电源供给系统的设计和优化

航天器上都带有电源供给系统，目前应用最广泛的是太阳能电池和燃料电池。核电源是近年来研究的热门电源供给系统。

1.太阳能电池

太阳能电池依靠半导体的光伏效应，将太阳能直接转换成电能。在地球附近的空间环境中，太阳能是最丰富且最易获取的能源，这一特点使得太阳能电池在空间航天器上得到广泛的应用。据统计，在空间飞行时间超过数周的航天器上，以太阳能电池作电源供电的约占90% ［1］。

太阳能电池种类繁多，其中满足空间任务需求并已被成功应用的主要有单晶硅太阳能电池、高效率硅太阳能电池、GaAs 单结和多结太阳能电池。

单晶硅太阳能电池的转换效率较高，技术成熟，具有高稳定性和高强度，是最早用于空间领域的太阳能电池，但其抗辐射性能相对较弱；高效率硅太阳能电池是对硅太阳能电池的设计和制造工艺进行改进，提升其光电转换效率（从10%提升到17%）［3］。

GaAs 属于直接跃迁型材料，对可见光吸收系数很高，并且厚度小、柔性好，容易制作成薄膜型电池，体积和重量大大减小。目前，单结GaAs 太阳能电池的效率可达28%，美国空军制造的双结GaInP/GaAs/Ge 电池转换效率达到24.2%，三结GaInP/GaAs/Ge 电池转换效率达到25.5%。因此，GaAs 太阳能电池逐渐取代硅太阳能电池，成为航天器太阳能电池的主流选择［4］。

航天器上的太阳能电池一般组装成阵列，其功率容量也从最初的不到1 W发展到现在的75 kW，未来还会更高。相关报道的大功率太阳能电池阵一般采用大型面板的展开式结构，由基板、连接架、压紧释放机构和展开锁定机构等部件组成，最大容量可达75 kW，能量密度达到45 W/kg。随着组装技术的发展，采用柔性结构的电池阵能量密度可达100 W/kg ［3］。

2.燃料电池

燃料电池（Fuel Cell）技术是以电化学、化学动力学、材料科学、物理学、催化剂理论、电力电子工程等学科为基础的一门高技术。燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续地转变为电能的发电装置。由于大多数电池包括各种原电池、蓄电池和储备电池等，都只能用于短时间、小范围、低电压、小电流的局部供电，不可能发展成发电设备，而燃料电池却展现特殊的发展前景，其燃料和氧化剂分别储存在电极之外，使用时只要连续不断地将燃料和氧化剂分别供给燃料电极与氧化剂电极。它就可以不断工作，将化学能转变为电能。用作燃料电池的燃料主要有氢、甲醇、联氨、甲醛、煤气、丙烷和碳氢化合物等，用作氧化剂的有氧、空气以及氯溴等卤族元素［1-2］。它的主要优点有以下几个。

（1）不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率可达60%～80%。

（2）洁净，无污染，噪声低，隐蔽性强。(www.xing528.com)

（3）模块结构，适应不同功率要求，灵活机动。

（4）比功率大，比能量高，对负载的适应性能好。

（5）可实现热、电、纯水联产。

航天领域应用的燃料电池通常是碱性（AFC）和质子交换膜（PEMFC）两种类型，燃料和氧化剂分别采用液氢与液氧，能量转换效率可达50%～70%，适合用作功率要求在1～10 kW，飞行时间在1～30 d 载人航天飞行器的主电源［1］。

AFC 采用KOH（氢氧化钾）溶液为电解质，纯氢为燃料，纯氧为氧化剂，是航天领域中应用较成功的一种燃料电池。但由于电解液KOH 的高腐蚀性，导致AFC 电池寿命短，且电池本身制造成本和维护成本都很昂贵，安全性差。

PEMFC 最初采用聚苯乙烯磺酸膜，这种膜降解速度快，电池很快就失效。近20 年来，新型PEMFC 在地面上的应用研究取得了较大进展，航天领域又将燃料电池的研究重心回到PEMFC 上，目前的研究热点是将PEMFC 结合电解水系统组成再生型燃料电池（RFC）。

3.核电源

空间核电源是将核衰变或核裂变过程中产生的热能转换为电能，主要分为放射性同位素电源和反应堆电源两类。放射性同位素电源一般应用于功率在千瓦以下的场合，而反应堆电源的功率可以达到数百千瓦甚至上兆瓦［5］。

核反应释放的热能转换成电能有静态转换和动态转换两种方式，静态转换方式是通过静态能量转换装置（如热电转换器或热离子转换器）直接将热能转换为电能；动态转换方式是先将热能转换成机械能，再通过机电装置发电，是一种间接热电转换。动态转换的能量转换效率一般比静态转换高，但是由于系统存在运动部件，结构比较复杂，因此可靠性和寿命较低。采用热离子和动态转换相结合的热电发电机，能尽可能提高空间核电源的转换效率。

目前，美国和俄罗斯正在研制功率达到数十至数百千瓦反应堆热离子发电器，主要用作航天器电推进系统的电源。欧洲、日本、中国等国也在空间核电源方面开展研究。总体上说，空间核电源正朝着大功率（数百至数千千瓦）、长寿命（10～15 年）方向发展［1］。