CN117012851B - 利用月壤原位制造cigs太阳能薄膜电池并使用其供电的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及月球探测能源供给领域，具体涉及一种利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统。月壤电泳分离金属化合物制备装置采用电泳分离方法从月壤中分离得到化合物Al2O3；电解制备金属单质装置对Al2O3进行电解，得到Al单质；CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置利用Al单质进行金属Al膜基底成型；CIGS太阳能薄膜电池制备装置接收从地球运输至月球表面的铜、铟、镓、硒四种元素原材料，并将四种元素镀于Al膜基底上，得到CIGS太阳能薄膜电池；旋转抖落机构装置用于输送将Al2O3和Al单质；电磁取膜机构装置将成型的Al膜基底剥离送至CIGS太阳能薄膜电池制备装置；还将制备好的CIGS薄膜太阳能电池剥离转运到月球表面进行自给自足闭环运行、全天候供电。

Description

利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统
技术领域
本发明涉及月球探测能源供给领域，具体涉及一种利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统及方法。
背景技术
月球是距离人类地球最近的太空大型自然天体，具有重要的研究意义与丰富的利用价值。随着人类航天技术水平的不断提高，月球将成为人类实现宇宙太空一系列梦想的实践跳板，人类对月球深入探索及进一步入驻的需求越来越强烈。
电能供应是维持月球正常作业的前提，是各种月球人类活动共同的需求，在各种未来月球规划中也都将能源系统列为重要组成部分，并作为关键核心技术。虽然人们提出了核能、月壤温差发电、月球硅基电池原位制造、月球轨道卫星反射阳光或激发激光至月表等月球电能供应方案，但方案均未考虑未来实施中的建设成本与工商业最终运营电价，且方案涉及到的技术成熟度较低，近期内难以落地实现，未来成功实施后其巨额建造成本带来的高昂供电价格也不符合月球人类大规模活动持续开展的社会需求。其中，1)核能方案中，由于受控核聚变技术目前尚未完全掌握，核反应堆电源特指空间裂变核反应堆电源，是将核裂变反应过程产生的热能进行综合利用的装置，主要由反应堆、热电转换系统、放射屏蔽系统和废热排放系统组成。与其他类型的能源系统相比，空间核反应堆电源具有功率大、寿命长、生存能力强、可全天候工作的特点，但为确保堆体的安全、提高能源的转换效率，冷却工质多采用导热性能好、热容大的液态金属，甚至需要进行多级冷却，类似于此种必要的设计导致电源系统有较大的重量，且反应堆建造复杂度极高，还存在燃料泄露的爆炸破坏性及环境不可逆污染风险。2)月壤温差发电方案中，此项技术是一种依靠月壤深层较为恒定的温度与月壤表面较大的温变环境间形成的巨大温差，将热能直接转化为电能的供电方案。发电原理为赛贝克效应，即两种金属组成的环路中，若不同金属连接处的温度有差异，则环路中会导致电流产生，并引发相应的电动势。温差发电系统具有较强的环境适应性，月夜期间仍能正常工作，且能够实现热电联产，由于其工作原理简单、内部没有运动部件，因此具有可靠性高、无污染的优点。但该系统存在2个主要的缺点：a、综合效率低，温差发电的转换效率普遍不超过10％，输出电功率一般不超过1kW；b、综合成本高，无论是温差材料的研制还是同位素热源的制备都需要特殊的工艺和保障条件，导致温差发电系统价格高昂、无法批量生产也不适合大规模装备，不适用于月球基地。3)月球硅基电池原位制造方案中，目前该方案仅为概念阶段，由位于卢森堡的初创公司MaanaElectric提出，基本思路为将月球风化层转化为高纯度硅，从理论上讲，每年能够生产1兆瓦的太阳能电池板，太阳能电池板的制造过程还会释放氧气作为副产品，未来的宇航员可以利用氧气在太空中创造可呼吸的环境。但是由于此方案制造的是常规硅基太阳能电池，其建造过程与建造难度较大，且月球月壤原料消耗量巨大，基于目前航天技术在短期内实施的可行性较低。4)月球轨道卫星反射阳光至月表方案，此方案原理为在月球轨道布署带有反光镜的卫星或者卫星阵列作为中继卫星，将来自太阳的光线反射至月表特定区域上的太阳能电池板上，实现发电供能。但此方案中实现原理上由于太阳光线到地月系统存在5°张角导致了月面太阳能电池阵面积巨大，建造工程量及难度巨大，方案可行性较低。5)月球轨道卫星激发激光至月表方案，此方案原理为在月球轨道布署太空电站卫星，卫星上搭载太阳光能量转换发送装置，装置利用卫星太阳能帆板的电能产生激光，再对激光进行扩束，通过六自由度平台将光束照射到月面电池阵，用于月球电站的月夜储能。与上一方案类似，此种方案中带有高功率激光转发装置的电站卫星造价及重量成本极高，并且月表电池阵面积较大，在具体工程实施建造方面的可行性较低。
所以，从长远大规模建设使用、实际投入工业运营可行性角度方面，月球供能主要面临着“建造低成本、电价可接受前提下实现可行性供电”的工程难题。
发明内容
本发明的目的在于为克服上述问题，提供一种月球原位制造式、全天候、低成本的月球供电方案，该方案具有供电系统建造及运营成本低、工程实施可行性高、地月物资输运量少并后期可自给自足闭环运行、月昼月夜可全天候供能等特点。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
本发明给出了一种利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，所述系统包括：月壤电泳分离金属化合物制备装置、电解制备金属单质装置、CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置、CIGS太阳能薄膜电池制备装置、旋转抖落机构装置和电磁取膜机构装置；其中，
