一种模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统

1.本技术涉及深空探测电源技术领域，具体而言，涉及一种模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统。


背景技术：

2.目前，我国实施的空间探测任务中，航天器的能量源主要为太阳能电源。随着航天器空间位置逐渐远离太阳，单位面积的太阳光强随距离呈平方衰减，太阳能供电的能力将急剧下降。未来五年到十年内，我国将启动木星、小行星等深空探测任务，木星探测器的电功率需求为300～600w，因此必须考虑空间核电源的使用。
3.空间核电源是一种通过热电转换技术将核热能转换为电能供航天器使用的装置，其不依赖于空间光照环境，是开展深空探测任务的理想能量源。但现有的实施方案存在输出不稳定，工作周期短，光电转化效率低等问题。


技术实现要素：

4.本技术提供一种模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统，以改善上述问题。
5.本发明具体是这样的：
6.一种模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统，包括光电转换模块、热控模块以及散热模块；
7.光电转换模块包括热源部、辐射器、滤波器及光伏电池；由热源部的内部至热源部的外部的方向，辐射器、滤波器及光伏电池设置于热源部的四周；辐射器用于将热源部产生的热量转换为热辐射能，滤波器用于过滤光子，光伏电池阵列用于实现光电转换；
8.热控模块与光电转换模块连接，热控模块用于控制热源部的温度；
9.散热模块与光电转换模块连接，散热模块用于散发滤波器和光伏电池上的热量。
10.在本发明的一种实施例中，热源部包括多个gphs热源，多个gphs热源沿预设方向依次层叠设置；
11.辐射器、滤波器及光伏电池设置于热源部绕预设方向的四周。
12.在本发明的一种实施例中，热控模块包括两个隔热层以及多个陶瓷连接件；
13.沿预设方向，两个隔热层分别设置于热源部的两端，多个gphs热源均通过陶瓷连接件连接。
14.在本发明的一种实施例中，每个隔热层均包括多个层叠设置的隔热板，且任意两个相邻的隔热板之间均设置有隔热气凝胶层。
15.在本发明的一种实施例中，散热模块包括多个散热背板及多个散热翅片；
16.多个散热背板设置于光电转换模块的外周，且与光伏电池贴合；每个散热翅片均与散热背板连接。
17.在本发明的一种实施例中，散热模块包括四个散热背板及四个散热翅片；
18.四个散热背板分布于光电转换模块的四周，且每个散热背板均与光电转换模块的
热控模块；130-散热模块；111-热源部；112-辐射器；113-滤波器；114-光伏电池；115-gphs热源；121-隔热层；122-陶瓷连接件；131-散热背板；132-散热翅片；133-铝蜂窝芯；134-铝板；135-高热导复合板；116-单片晶元。
具体实施方式
41.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
42.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
45.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
47.请参照图1-图5，本发明提供一种模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统100，包括光电转换模块110、热控模块120以及散热模块130；
48.光电转换模块110包括热源部111、辐射器112、滤波器113及光伏电池114；由热源部111的内部至热源部111的外部的方向，辐射器112、滤波器113及光伏电池114设置于热源部111的四周；辐射器112用于将热源部111产生的热量转换为热辐射能，滤波器113用于过滤光子，光伏电池114阵列用于实现光电转换；
