CN114884431A - 一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种月球基地光伏‑燃料电池多能互补系统，属于月球基地昼夜能源供给领域，特别是涉及一种月球基地光伏‑燃料电池多能互补系统。解决了现有技术中月夜期间月球能源短缺、月表温度过低、有线能量传输受到复杂地形的影响和传输线布线困难的问题。它包括发电系统和能源远程输送系统，所述发电系统包括太阳能光伏板和再生燃料电池系统，所述再生燃料电池系统包括电解制氢设备、燃料电池、氢气罐、氧气罐和储水罐，所述能源远程输送系统包括能量发射器、能量接收器、滤波器、整流电路和用电设备。它主要用于月球基地昼夜能源供给。
Description
技术领域
本发明属于月球基地昼夜能源供给领域，特别是涉及一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统。
背景技术
月球是人类探索未知宇宙的前哨站，月球基地的建设正是探索宇宙的最为重要的基础准备工作。但是随着对月球资源勘探开发、月球基地建设等一切活动的关键基础之一就是长时稳定且充足的能源供给。月球能源供给主要受限于地月距离过大，大约有38×104km左右，现有技术无法在此长度上输送能源，在月球表面上建设能源系统迫在眉睫，更为重的是，每个月日大约有28个地球日，长达14个地球日的月夜，单一的太阳能光伏板无法直接提供足够的能量，亟需寻找可以在月夜期间提供足够电能的能量系统。
目前在月球能源系统中，由于温差以及热电转换效率较低，温差发电系统的电压以及发电量较小，导致无法在月球基地大范围使用；热力循环系统例如有机朗肯循环、闭式布雷顿循环系统体积质量过大，且系统复杂度较高，初、中期无法为月球基地提供能源；核能发电系统主要在月球上无法补充发生核反应的原材料，且体积质量均难以承受。此外，在探月工程中，单一的发电方式往往抗风险能力极低，最重要的是电池板发电、温差发电等技术的发电能力较弱，无法与热力循环发电系统相比。寻找发电效率高、昼夜连续供电、稳定性强的发电系统已经成为月球基地建设的重中之重。此外，由于月球表面复杂，大多数月球工作需要在陨坑中工作，难以设置过多能量传输线，需要寻找合适的无线能量传输方式。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，以解决现有技术中月夜期间月球能源短缺、月表温度过低、有线能量传输受到复杂地形的影响和传输线布线困难的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，它包括发电系统和能源远程输送系统，所述发电系统包括太阳能光伏板和再生燃料电池系统，所述再生燃料电池系统包括电解制氢设备、燃料电池、氢气罐、氧气罐和储水罐，所述太阳能光伏板设置在再生燃料电池系统上方，所述太阳能光伏板与电解制氢设备连接，所述氢气罐、氧气罐和储水罐均与电解制氢设备和燃料电池连接，所述能源远程输送系统包括能量发射器、能量接收器、滤波器、整流电路和用电设备，发电系统产生的电能连接至能量发射器，所述能量发射器将发电系统产生的电能转化为微波并发出，所述能量接收器用于接收能量发射器所发出的微波，所述能量接收器、滤波器、整流电路和用电设备按照能量传递方向依次连接。
更进一步的，所述燃料电池为质子交换膜电池。
更进一步的，所述太阳能光伏板为砷化镓光伏板。
更进一步的，所述太阳能光伏板设置有转动机构。
更进一步的，所述电解制氢设备为碱性水电解法制氢，所述碱性水电解法制氢采用氢氧化钾水溶液为电解质，以石棉为隔膜，分离水产生氢气和氧气。
更进一步的，所述光伏板主要由十块单元光伏板组成，每块单元光伏板均设有四块砷化镓光伏板。
更进一步的，所述储水罐的材质为金属材质。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用再生燃料电池技术将昼间电能转换为化学能储存起来，解决了夜间无光伏板法发电的问题；
2、本发明利用微波传送技术实现了能量的无线传输解决了有线能量传输受到复杂地形的影响和传输线布线困难的问题。
3、本发明中太阳能光伏板的方向可根据太阳高度角的变化而发生改变，保证太阳能光伏板始终获得最高的太阳辐射，实现太阳能的最大利用化；
4、本发明中再生燃料电池系统中的燃料电池质量较大，导致整个发电系统底部重量大，重心低，稳定性强，可以在不平整的地域稳定整个设备。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统的发电系统的结构示意图；
图2为本发明所述的一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统的能源远程输送系统的结构示意图。
1-太阳能光伏板，2-氧气罐，3-氢气罐，4-电解制氢设备，5-燃料电池，6-储水罐，7-能量发射器，8-能量接收器，9-滤波器，10-整流电路，11-用电设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-2说明本实施方式，一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，它包括发电系统和能源远程输送系统，所述发电系统包括太阳能光伏板1和再生燃料电池系统，所述再生燃料电池系统包括电解制氢设备4、燃料电池5、氢气罐3、氧气罐2和储水罐6，所述太阳能光伏板1设置在再生燃料电池系统上方，所述太阳能光伏板1与电解制氢设备4连接，所述氢气罐3、氧气罐2和储水罐6均与电解制氢设备4和燃料电池5连接，所述能源远程输送系统包括能量发射器7、能量接收器8、滤波器9、整流电路10和用电设备11，发电系统产生的电能连接至能量发射器7，所述能量发射器7将发电系统产生的电能转化为微波并发出，所述能量接收器8用于接收能量发射器7所发出的微波，所述能量接收器8、滤波器9、整流电路10和用电设备11按照能量传递方向依次连接。