所述月壤电泳分离金属化合物制备装置，用于采用电泳分离方法从月壤中分离得到化合物Al2O3；
所述电解制备金属单质装置，用于对Al2O3进行电解，得到Al单质；
所述CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置，用于利用Al单质进行金属Al膜基底成型；
所述CIGS太阳能薄膜电池制备装置，用于接收从地球运输至月球表面的铜、铟、镓、硒四种元素原材料，并将四种元素镀于Al膜基底上，得到CIGS太阳能薄膜电池；
所述旋转抖落机构装置，用于将Al2O3输送至电解制备金属单质装置；还用于将Al单质送至CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置；
所述电磁取膜机构装置，用于将成型的Al膜基底送至CIGS太阳能薄膜电池制备装置；还用于将制备好的CIGS薄膜太阳能电池转运到月球表面进行供电。
作为上述技术方案的改进之一，所述月壤电泳分离金属化合物制备装置包括：机器人、电泳分离悬浮罐和滤纸；其中，
所述机器人，用于采集月壤，并将月壤送入电泳分离悬浮罐；
所述电泳分离悬浮罐中包括悬浮液；所述悬浮液用于使月壤处于悬浮状态，并利用月壤中不同物质在悬浮液中静电电位不一致导致在悬浮液电场中移动速度不同而使月壤中不同物质达到分离，从而分离出化合物Al2O3；
所述滤纸，用于截留悬浮液中分离出的Al2O3。
作为上述技术方案的改进之一，所述电解制备金属单质装置包括电解池，用于溶解Al2O3，并对Al2O3进行电解析出得到Al单质。
作为上述技术方案的改进之一，所述CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置包括：坩埚和附着厚板；其中，
所述坩埚，用于对Al单质进行加热使其蒸发；
所述附着厚板，用于对蒸发的Al单质进行降温使Al单质沉积获得Al薄膜；还用于在降温后对Al薄膜进行剥离，获得Al膜基底。
作为上述技术方案的改进之一，所述CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置获得Al膜基底的具体过程包括：
Al单质被放入坩埚中的同时，附着厚板移动就位；
在月表真空环境中加热附着厚板至规定温度，而后加热坩埚使Al单质受热开始蒸发分离并沉积到对面的附着厚板上；
待附着厚板停止加热、降温后，将Al膜基底从附着厚板上剥离。
作为上述技术方案的改进之一，所述旋转抖落机构装置包括滤纸夹紧柱、旋转驱动电机、垂直抖落圆筒、垂直高频驱动电机和称重底盘；其中，
所述滤纸夹紧柱，用于取出制备完成的Al2O3化合物或者单质Al，并送入到垂直抖落圆筒；
所述旋转驱动电机，用于驱动滤纸夹紧柱进行高速旋转，将Al2O3化合物或者单质Al旋转甩出；
所述垂直抖落圆筒，用于利用其筒壁对旋转甩出的Al2O3化合物或者单质Al进行收集；
所述垂直高频驱动电机，用于驱动垂直抖落圆筒沿垂直方向往复高频抖动，将飞溅到垂直抖落圆筒筒壁上的Al2O3化合物或者单质Al抖落到称重底盘的盘面上；
所述称重底盘，用于收集Al2O3化合物进行称重，并依据所称重的数值反馈控制垂直高频驱动电机与旋转驱动电机的启停，以控制将Al2O3输送到电解制备金属单质装置中；还用于收集单质Al进行称重，并依据所称重的数值反馈控制垂直高频驱动电机与旋转驱动电机的启停，以控制将单质Al输送到CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置中。
作为上述技术方案的改进之一，所述电磁取膜机构装置，包括驱动控制箱、取膜磁体基板、加电压片和薄膜推出模块；其中，
所述驱动控制箱，用于操控取膜磁体基板与Al膜基底或者与CIGS薄膜太阳能电池接触对接；还用于控制加电压片的通断电以及薄膜推出模块的推出动作操控；
所述加电压片，用于当取膜磁体基板与Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池接触对接时，对Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池进行通电生磁；并在金属Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池被剥离后，对金属Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池进行断电消磁；
所述取膜磁体基板，用于Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池通电生磁后，利用磁吸力将金属Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池剥离；
所述薄膜推出模块，用于在金属Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池断电消磁后，推出Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池，将Al膜基底送至CIGS太阳能薄膜电池制备装置或将CIGS薄膜太阳能电池转运到月球表面进行供电。
作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括铺设机器人，用于将CIGS薄膜太阳能电池铺设在月球表面，形成固定式CIGS薄膜太阳能电池阵。
本发明还给出了一种利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的方法，基于上述之一所述的系统实现，所述方法包括：
将所需的铜、铟、镓、硒四种元素原材料从地球运输至月球；
月壤电泳分离金属化合物制备装置从月壤中分离得到化合物Al2O3；
旋转抖落机构装置将Al2O3输送到电解制备金属单质装置；
电解制备金属单质装置对Al2O3进行电解，得到Al单质；