49.热控模块120与光电转换模块110连接，热控模块120用于控制热源部111的温度；
50.散热模块130与光电转换模块110连接，散热模块130用于散发滤波器113和光伏电池114上的热量。
51.该模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统100的工作原理是：
52.请参照图1-图5，该模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统100包括光电转换模块110、热控模块120以及散热模块130；光电转换模块110包括热源部111、辐射器112、滤
波器113及光伏电池114；由热源部111的内部至热源部111的外部的方向，辐射器112、滤波器113及光伏电池114设置于热源部111的四周；辐射器112用于将热源部111产生的热量转换为热辐射能，滤波器113用于过滤光子，光伏电池114阵列用于实现光电转换；热控模块120与光电转换模块110连接，热控模块120用于控制热源部111的温度；散热模块130与光电转换模块110连接，散热模块130用于散发滤波器113和光伏电池114上的热量。模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统100的光电转化效率高，使用周期长，而且能够在高效运行的过程中，保持良好的使用稳定性。
53.进一步地，请参照图1-图5，在本实施例中，在设置热源部111时，热源部111包括多个gphs热源115，多个gphs热源115沿预设方向依次层叠设置；
54.辐射器112、滤波器113及光伏电池114设置于热源部111绕预设方向的四周。
55.其中，滤波器113为设置于光伏电池114阵列的内侧面的一维光子晶体过滤器。而光伏电池114包括多个单片晶元116，多个单片晶元116阵列式布置，且蛇形串联。
56.核能的来源一般为放射性同位素衰变能和核反应堆裂变能两种。对于电功率需求小于1kw的航天器，一般采用小体积的同位素电源系统。目前，同位素电池系统主要包括同位素温差发电(rtg)、斯特林循环发电(asrg)、同位素热光电发电(rtpv)三种，其中斯特林循环发电技术是热电动态转换技术，其他两个为静态转换技术。温差发电技术(rtg)的效率在3～5％，工程应用成熟已经有型号产品，但其消耗稀缺同位素核源过多，难以匹配未来任务百瓦级功率需求；热光电技术(rtpv)的效率可达到15％～30％，是同位素电源未来发展的核心之一。
57.热光电转换技术的原理概念最早在20世纪60年代被提出，其能量转换的基础是光电能量转换，主要利用红外辐射的能量转换。系统主要通过广义的能量源(太阳能、化学能、核能等)加热辐射器112，通过调节辐射器112的材料与结构调制特定波段的光谱，通过过滤器二次调制特定的光谱，最终特定的光谱为光伏电池114可吸收波段的光谱，提高光谱的匹配程度使最终达到较高的光电转换效率。自1994年至今，美国先后研制了毫瓦级、瓦级、几十瓦级的空间同位素电源系统，通过系统级的优化，可以实现大功率工程样机的热电转换效率在15％-20％之间，充分证明了热光伏空间同位素电源系统的先进性。
58.针对于我国深空探测任务需求，本发明开展了百瓦级空间同位素热光电电源系统的设计，选用国际通用标准gphs热源115，根据热功率需求可从单个扩展至多个实现输入功率2000w，选用特征辐射器112及滤波器113，匹配合适的光伏元件，实现系统输出功率在300～600w之间。为了评估该系统使用寿命，开展了系统衰减率研究，为该系统的工程化设计奠定了基础。
59.本发明采用国际上通用gphs热源115，单个gphs热源115的热功率为250w，为了防止同位素泄露，热源从内到外依次为
①
pu-238燃料弹丸、
②
铱金属包壳、
③
fwpf防撞层、
④
cbcf隔热层121及
⑤
fwpf防撞外壳，尺寸为9.32cm
×
9.72
×
5.3cm.
