电技术、斯特林发电技术、热光伏发电技术。其中，温差发电技术已有空间应用经验，但是其效率只有6.8%，消耗稀缺同位素核源多，难以完美匹配未来多任务百瓦级功率需求；斯特林发电技术虽然效率较高，可达22%（原理样机水平），但其动态机械系统的免维护长期工作对环境、机械及材料要求极高，且运动部件带来的可靠性问题导致斯特林系统在长寿命实现方面不可避免地面临更多挑战；热光伏发电技术转换效率可达20%以上（原理样机水平），该指标可与斯特林发电效率相媲美，且系统不包括运动部件，具备静态转换技术的长寿命特征。因此，热光伏热电转换技术是同位素电源未来发展的核心之一。
面向未来深空探测任务应用，热光伏同位素电源面临的难点主要是空间应用条件下的系统总体设计技术、高效率转换器件研制与生产技术、发电系统寿命提高等工程应用问题。本文从热光伏技术的系统原理与特点出发，对国际热光伏空间同位素电源技术方案、关键器件研究情况进行综述，并以高效率、长寿命等空间任务应用的特殊需求，对未来技术的发展重点方向进行研判，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。
2.文章梗概
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。
3.总结与展望
相比于其他热电转换技术的空间同位素电源，热光伏同位素电源具有转换效率高、无活动部件等特点，可大幅减少同位素钚238核源的用量，提高任务可行性。本文对热光伏同位素电源的特点以及关键器件的研究现状进行综述，并识别了面向工程应用需要进一步解决的关键问题。未来在相关问题得到突破后，热光伏同位素电源可以在火星表面巡视探测、木星以及以远行星环绕探测等深空探测任务中得到广泛的应用，支撑中国深空探测任务向更远空域发展。
作者简介
邱家稳，中国空间技术研究院博士，研究员，研究方向为航天器总体设计。
田岱，北京空间飞行器总体设计部博士，高级工程师，研究方向为航天器总体设计、空间核动力技术。
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来源：《中国空间科学技术（中英文）》2024年第5期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
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