旋转抖落机构装置将Al单质输送到CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置；
CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置利用Al单质进行金属Al膜基底成型；
电磁取膜机构装置将成型的Al膜基底取出，并输送至CIGS太阳能薄膜电池制备装置；
CIGS太阳能薄膜电池制备装置将铜、铟、镓、硒四种元素蒸镀于Al膜基底上，得到CIGS太阳能薄膜电池；
电磁取膜机构装置将CIGS太阳能薄膜电池取出并装载于铺设机器人中，并由铺设机器人在月表铺设固定式CIGS薄膜太阳能电池阵；
将CIGS薄膜太阳能电池铺设在月球表面，形成固定式CIGS薄膜太阳能电池阵，通过固定式CIGS薄膜太阳能电池阵在月球对地面处于月昼期间利用太阳光进行发电、在月夜期间利用地球反照的太阳光进行发电，从而实现对月球上负载供电。
本发明与现有技术相比优点在于：
(1)本发明结合电泳分离金属化合物制备技术、金属化合物电解制备金属单质技术、金属薄膜基底制备技术、以及真空蒸镀制备技术的工艺特点，通过对其进行工艺流程进行组合、集成设计，利用月壤作为原料，给出了一种具备工程实现可行性的CIGS太阳能薄膜电池月球表面原位制造技术方案；
(2)本发明鉴于地面环境中较为成熟的CIGS太阳能薄膜电池制备装置体积大、重量沉、工艺环节物料转运装置复杂、难以直接并低成本应用于月球表面环境的问题现状，结合给出的一种具备工程实现可行性的CIGS太阳能薄膜电池月球表面原位制造技术方案，设计出适用于月球表面低重力等空间环境的、用于工艺过程物料转运的旋转抖落机构与电磁取膜机构方案，并实现了一种机构可以同时服务于两个物料转运环节，使各个工艺环节有效地集成为一体、降低了装置总体复杂度、提高了机构工作效率；
(3)本发明合理选取月球对地面作为CIGS太阳能薄膜电池月球表面原位制造及太阳能电池阵大面积铺设地点，实现了月昼月夜的全天候发电；
(4)本发明基于对地面各种类型太阳能电池优劣特点及结合月球表面真空、低重力等空间特性，进行太阳能电池类型选型，并将天然、无成本的月壤作为太阳能电池重量占比最大部分的制备原料，合理选取月壤化合物Al2O3成分作为CIGS太阳能薄膜电池质量占比最大的金属基底制造原料，大幅度减轻地球输运至月球物资重量，降低了系统建设成本，为未来月球大规模、低电价商业供电运营提供了一种可行方案；
(5)本技术方案工程可实现性强：本方案采用的供电原理及方式为光伏发、供电原理及方式，属于常规发供电形式，理论层面成熟可行；其中光伏薄膜电池基底大质量占比元素月壤原位制备涉及到的“关键化合物电泳分离提取理论”、“单质基底化合物电解提纯制取理论”、“薄膜电池基底制备理论”十分成熟，并且月球真空环境为制取理论工艺过程提供了天然的真空条件，免除了为实现真空工艺条件的大型保障设施，极大的简化了设备复杂度，因此技术难度可控；最后涉及的超轻光伏薄膜电池真空蒸镀制备理论已在地面环境中得到技术实践验证，地面实验室已有相对应较为成熟的工艺流程与设备，并且在月球工艺实施过程中同样可以受益于自然真空环境以实现真空工艺过程的天然保障，因此技术难度可控、工程实施可行性强；
(6)本方案可实现低电价的月球大规模商业供电运营，为将来月球基地等远期月球计划提供了电价成本可接受的实施方案：经过初步计算，自单台套全系统设备运抵月表开始工作至15年时，已可将发供电电价成本降至26元/度，此时建造的CIGS太阳能电池阵总规模大小为256米×256米方形矩阵。
附图说明
图1是CIGS太阳能薄膜电池月球月表原位制造及固定式电池阵铺设流程图；
图2是月壤电泳原位制备化合物流程图；
图3是化合物电解制备铝单质流程图；
图4是电池金属铝膜基底成型流程图；
图5是薄膜电池真空蒸镀制备流程图；
图6和图7分别为立体和截面的旋转抖落机构组成图；
图8和图9分别为俯视和仰视两种视角的电磁取膜机构组成图；
图10是月昼期间每平米CIGS太阳能薄膜电池发电功率变化曲线图；
图11是月夜期间月球对地面地球反照区域变化图；
图12是地球反照在月球对地面月表区域能量分布图；
图13是月夜期间每平米CIGS太阳能薄膜电池发电功率变化曲线图；
图14是月壤中成分图；
图15是利用Al2O3化合物电解制备铝单质的过程图；
图16是单台套完整发电系统的收回成本工作时间与电价关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本发明的一种利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，包括：月壤电泳分离金属化合物制备装置、电解制备金属单质装置、CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置、CIGS太阳能薄膜电池制备装置、旋转抖落机构装置和电磁取膜机构装置；其中，
所述月壤电泳分离金属化合物制备装置，用于采用电泳分离方法从月壤中分离得到化合物Al2O3；
所述电解制备金属单质装置，用于对Al2O3进行电解，得到Al单质；
所述CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置，用于利用Al单质进行金属Al膜基底成型；
所述CIGS太阳能薄膜电池制备装置，用于接收从地球运输至月球表面的铜、铟、镓、硒四种元素原材料，并将四种元素镀于Al膜基底上，得到CIGS太阳能薄膜电池；
所述旋转抖落机构装置，用于将Al2O3输送至电解制备金属单质装置；还用于将Al单质送至CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置；
所述电磁取膜机构装置，用于将成型的Al膜基底送至CIGS太阳能薄膜电池制备装置；还用于将制备好的CIGS薄膜太阳能电池转运到月球表面进行供电。
实施例2
为了实现上述目的，本发明提供一种在月球利用月壤进行CIGS太阳能薄膜电池原位制造的流程方法与全天候、低成本运营的月球供电方案。