60.238pu是典型的α热源，半衰期长达87.6年，产生的α粒子是氦原子核，为重带电粒子，其能量高，在物质中射程短，能量容易集中，与物质作用仅在物质表面产生次级电子，屏蔽要求低，是同位素热光电电源系统最理想的同位素热源燃料。
61.根据300～600w电功率的任务需求，模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统100的输入功率为2000w，采用8个标准gphs热源115叠加的形式，热源尺寸为9.32cm
×
9.72
×
42.4cm。采用四周面发电，热源上下面使用隔热材料控制温度，支撑部分为低导热率的陶瓷螺钉，有效提高热阻，减少热源热量流失。根据仿真计算，热源表面平均温度可达1500k。
62.模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统100采用二维微结构辐射器112，利用物体表面微观结构具有与光波波长相匹配时的微腔共振效应，设计具有选择性的辐射器112。针对于铟镓砷和锑化镓两种半导体晶元，辐射器112优化尺寸分别为r＝0.5μm，a＝1.3μm，d＝2～8μm和r＝0.55μm，a＝1.3μm，d＝2～8μm。
63.上述的二维微结构，可直接利用离子束刻蚀方法将微结构刻蚀在钨、钽高温金属表面，辐射器112背面尺寸与热源一致，使其能完全贴合在热源表面与热源相连接，其对光谱的调制效果如图6所示。
64.滤波器113采用一维光子晶体过滤器，其特征为高低折射率的1/4波堆构成，可形成一定带宽的禁带，具体采用si和sio2的材料形成的结构，再在表面进行优化镀膜。所述的一维光子晶体过滤器，可通过物理气相沉积法镀在晶元表面。
65.根据仿真计算，每块散热背板131可使用布片面积18*40cm，采用铟镓砷和锑化镓等红外晶元作为转换材料，单片晶元116的规格为1.5*1cm，排布采用紧凑式阵列排片，最大布片为12*40，为了避免功率在电路中损耗，根据光照分布情况进行蛇形串并联，由此完成发电输出。
66.进一步地，请参照图1-图5，在本实施例中，在设置热控模块120时，热控模块120包括两个隔热层121以及多个陶瓷连接件122；
67.沿预设方向，两个隔热层121分别设置于热源部111的两端，多个gphs热源115均通过陶瓷连接件122连接，其中，陶瓷连接件122为陶瓷螺钉。
68.具体的，每个隔热层121均包括多个层叠设置的隔热板，且任意两个相邻的隔热板之间均设置有隔热气凝胶层。
69.本发明隔热层121位于的光电转换模块110的上下两个面，且隔热板的隔热材料采用高温多层隔热组件，并采用气凝胶作为间隔层，采用低发射率钼板、镍箔、不锈钢箔及铝箔组合作为隔热板，低导热率的陶瓷螺钉用于固定热源。通过以上多层的组合方式，减少热源热量从热源上下两个面流失。根据仿真计算，采用上述隔热方法，热源表面平均温度可达1500k。
70.进一步地，请参照图1-图5，在本实施例中，在设置散热模块130时，散热模块130包括多个散热背板131及多个散热翅片132；
71.多个散热背板131设置于光电转换模块110的外周，且与光伏电池114贴合；每个散热翅片132均与散热背板131连接。
72.具体的，散热模块130包括四个散热背板131及四个散热翅片132；
73.四个散热背板131分布于光电转换模块110的四周，且每个散热背板131均与光电转换模块110的一个侧面对应；
74.每个散热翅片132均与一个散热背板131对应连接。
75.而且，每个散热翅片132均与对应的散热背板131平行。
76.每个散热翅片132均包括铝蜂窝芯133、两个铝板134、两个高热导复合板135以及多个热管；
77.沿铝蜂窝芯133的厚度方向，两个铝板134设置于铝蜂窝芯133的两侧，两个高热导复合板135设置于铝板134的两侧；
78.多个热管嵌入铝蜂窝芯133内。
