推動外太空系統(tǒng)的功率密度改進

由于地球上有 10 億人依靠電網(wǎng)生活，因此在夜間使用可再生資源發(fā)電變得極其重要。由于晚上沒有太陽能，用戶可以利用宇宙的寒冷作為熱力學資源。

具體來說，用戶將能夠使用熱機，該熱機可以利用保持接近 300 K 的周圍環(huán)境與穩(wěn)定在 3 K 左右的外太空之間的溫度梯度來提取能量。這種方法將能夠通過穩(wěn)定的低溫冷散熱器（即外太空）有效地傾倒熱機輸出的多余熱量。

在這方面，下面列出的參考文獻中的第一篇文章介紹了使用輻射冷卻對夜間熱電發(fā)電系統(tǒng)進行的有效優(yōu)化。作者證明了大于 2 W/m² 的功率密度——它比以前的工作高出兩個數(shù)量級，并且可以使用現(xiàn)有技術(shù)來實現(xiàn)。

盡管這種夜間發(fā)電的演示令人驚嘆，但確認的功率密度相當?shù)?。實現(xiàn) 1 W/m² 級的功率密度是滿足無數(shù)應用能源需求的關(guān)鍵。

深入研究功率密度

設計人員可以通過應對以下兩個挑戰(zhàn)來提高發(fā)電量：

1. 發(fā)射器只需在大氣發(fā)射較低的頻率/角度吸收熱能，而簡單的黑體發(fā)射器² 在所有頻率和角度上都強烈吸收熱能。

2. 熱設計應減輕不利于形成熱電流的過度寄生熱損失。^{阿拉伯數(shù)字}

所提出的系統(tǒng)（圖 1）允許在夜間實現(xiàn)最佳發(fā)電。它結(jié)合了輻射冷卻和熱電發(fā)電，可以在無法收集太陽能的夜間運行。該系統(tǒng)提供超過 2 W/m² 的功率密度。這比以前報道的利用現(xiàn)有技術(shù)獲得的任何實驗結(jié)果高出兩個數(shù)量級。

圖1. 建議的系統(tǒng)允許在夜間實現(xiàn)最佳發(fā)電：（a） 設置示意圖。（b） 輸出功率密度 p_max 是各種熱電品質(zhì)因數(shù)的熱電與輻射冷卻器面積比的函數(shù)，包括由卡諾發(fā)動機提取的功率密度的一半確定的極限。其中，在 300 K 的環(huán)境溫度下，h_c = ^10-3 W/（m²K） 和 h_h = 10² W/（m²K）。

在實現(xiàn)最佳發(fā)電時，熱電發(fā)電機 （TEG） 占用的系統(tǒng)面積不到 1%。與常規(guī)黑體發(fā)射器相比，功率密度提高了 153%，因此最佳發(fā)射器的重要性變得顯而易見。

正在開發(fā)的太空應用

檢查大量器件的整個制造過程的質(zhì)量非常重要，數(shù)十塊 1 cm² 的太陽能電池通過光刻技術(shù)定義并進行測試（圖 2）。與太空應用相關(guān)的更大單元尺寸正在開發(fā)中。

圖2. 這款 100 毫米外延片包含 1 厘米² 磷酸鎵銦 （GaInP）/鎵銦砷化物 （GaInAs）/鍺 （Ge） 晶格匹配 （LM） 三結(jié) （3J） 太陽能電池。（圖片由參考文獻 3 提供）

例如，有三結(jié)倒變質(zhì)多結(jié) （IMM） 結(jié)構(gòu)，其中包括中間子單元中的量子阱 （QW）。在圖 3 中，顯示了全局器件的層厚，而空間器件略有修改。

圖3. 圖為三結(jié)太陽能電池。（圖片由參考文獻 5 提供）

另一個應用是航天器中的電力系統(tǒng) （EPS），它為所有車輛負載提供電力，對于安全完成 NASA 定義的任務至關(guān)重要。EPS 包括發(fā)電、配電和儲能。EPS 也是一個主要的基本子系統(tǒng)，在任何類型的航天器中都包含很大一部分體積和質(zhì)量。

例如，當談到立方體衛(wèi)星時，最常用的架構(gòu)是純電池或太陽能電池陣列/電池配置。在這些情況下，必須將電池視為潛在危險，因為它們有時會將儲存的能量與航天器中的腐蝕性材料相結(jié)合。

總結(jié)

外太空系統(tǒng)中的高功率密度增強了許多類型的太空相關(guān)應用。航天器必須依靠強大的動力系統(tǒng)來應對深空任務的挑戰(zhàn)。因此，可靠的電源管理和存儲技術(shù)對于任何任務的成功都至關(guān)重要。

引用

1. “最佳利用外太空黑暗的夜間發(fā)電系統(tǒng)設計”，Lingling Fan， Wei Li， Weiliang Jin， Shanhui Fan， Meir Orenstein;斯坦福大學 Ginzton 實驗室電氣工程系， 美國 斯坦福 94305;以色列理工學院電氣工程系，32000 Haifa， Israel， llfan@stanford.edu， shanhui@stanford.edu， CLEO 2021 ? OSA 2021。

2. “從黑暗中產(chǎn)生光明”，Aaswath P. Raman、Wei Li 和 Shanhui Fan，Joule，3（11）：2679– 2686,2019 年。

3. “用于高功率密度應用的柔性和輕型 3J 空間太陽能電池的進展”，Carlos Algora、Iván García、Pablo F. Palacios、Daniel Gómez-Reboreda、Pablo Martín、Clara Sanchez-Perez、Luis Cifuentes、Iván Lombardero、Mercedes Gabás、Ignacio Rey-Stolle，2023 年第 13 屆歐洲空間能源會議 （ESPC），太陽能能源研究所，馬德里理工大學，西班牙馬德里，2023 年。

4. “太陽能在空間中的應用：回顧和技術(shù)觀點”，Rosaria Verduci、Valentino Romano、Giuseppe Brunetti、Narges Yaghoobi Nia、Aldo Di Carlo、Giovanna D'Angelo 和 Caterina Ciminelli，先進能源材料，2022 年。

5. “通過厚量子阱超晶格實現(xiàn)具有 39.5% 地面效率和 34.2% 空間效率的三結(jié)太陽能電池”，Ryan M. France、John F. Geisz、Tao Song、Waldo Olavarria、Michelle Young、Alan Kibbler 和 Myles A. Steiner，國家可再生能源實驗室，2022 年 5 月。

6. “用于單片鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三結(jié)太陽能電池的真空蒸發(fā)全無機鈣鈦礦頂電池”，Yashika Gupta、Minasadat Heydarian、Maryamsadat Heydarian、Patricia SC Schulze、Juliane Borchert，弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所 ISE，德國弗萊堡，2024 年 IEEE 第 52 屆光伏專家會議 （PVSC），978-1-6654-6426-0/24/?2024 IEEE，DOI：10.1109/PVSC57443.2024.10748856，INATECH，弗萊堡大學，弗萊堡， 德國。

7. “微型熱電發(fā)電機的功率密度優(yōu)化”，Kenneth E. Goodson、Marc T. Dunham、Michael T. Barako、Mehdi Asheghi，斯坦福大學機械工程系;Saniya LeBlanc，喬治華盛頓大學機械工程系;Baoxing Chen， Analog Devices Inc.