如图1所示，为本发明的CIGS太阳能薄膜电池月球月表原位制造及固定式电池阵铺设流程图；本发明方案包括：在月球对地面进行CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池原位制造，制造完成的固定式薄膜太阳能电池阵在对地面处于月昼期间利用太阳光进行发电、在月夜期间利用地球反照的太阳光进行发电。
(一)月球表面CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池原位制造方案的工艺流程组合、集成，设计分为5个步骤：
1)铜铟镓硒原料地月输运，
2)月壤电泳原位制备化合物，如图2所示，是月壤电泳原位制备化合物流程图；
3)化合物电解制备铝单质，如图3所示，是化合物电解制备铝单质流程图；
4)电池金属铝膜基底成型，如图4所示，是电池金属铝膜基底成型流程图；
5)薄膜电池真空蒸镀制备。如图5所示，是薄膜电池真空蒸镀制备流程图。
各步骤具体方案如下：
1)铜铟镓硒原料地月输运：CIGS(铜铟镓硒)太阳能薄膜电池的稳定性与晶体硅太阳能电池相当，由于其超薄特性比晶体硅太阳能电池更适合大面积铺设，并且适用于弱光环境，具有较好的抗辐照能力，最适用于在强放射性宇宙空间中使用。CIGS太阳能薄膜电池由金属基底与功能层构成，金属基底厚度98um，功能层厚度2um，功能层位于金属基底之上，薄膜总厚度0.1mm。金属基底为Al单质基底，功能层由铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)、硒(Se)四种元素构成。经过对月壤物质成分的分析可以得出，制造CIGS太阳能薄膜电池的铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)、硒(Se)四种元素在月壤中成分含量极低，因此从地球将所需的四种元素原材料通过货运飞行器运抵至月球表面。制造CIGS太阳能薄膜电池金属基底的Al单质材料可以通过月壤进行原位提取。
2)月壤电泳原位制备化合物：利用“月壤中不同物质在悬浮液中静电电位不一致，导致在悬浮液电场中移动速度不同而达到分离”的电泳分离技术原理，自动化机器人将月壤送入电泳分离装置悬浮罐，月壤变为悬浮状态，月壤中不同物质在悬浮液中静电电位不一致，导致在悬浮液电场中移动速度不同而达到分离。月壤中的Al2O3矿物沿电泳电位函数指示路径向电极移动，并被截留在悬浮槽滤纸上，得到纯Al2O3矿物，矿物再被运送至电解设备电解池。
3)化合物电解制备铝单质：在得到纯Al2O3矿物后，纯Al2O3矿物再被运送至电解设备电解池，充分溶解后，在电极电解作用下析出Al单质与氧气，而后将其送至薄膜基底成型制备装置。所采用的金属单质提取冶金电化学还原法为熔盐电解法，将月壤中得到的纯Al2O3矿物粉末装入一定粒度的阴极框中(金属网或合金网)作为阴极材料，并熔于熔盐介质来进行电解，电解过程中，阴极的金属Al阳离子被还原为金属，氧离子迁移至惰性阳极以氧气形式析出。熔盐电解的反应速率与电解电流效率成正比，在熔盐介质中加入冰晶石熔盐，电解铝的电流效率达95％，在阳极获得纯度97％的氧气，同时在阴极获得高纯度单质Al。
4)电池金属铝膜基底成型：Al单质送至薄膜基底成型制备装置，Al单质被放入水冷铜坩埚中，同时用于Al单质附着的附着厚板移动就位，在月表真空环境中加热附着厚板至规定温度，而后加热水冷铜坩埚致使其中的Al单质受热开始蒸发分离并沉积到对面的附着厚板上，待附着厚板停止加热降温后，将金属Al膜基底从厚板上剥离并折叠收拢。
5)薄膜电池真空蒸镀制备：采用薄膜太阳能电池真空蒸镀制备技术将CIGS功能层原料与金属Al膜基底相融合完成电池制备，具体实现方式是：真空蒸镀装置将金属Al膜基底逐段展开，在其上通过真空磁控溅射等物理化学作业，将CIGS功能层原料真空蒸镀在金属薄膜基板上，得到烧结后的CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池卷轴,卷轴由铺设机器人装载，完成固定式CIGS薄膜太阳能电池阵月表铺设。
(二)针对以上月球表面CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池原位制造方案的、适用于月球表面低重力等空间环境的、用于其各个工艺过程物料转运的机构包括：1)旋转抖落机构，2)电磁取膜机构。两种机构设计方案如下：
1)旋转抖落机构：如图6和图7所示，为两种视角的旋转抖落机构组成图。
旋转抖落机构主要用于“月壤电泳原位制备化合物”工艺环节到“化合物电解制备铝单质”工艺环节的过程物料：Al2O3的转运，以及“化合物电解制备铝单质”工艺环节到“电池金属铝膜基底成型”工艺环节的过程物料：单质Al的转运。
旋转抖落机构主要由称重底盘、垂直高频驱动电机、垂直抖落圆筒、旋转驱动电机、滤纸夹紧柱组成。
称重底盘用于收集被旋转抖落掉的Al2O3化合物，并具备称重功能，其能够依据所称重的数值反馈控制垂直高频驱动电机与旋转驱动电机的启停；并且能够被驱动装置将其收集到的所有Al2O3化合物倒入到“化合物电解制备铝单质”工艺环节设备的电解池中；称重底盘也同时用于收集被旋转抖落掉的单质Al，并具备称重功能，其能够依据所称重的数值反馈控制垂直高频驱动电机与旋转驱动电机的启停；并且能够被驱动装置将其收集到的所有单质Al倒入到“电池金属铝膜基底成型”工艺环节设备的水冷铜坩埚中。
垂直高频驱动电机用于驱动垂直抖落圆筒沿垂直方向往复高频抖动，目的是将被旋转驱动电机的滤纸夹紧柱旋转飞溅到垂直抖落圆筒筒壁上的Al2O3化合物或者单质Al抖落到称重底盘的盘面上。
垂直抖落圆筒用于防止Al2O3化合物或者单质Al被旋转驱动电机的滤纸夹紧柱旋转飞溅甩出，并且利用其筒壁对以上两者飞溅出的物料进行收集；垂直抖落圆筒采用超低摩擦系数、表面超光滑非金属材料制成，可选材料包括聚四氟乙烯等。
旋转驱动电机用于驱动滤纸夹紧柱进行高速旋转，目的是将收集在滤纸上的Al2O3化合物或者单质Al被旋转甩出，并被垂直抖落圆筒筒壁收集。