79.采用散热翅片132通过热辐射方式进行散热，百瓦级核电池的总热量为2000w，(其中，400w为任务需求电功率，1600w需要被散热损耗掉)，为了维持背板工作温度20℃，选用平均发射率接近0.9的材料，散热翅片132采用三明治结构，中心为铝蜂窝芯133(内嵌四条al/nh3热管)，铝蜂窝板两侧表面内侧为铝板134，防止翅片发生弯曲，外侧为高热导率的c-c复合材料。上述结构可进行双面散热，减少散热翅片132的重量和面积，翅片单位面积重量为1.8kg/m2。根据实际物体半球辐射总功率计算得到散热翅片132的总净面积为4.25m2。按照四块散热翅片132进行设计，每块散热翅片132与系统四个发电面背板连接，连接处单面散热(0.1m2)，其余位置两个方向进行散热，每块散热翅片132向外延伸的面积为0.48m2，单块散热翅片132的重量为1.04kg，散热翅片132总重量为4.18kg。
80.基于上述内容可知，请参照图1-图5，空模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统100的形状为长方体，大小约为20cm
×
20cm
×
50cm，热源温度在1200k～1500k，距离热源3cm处机壳内表面布满滤波器113和晶元阵列，机壳温度在-20℃～20℃。
81.本发明热源由8个国际标准gphs热源115叠加而成，实现输入功率2000w，采用热源体四周发电，系统上下层使用发射率低的隔热材料控制温度，热源上下支撑部分为低导热率陶瓷螺钉，有效提高热阻，减少热源热量流失，维持热源温度稳定在1200～1500k左右。
82.当本发明的使用环境在深空环境中时，外界为真空环境，为了提高系统效率，滤波器113和晶元温度需维持在常温，采用散热翅片132通过热辐射方式进行散热。在四个发电面的背板处，安装四个面积大小相同的散热翅片132，使滤波器113和晶元的温度维持在-20℃～20℃。
83.基于上述内容，光电转换模块110的物理设计原理如下：
84.同位素热光电技术主要利用同位素的衰变能沉积到辐射器112表面，辐射器112调制特定波段的光谱通过滤光器进行二次调制，最终到达晶元表面进行光电转换。根据黑体辐射公式，λ～λ+dλ的辐射公式如下：
[0085][0086]
式中：
[0087]
q(λ)为单位面积波长为λ光波的能量密度，单位w/m/m2；
[0088]
λ为光波长，单位m；
[0089]
h为普朗克常数，单位j/k；
[0090]
k为玻尔兹曼常数，单位j
·
s；
[0091]
c为光速，单位m/s；
[0092]
光电转换模块110是通过辐射器112辐射出热量，部分光透过滤波器113，部分波段的光波被滤波器113反射回去二次加热热源，所以二者之间存在着一种迭加平衡。平衡时，辐射器112和滤波器113的辐射公式分别为：
[0093]
[0094][0095]
式中：
[0096]qs
为辐射器112表面的辐射功率，qc为滤波器113表面的辐射功率；
[0097]
εs(λ)为辐射器112的发射率，εc(λ)为滤波器113表面发射率；
[0098]rs
(λ)为辐射器112表面反射率，rc(λ)为滤波器113表面反射率；
[0099]
ts为辐射器112的表面温度，tc为滤波器113的表面温度。
[0100]
由此可得到透过滤波器113到达晶元表面的净辐射量为：
[0101]qnet
(λ)dλ＝[qs(λ)-qc(λ)]dλ
[0102]
带入相应公式得到：
[0103][0104]
由于热源(辐射器112)温度ts在1200k～1500k的范围左右，滤波器113温度tc需控制在253k～293k之间，所以tc＜＜ts，上式方括号内的第二项可省略，即可得到：
[0105][0106]
由此公式可见，影响净光照强度主要因子为ts、εs(λ)和rc(λ)。其中ts为热源的温度，此温度主要影响黑体的峰值位置，根据使用的晶元，本发明的工作温度ts＝1200k～1500k，热源的温度可以通过同位素的功率密度来实现。
[0107]
其他两个因子为本发明的光谱高效匹配技术的关键点。
[0108]