本实施例中发电系统包括太阳能光伏板1和再生燃料电池系统，所述太阳能光伏板1在月昼期间将太阳辐射转变为电能，同时为月球基地供能，所述再生燃料电池系统包括电解制氢设备4、燃料电池5、氢气罐3、氧气罐2和储水罐6，由于月球夜间无阳光辐射，太阳能光伏板1无法输出电能，唯有将月昼期间太阳能光伏板1发出多余的电能通过电解制氢设备4电解水产生氢气和氧气，并分别储存在氢气罐3、氧气罐2之中，将电能转换成化学能储存下来，在月夜时，氢气和氧气进入燃料电池5，氢气失去的电子通过导线到达氧气侧，氢离子通过电池内部电场作用到达氧气侧，即外加电场下离子定向移动，但是速度较慢，所以需要有酸性电解质溶液提供氢离子。氢气不是只有点燃才能失去电子，氢气在任何情况下都可以失去电子，生成氢离子和电子，产生电能，将输出的电能连接能量远程输送系统中的能量发射器7，能量发射器7将输入的电能转化为微波并向远处的能量接收器8发送，能量接收器8接受到的微波经过滤波器9和整流电路10的处理，可将能量传送至月球陨坑深处的用电设备11，满足用电设备11的用电需要。
本实施例中所述燃料电池5为质子交换膜电池。转换效率至少为60％，发电过程无燃烧反应，不受热力学卡诺循环的限制，产物无污染，以模块化系统进行发电，可靠性高、稳定性强，且没有任何噪音。
本实施例中所述太阳能光伏板1为砷化镓光伏板，砷化镓的禁带较硅为宽，光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好，单结的砷化镓电池理论效率为30％；
本实施例中所述太阳能光伏板1设置有转动机构，所述太阳能光伏板1根据发电系统所在的位置的太阳运动情况调节太阳能光伏板1的转动，太阳能光伏板1的方向可根据太阳高度角的变化而发生改变，保证太阳能光伏板1始终获得最高的太阳辐射，实现太阳能的最大利用化。
本实施例中所述电解制氢设备4为碱性水电解法制氢(AWE)，所述碱性水电解法制氢(AWE)采用氢氧化钾水溶液为电解质，以石棉为隔膜，分离水产生氢气和氧气，电解效率通常为70％-80％。
本实施例中所述所述氧气罐2和氢气罐3均为高压罐。
本实施例中所述的月球基地光伏-燃料电池多能互补系统中将氧气储存在氧气罐2中，可以在基地发生意外事故时为基地研究人员提供氧气。
本实施例中所述所述光伏板由十块单元光伏板组成，每块单元光伏板均设有四块砷化镓光伏板。
本实施例中所述储水罐6的材质为金属材质。
本实施例中所述太阳能光伏板1高度较高，几何稳定性较差，再生燃料电池系统中的燃料电池5质量较大，导致整个发电系统底部重量大，重心低，稳定性强，可以在不平整的地域稳定整个设备。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (7)
1.一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，其特征在于：它包括发电系统和能源远程输送系统，所述发电系统包括太阳能光伏板(1)和再生燃料电池系统，所述再生燃料电池系统包括电解制氢设备(4)、燃料电池(5)、氢气罐(3)、氧气罐(2)和储水罐(6)，所述太阳能光伏板(1)设置在再生燃料电池系统上方，所述太阳能光伏板(1)与电解制氢设备(4)连接，所述氢气罐(3)、氧气罐(2)和储水罐(6)均与电解制氢设备(4)和燃料电池(5)连接，所述能源远程输送系统包括能量发射器(7)、能量接收器(8)、滤波器(9)、整流电路(10)和用电设备(11)，发电系统产生的电能连接至能量发射器(7)，所述能量发射器(7)将发电系统产生的电能转化为微波并发出，所述能量接收器(8)用于接收能量发射器(7)所发出的微波，所述能量接收器(8)、滤波器(9)、整流电路(10)和用电设备(11)按照能量传递方向依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，其特征在于：所述燃料电池(5)为质子交换膜电池。
3.根据权利要求1所述的一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，其特征在于：所述太阳能光伏板(1)为砷化镓光伏板。
4.根据权利要求1所述的一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，其特征在于：所述太阳能光伏板(1)设置有转动机构。
5.根据权利要求1所述的一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，其特征在于：所述电解制氢设备(4)为碱性水电解法制氢，所述碱性水电解法制氢采用氢氧化钾水溶液为电解质，以石棉为隔膜，分离水产生氢气和氧气。
6.根据权利要求3所述的一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，其特征在于：所述光伏板主要由十块单元光伏板组成，每块单元光伏板均设有四块砷化镓光伏板。
7.根据权利要求1所述的一种月球基地光伏-燃料电池多能互补系统，其特征在于：所述储水罐(6)的材质为金属材质。
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