滤纸夹紧柱用于将已经收集了Al2O3化合物或者单质Al的滤纸从“月壤电泳原位制备化合物”设备电泳悬浮罐或者“化合物电解制备铝单质”设备电解池中取出，并被伸入到垂直抖落圆筒内部，等待旋转甩出物料操作。
2)电磁取膜机构：如图8和图9所示，为两种视角的电磁取膜机构组成图；
电磁取膜机构主要用于“电池金属铝膜基底成型”工艺环节到“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节的过程物料：金属Al膜基底的转运，以及“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节到“铺设机器人”的过程物料：CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池的转运。
电磁取膜机构主要由驱动控制箱、取膜磁体基板、加电压片、薄膜推出模块组成。
驱动控制箱用于操控取膜磁体基板与“电池金属铝膜基底成型”工艺环节的附着厚板接触对接，或者与“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节的CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池接触对接；并且用于控制加电压片的通断电，以及薄膜推出模块的推出动作操控。
取膜磁体基板用于在“电池金属铝膜基底成型”工艺环节附着厚板上的金属Al膜基底被通电生磁后，利用磁吸力将金属Al膜基底从附着厚板上剥离取走，或者在“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节制备完成的CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池被通电生磁后，利用磁吸力将薄膜(厚度100um)太阳能电池从制备基板上取走。
加电压片用于当取膜磁体基板与“电池金属铝膜基底成型”工艺环节附着厚板接触对接时，被挤压变形并与金属Al膜基底接触，对其进行接触通电生磁；或者当取膜磁体基板与“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节的CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池接触对接时，被挤压变形并与太阳能电池接触，对其进行接触通电生磁。
薄膜推出模块用于当取膜磁体基板携带金属Al膜基底至“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节的薄膜(厚度100um)太阳能电池制备基板时，在加电压片断电并且金属Al膜基底消磁后，将其从取膜磁体基板表面推出，并放置在薄膜(厚度100um)太阳能电池制备基板上；或者当取膜磁体基板携带CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池至“铺设机器人”的铺设面板时，在加电压片断电并且薄膜(厚度100um)太阳能电池消磁后，将其从取膜磁体基板表面推出，并放置在铺设面板上。
(三)具体实施案例说明
1、CIGS太阳能薄膜电池月球表面原位制造所属各工艺环节物料转运实施方式：
1)“月壤电泳原位制备化合物”工艺环节到“化合物电解制备铝单质”工艺环节的过程物料：Al2O3的转运：
在“月壤电泳原位制备化合物”工艺环节的末尾阶段，旋转抖落机构的滤纸夹紧柱伸入到悬浮槽，将附着有Al2O3矿物化合物的滤纸夹紧并移动完全伸入至垂直抖落圆筒内，旋转驱动电机开启，高速旋转滤纸夹紧柱，将滤纸上附着的Al2O3矿物化合物依靠离心力甩离滤纸表面，使其飞溅到垂直抖落圆筒筒壁上并在月球重力作用下滑落至称重底盘，而后垂直高频驱动电机开启，带动垂直抖落圆筒沿垂直方向往复高频抖动，将被旋转驱动电机的滤纸夹紧柱旋转飞溅到垂直抖落圆筒筒壁上残余的Al2O3矿物化合物抖落到称重底盘的盘面上；称重底盘根据收集到的Al2O3矿物化合物重量与程序设计值的对比，反馈闭环控制以上旋转与抖落操作，直至收集到要求重量为止。最终称重底盘在驱动装置控制下，将其收集到的所有Al2O3矿物化合物倒入到“化合物电解制备铝单质”工艺环节设备的电解池中。
2)“化合物电解制备铝单质”工艺环节到“电池金属铝膜基底成型”工艺环节的过程物料：单质Al的转运：
在“化合物电解制备铝单质”工艺环节的末尾阶段，旋转抖落机构的滤纸夹紧柱伸入到电解池，将附着有单质Al的阴极滤纸夹紧并移动完全伸入至垂直抖落圆筒内，旋转驱动电机开启，高速旋转滤纸夹紧柱，将滤纸上附着的单质Al依靠离心力甩离阴极滤纸表面，使其飞溅到垂直抖落圆筒筒壁上并在月球重力作用下滑落至称重底盘，而后垂直高频驱动电机开启，带动垂直抖落圆筒沿垂直方向往复高频抖动，将被旋转驱动电机的滤纸夹紧柱旋转飞溅到垂直抖落圆筒筒壁上残余的单质Al抖落到称重底盘的盘面上；称重底盘根据收集到的单质Al重量与程序设计值的对比，反馈闭环控制以上旋转与抖落操作，直至收集到要求重量为止。最终称重底盘在驱动装置控制下，将其收集到的所有Al2O3矿物化合物倒入到“电池金属铝膜基底成型”工艺环节设备的水冷铜坩埚中。
3)“电池金属铝膜基底成型”工艺环节到“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节的过程物料：金属Al膜基底的转运：
在“电池金属铝膜基底成型”工艺环节的末尾阶段，电磁取模机构的驱动控制箱操控取膜磁体基板与附着厚板上的金属Al膜基底接触对接，加电压片此时被挤压变形并与金属Al膜基底接触，并对其进行接触通电生磁(金属Al膜基底在无电流时为无磁状态，不能被磁场力吸引，当被通电流后，瞬间产生磁场，变为电磁体，可以被磁场力吸引)；取膜磁体基板利用自身具有的磁吸力将金属Al膜基底从附着厚板上剥离取走；取膜磁体基板在驱动控制箱操控下携带金属Al膜基底至“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节的薄膜(厚度100um)太阳能电池制备基板，加电压片断电，金属Al膜基底磁场消失变为无磁状态，薄膜推出模块将其从取膜磁体基板表面推出，并放置在“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节的薄膜(厚度100um)太阳能电池制备基板上。