εs(λ)代表辐射器112的发射率，本发明通过选取材料，并在辐射器112表面进行加工处理，得到具有调制特性的辐射器112曲线，调制曲线需要使1～2μm的光尽可能多的辐射出来，其他波段的光不进行辐射，由此本发明设计的辐射器112的发射率曲线如图6所示；
[0109]
如果使用1500k的热源加热辐射器112，通过黑体辐射公式可以得到此时辐射器112的发射光谱，如图7所示。
[0110]
rc(λ)代表滤波器113的反射率，本发明通过设计特殊膜系与结构的光学过滤器件，对经过辐射器112调制的发射光谱进行二次调制，尽量压低1～2μm以外波段的光谱，形成1～2μm高通地带通滤波器113，具体效果如图8所示。
[0111]
本发明设计的滤波器113在短波几乎不吸收，在长波吸收较高，但辐射器112以此调制已将长波段的光大大降低了，同时在1～2μm的透过率平均水平在95％，禁带宽度可达1.8μm，可有效抑制近红外无法利用光的透过率，1500k辐射器112发射光谱经过二次调制后的净光谱如图9所示。
[0112]
此时净光谱基本只剩下1～2μm可利用的光谱，同时辐射强度也相对较高。净辐射光到达晶元表面和晶元产生光电效应，光子能流转化为电子能流得到电子能流通量如下：hv＝hc/λ
[0113]
[0114]
式中：
[0115]
α为晶元有效布片率；
[0116]
q(λ)为晶元外量子效率。
[0117]
本发明使用的晶元有锑化镓、铟镓砷等红外波段的晶元，这类晶元的外量子曲线集中在0.8～2.2μm，这也是前面的辐射器112和滤波器113调制的波段，由此可形成高效的光伏匹配技术，铟镓砷和锑化镓晶元的量子效率曲线如图10所示。
[0118]
通过光电效应转化的电流如下：
[0119][0120]
式中：
[0121]
e为电荷单位。
[0122]
晶元的开路电压如下：
[0123]voc
＝(ktc/e)ln[(j
sc
/j0)-1]
[0124]
式中：
[0125]
j0为饱和电流密度，其经验公式如下：
[0126]
j0＝[2.555
×
10-4
t
c3
exp(-fg/ktc)]
[0127]eg
为铟镓砷(锑化镓)的禁带宽度。
[0128]
由于滤波器113靠近晶元，所以晶元温度与滤波器113温度将近，即晶元工作温度影响晶元的输出特性，所以本发明控制晶元温度在-20℃～20℃之间。
[0129]
最终晶元的输出效率为：
[0130]
p
max
＝j
scvoc
ff
[0131]
其中ff为填充因子，反应晶元连接负载的实际输出水平。
[0132]
经过设计本发明的热光伏电源系统的效率曲线如图1所示。
[0133]
综上，该光电转换模块110的光电转化设计效率可达到15～30％。
[0134]
请参照图1-图5，本发明提供的模块化的百瓦级空间同位素热光伏电源系统100性能衰减率可从热源热功率衰减和系统敏感器件受辐照性能衰减两部分进行分析。
[0135]
热源功率衰减服从放射性同位素指数衰变规律：
[0136][0137]
其中，t
1/2
为核素半衰期，w0为热源初始功率。通过计算得到，2000w热源服役20年，热功率衰减至1708.8w，热功率衰减导致系统效率衰减的年衰减率为0.5％。
[0138]
系统敏感器件受辐照性能衰减研究，可根据系统内部的辐照场分布进行评估，通过计算2000w 238
puo2热源中核反应产生的中子、光子、电子强度及能谱分布和空间宇宙射线中质子辐照强度，利用蒙特卡洛方法计算以上粒子的输运情况，得到系统内关键敏感器件，包含辐射器112、滤波器113、半导体晶元，的损伤情况，以此判断粒子辐照对其性能的影响。通过计算，粒子辐照对辐射器112、滤波器113的性能影响较小，主要导致半导体晶元性能衰减，转换效率的年衰减率为0.7％。
[0139]
由此，通过上述的计算模型得到，2000w热光伏系统的年衰减率为1.2％，若任务初
期系统转换效率为30％，服役20年之后，系统转换效率衰减至22.8％，电功率为456w，满足木星探测任务末期的电功率需求。
[0140]
以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。