4)“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节到“铺设机器人”的过程物料：CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池的转运：
在“薄膜电池真空蒸镀制备”工艺环节的末尾阶段，电磁取模机构的驱动控制箱操控取膜磁体基板与CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池接触对接，加电压片此时被挤压变形并与薄膜太阳能电池接触，并对其进行接触通电生磁(薄膜太阳能电池在无电流时为无磁状态，不能被磁场力吸引，当被通电流后，瞬间产生磁场，变为电磁体，可以被磁场力吸引)；取膜磁体基板利用自身具有的磁吸力将薄膜太阳能电池从其制备基板上剥离取走；取膜磁体基板在驱动控制箱操控下携带CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池至“铺设机器人”的铺设面板，加电压片断电，CIGS薄膜(厚度100um)太阳能电池磁场消失变为无磁状态，薄膜推出模块将其从取膜磁体基板表面推出，并放置在“铺设机器人”的铺设面板上。
2、月昼每平米CIGS太阳能薄膜电池发电功率计算：
月昼期间月球对地面接收太阳光的照射入射角变化范围为0°～90°～0°，太阳光入射功率为1366W/m2，CIGS太阳能薄膜电池光电转化效率为14％，由此计算得出月昼期间每平米CIGS太阳能薄膜电池发电功率变化曲线如图10所示，为三角函数形态：
对变化曲线进行面积积分，并对月昼天数取平均，可得月昼期间每平米CIGS太阳能薄膜电池平均发电功率为95W。
3、月夜每平米CIGS太阳能薄膜电池发电功率计算：
当月球对地面平行于太阳光入射方向时，认为月球对地面开始进入月夜阶段，直至月球对地面再次平行于太阳光入射方向时，月球对地面月夜阶段结束。则月球对地面在月夜阶段受到的地球反照变化状态如图11所示：
在月夜阶段初始与结束交界处时，月球对地面受到地球反照状态为近半地反照，接受地球投影圆截面一半的反照能量；在月夜阶段的中间时刻，月球对地面受到地球反照状态为近满地反照，接受地球投影圆截面全部的反照能量；处于以上两个时刻之间的月夜阶段中，月球对地面受到地球反照状态为凸地反照，接受地球投影圆截面一部分的反照能量。依据公开的实测数据，当月球对地面受到地球反照状态为近满地反照时，地球反照能量在月球对地面月表的平均值为0.06W/m2，如图12所示：
以此值为基准，依据CIGS太阳能薄膜电池在弱光、低温条件转换效率5％的工程数据，可计算得出月夜期间每平米CIGS太阳能薄膜电池发电功率变化曲线如图13所示，为三角函数形态：
对变化曲线进行面积积分，并对月夜天数取平均，可得月夜期间每平米CIGS太阳能薄膜电池平均发电功率为0.002W。
4、CIGS太阳能薄膜电池月球月表原位制造相关设计及计算：
为了减轻CIGS太阳能薄膜电池自身重量，并保证薄膜电池自身发电性能，设计CIGS太阳能薄膜电池总厚度为0.1mm，其中功能层为2um、Al金属基底层厚度为98um。
依据公开数据资料，CIGS太阳能薄膜电池功能层密度为5.75g/cm3，计算得出每平米CIGS太阳能薄膜电池功能层质量为11.5g，此部分重量的原料由于在月壤成分中含量极低，需要又地球通过货运飞行器运抵至月球表面。根据Al单质金属物质密度，计算得出每平米CIGS太阳能薄膜电池金属基底层质量为264.6g。由此得出，每平米CIGS太阳能薄膜电池总重约为277g。
CIGS太阳能薄膜电池金属基底层Al单质的制备可从月壤中进行提取，依据公开数据资料，月壤中含有Al2O3成分，占比约为13％，如图14所示：
依据以上成分比例，以及Al2O3元素物质量比例，可计算得出制备每平米CIGS太阳能薄膜电池需要约3.9kg月壤(其中，通过月壤电泳分离出507gAl2O3，再通过电解制备可得Al单质约为270g)。
在Al2O3化合物电解制备铝单质的过程中，会有副产品氧气生成，如图15所示：
经计算，制备每平米CIGS太阳能薄膜电池时，会产生约为240g氧气，可用于月球生命保障维持系统构建所需的氧气供给，使得整套发电系统得到应用与商业价值的增值。
5、全系统供电方案具体实例设计、能效分析及计算：
单台套完整发电系统方案从初始建造至最终运营的全流程阶段设计为：1)首先，由地球向月球输运初始物资及设备，初始物资及设备能够保证系统正常运行；2)成本收回阶段，根据设备寿命与电价关系计算曲线设置合理可接受的商业运营电价；3)盈利阶段，根据电池寿命计算评估系统方案能效。
1)初始物资设备输运及运行：单台套完整发电系统运行所需供电功率估算为10kW(月壤电泳原位制备化合物1kW、Al2O3化合物电解制备铝单质5kW、电池金属铝膜基底成型1kW、薄膜电池真空蒸镀制备2kW、月壤搬运及电池铺设机器人装置1kW)。单台套完整发电系统的CIGS太阳能薄膜电池原位制造只在月昼阶段运行(月夜阶段太阳能电池每平米发电功率过低，如要满足10kW发电功率所需太阳能电池总面积巨大)，为了满足初始系统运行10kW供电功率，需要从地球携带106m2CIGS太阳能薄膜电池至月球表面(10kW÷95W/m2≈106m2)，总重约为24kg(106m2×0.277kg/m2≈24kg)。单台套完整发电系统总重估算为6吨(月壤电泳原位制备化合物1.5吨、Al2O3化合物电解制备铝单质1.5吨、电池金属铝膜基底成型1吨、薄膜电池真空蒸镀制备1吨、月壤搬运及电池铺设机器人装置1吨)，需由地球携带至月球表面。
单台套完整发电系统及相关物资原料一旦运至月球表面，立即装置展开并开始工作，系统自身由所携带的106m2CIGS太阳能薄膜电池供电，在月昼阶段连续不间断原位制造CIGS太阳能薄膜电池，并同步铺设开始发电，发电时间为月昼月夜全天候时间。
2)成本收回阶段：单台套完整发电系统的工作成本主要由初始阶段由地球运输至月球表面的发射运输费用构成(系统本身造价及携带物资原料造价与发射运输费用相比可以忽略)。
设置单台套发电系统工作n年后收回成本，且CIGS太阳能薄膜电池原位制造生产率为1m2/h，则n年月昼期间总共生产出CIGS太阳能薄膜电池4380nm2(365天×0.5×24h×n年×1m2/h＝4380nm2)，则共需要从地球携带50.4nkgCIGS太阳能薄膜电池功能层制备原料至月球表面(4380nm2×0.0115kg/m2≈50.4nkg)。
依据当前公开数据资料，地球至月球发射运输成本评估为每千克12.5万美元，即约为80万人民币每千克，则单台套完整发电系统工作成本约为48.2亿+40320000n元(计算过程为：(6吨+50.4nkg+24kg)×80万/kg)。在单台套完整发电系统工作的n年中，总共发电量为0.095kW×0.5×(365天×0.5×24h×n年+1)×(365天×0.5×24h×n年)度电，总发电量计算过程为：单台套完整发电系统制造出的第一块1平米CIGS太阳能薄膜电池随即开始发电，以此类推，每制造出一块1平米CIGS太阳能薄膜电池，其随即开始发电至n年末尾，直至n年末尾制造出的最后一块1平米CIGS太阳能薄膜电池工作1小时结束，由于月夜期间每平米CIGS太阳能薄膜电池发电功率过低，因此计算总量时不考虑月夜期间的发电量，只考虑月昼期间的发电量。
依据以上工作成本、总发电量计算结果，则单台套完整发电系统在收回成本工作n年中的电价为：(48.2亿+40320000n元)/(0.095kW×0.5×(365天×0.5×24h×n年+1)×(365天×0.5×24h×n年)度电)，其变化曲线如图16所示：
综合考虑单台套完整发电系统寿命与电价可接受程度，将电价确定为26元/度，则对应的收回成本工作时间为15年。此时，总发电量约为2.05亿度，CIGS太阳能薄膜电池总生产量约为18.2吨，总面积为65700m2，相当于边长约为256米方形矩阵或者直径约289米圆形区域，形成的太阳能电池阵在月昼期间同时工作的发电功率约为6241.5kW、在月夜期间同时工作的发电功率约为131.4W，在Al2O3化合物电解制备铝单质过程中附带氧气总生产量约为15.8吨，总共需地球输运CIGS太阳能薄膜电池功能层原料约为756kg，总共消耗月壤约为256.23吨。
3)盈利阶段：设置单台套完整发电系统原位制造的CIGS太阳能薄膜电池有效寿命为20年，单台套完整发电系统从被输运至月球表面开始制造薄膜电池至收回成本并消耗完CIGS太阳能薄膜电池功能层原料停止制造作业，共耗时15年，则其制造出的第一块1平米CIGS太阳能薄膜电池有效寿命还剩余5年，即其全部制造的CIGS太阳能薄膜电池能够同时工作的时间为5年(即能够保证月昼期间发电功率为6241.5kW、月夜期间发电功率为131.4W的时间周期；5年过后随着第一块被制造出的CIGS太阳能薄膜电池失效开始，每过一小时就会有一块CIGS太阳能薄膜电池失效，直至再过15年全部被制造出的CIGS太阳能薄膜电池失效，太阳能电池阵整体的发电功率也逐渐降低为0，因此不再计算最后15年的盈利情况)，计算此5年的全系统总盈利约为35.5亿元((6241.5kW+131.4W)×5年×365天×0.5×24h×26元/度≈35.5亿)。如果其在Al2O3化合物电解制备铝单质过程中生产的附带15.8吨氧气也被商业运营利用，则其总盈利利润会超过35.5亿。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，其特征在于，所述系统包括：月壤电泳分离金属化合物制备装置、电解制备金属单质装置、CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置、CIGS太阳能薄膜电池制备装置、旋转抖落机构装置和电磁取膜机构装置；其中，
所述月壤电泳分离金属化合物制备装置，用于采用电泳分离方法从月壤中分离得到化合物Al2O3；
所述电解制备金属单质装置，用于对Al2O3进行电解，得到Al单质；
所述CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置，用于利用Al单质进行金属Al膜基底成型；
所述CIGS太阳能薄膜电池制备装置，用于接收从地球运输至月球表面的铜、铟、镓、硒四种元素原材料，并将四种元素镀于Al膜基底上，得到CIGS太阳能薄膜电池；
所述旋转抖落机构装置，用于将Al2O3输送至电解制备金属单质装置；还用于将Al单质送至CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置；
所述电磁取膜机构装置，用于将成型的Al膜基底送至CIGS太阳能薄膜电池制备装置；还用于将制备好的CIGS薄膜太阳能电池转运到月球表面进行供电。
2.根据权利要求1所述的利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，其特征在于，所述月壤电泳分离金属化合物制备装置包括：机器人、电泳分离悬浮罐和滤纸；其中，
所述机器人，用于采集月壤，并将月壤送入电泳分离悬浮罐；
所述电泳分离悬浮罐中包括悬浮液；所述悬浮液用于使月壤处于悬浮状态，并利用月壤中不同物质在悬浮液中静电电位不一致导致在悬浮液电场中移动速度不同而使月壤中不同物质达到分离，从而分离出化合物Al2O3；
所述滤纸，用于截留悬浮液中分离出的Al2O3。
3.根据权利要求1所述的利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，其特征在于，所述电解制备金属单质装置包括电解池，用于溶解Al2O3，并对Al2O3进行电解析出得到Al单质。
4.根据权利要求1所述的利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，其特征在于，所述CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置包括：坩埚和附着厚板；其中，
所述坩埚，用于对Al单质进行加热使其蒸发；
所述附着厚板，用于对蒸发的Al单质进行降温使Al单质沉积获得Al薄膜；还用于在降温后对Al薄膜进行剥离，获得Al膜基底。
5.根据权利要求4所述的利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，其特征在于，所述CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置获得Al膜基底的具体过程包括：
Al单质被放入坩埚中的同时，附着厚板移动就位；
在月表真空环境中加热附着厚板至规定温度，而后加热坩埚使Al单质受热开始蒸发分离并沉积到对面的附着厚板上；
待附着厚板停止加热、降温后，将Al膜基底从附着厚板上剥离。
6.根据权利要求1所述的利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，其特征在于，所述旋转抖落机构装置包括滤纸夹紧柱、旋转驱动电机、垂直抖落圆筒、垂直高频驱动电机和称重底盘；其中，
所述滤纸夹紧柱，用于取出制备完成的Al2O3化合物或者单质Al，并送入到垂直抖落圆筒；
所述旋转驱动电机，用于驱动滤纸夹紧柱进行高速旋转，将Al2O3化合物或者单质Al旋转甩出；
所述垂直抖落圆筒，用于利用其筒壁对旋转甩出的Al2O3化合物或者单质Al进行收集；
所述垂直高频驱动电机，用于驱动垂直抖落圆筒沿垂直方向往复高频抖动，将飞溅到垂直抖落圆筒筒壁上的Al2O3化合物或者单质Al抖落到称重底盘的盘面上；
所述称重底盘，用于收集Al2O3化合物进行称重，并依据所称重的数值反馈控制垂直高频驱动电机与旋转驱动电机的启停，以控制将Al2O3输送到电解制备金属单质装置中；还用于收集单质Al进行称重，并依据所称重的数值反馈控制垂直高频驱动电机与旋转驱动电机的启停，以控制将单质Al输送到CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置中。
7.根据权利要求1所述的利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，其特征在于，
所述电磁取膜机构装置，包括驱动控制箱、取膜磁体基板、加电压片和薄膜推出模块；其中，
所述驱动控制箱，用于操控取膜磁体基板与Al膜基底或者与CIGS薄膜太阳能电池接触对接；还用于控制加电压片的通断电以及薄膜推出模块的推出动作操控；
所述加电压片，用于当取膜磁体基板与Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池接触对接时，对Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池进行通电生磁；并在金属Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池被剥离后，对金属Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池进行断电消磁；
所述取膜磁体基板，用于Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池通电生磁后，利用磁吸力将金属Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池剥离；
所述薄膜推出模块，用于在金属Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池断电消磁后，推出Al膜基底或者CIGS薄膜太阳能电池，将Al膜基底送至CIGS太阳能薄膜电池制备装置或将CIGS薄膜太阳能电池转运到月球表面进行供电。
8.根据权利要求1-7之一所述的利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的系统，其特征在于，所述系统还包括铺设机器人，用于将CIGS薄膜太阳能电池铺设在月球表面，形成固定式CIGS薄膜太阳能电池阵。
9.一种利用月壤原位制造CIGS太阳能薄膜电池并使用其供电的方法，基于权利要求1-8之一所述的系统实现，所述方法包括：
将所需的铜、铟、镓、硒四种元素原材料从地球运输至月球；
月壤电泳分离金属化合物制备装置从月壤中分离得到化合物Al2O3；
旋转抖落机构装置将Al2O3输送到电解制备金属单质装置；
电解制备金属单质装置对Al2O3进行电解，得到Al单质；
旋转抖落机构装置将Al单质输送到CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置；
CIGS太阳能薄膜电池金属基板制备装置利用Al单质进行金属Al膜基底成型；
电磁取膜机构装置将成型的Al膜基底取出，并输送至CIGS太阳能薄膜电池制备装置；
CIGS太阳能薄膜电池制备装置将铜、铟、镓、硒四种元素蒸镀于Al膜基底上，得到CIGS太阳能薄膜电池；
电磁取膜机构装置将CIGS太阳能薄膜电池取出并装载于铺设机器人中，并由铺设机器人在月表铺设固定式CIGS薄膜太阳能电池阵；
将CIGS薄膜太阳能电池铺设在月球表面，形成固定式CIGS薄膜太阳能电池阵，通过固定式CIGS薄膜太阳能电池阵在月球对地面处于月昼期间利用太阳光进行发电、在月夜期间利用地球反照的太阳光进行发电，从而实现对月球上负载供电。
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