航天电源技术研究进展

杨紫光，叶 芳，郭 航，马重芳

（北京工业大学环境与能源工程学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室，北京 100124）

进展与述评

航天电源技术研究进展

杨紫光，叶 芳，郭 航，马重芳

（北京工业大学环境与能源工程学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室，北京 100124）

航天电源具备高能量密度、高可靠性、长时间供电等特点， 近年来多种航天电源发展迅速。本文介绍了再生型燃料电池、锂离子蓄电池等新型化学能源，新型的太阳能电池技术，太阳能热动力发电系统和核能热发电系统的现状；着重阐述了在航天飞行器上应用的化学蓄电池、太阳能电池阵-蓄电池组、燃料电池、核能发电系统等电源系统的特点及存在的问题。对于航天电源运控相关的流动与传热问题做了深入探讨，并展望了航天电源的研究方向：太阳能电池有向薄膜化方向发展的趋势，化学蓄电池主要配合太阳能电池；燃料电池适用于长时间远距离活动；核能适用大功率、长航时航天器。

航天电源；太阳能电池；燃料电池；核能发电系统；微重力

航天电源作为航天系统仪器仪表、遥测设备等的电力支持系统，可靠性要求很高。在人类航天史上，就其应用来说，电能主要由太阳能、化学能、核能转化而来，可以分为无机械运动的静态电源和有机械运动（热力循环）的动态电源两种，静态电源中由于不含有移动部件，其可靠性和寿命均有比较明显的优势，目前真正实用的航天电源均为静态电源。

人类航天活动中应用过的电源主要包括一次化学电池、太阳能电池、化学蓄电池、燃料电池、核能热电系统等，太阳能热发电及核热动力发电系统已有不少的实验研究[1-4]。这些电源占世界航天电源应用总和的比例分别为：太阳能电池阵-蓄电池组电源系统90%；化学电池5%；燃料电池3%；核能发电则占约2%[5]。如图1所示为航天电源的主要类型。

图1 航天电源的主要类型

静态电源如太阳能电池和蓄电池没有工质宏观上的流动，需要考虑的散热问题相对简单，可操作空间相对较小，维持电池部件间良好的热流通、电池表面的散热以及控制电池的功率输出是通常采用的方法。动态电源主要是指采用热力循环发电的系统存在工质流动，散热等问题主要在工质流动过程中解决，通过专门设计的流动通道以及独立的散/换热设备实现散热，从散热原理上来看动态电源也更加适合大功率发电系统。严格来说航天应用中的燃料电池的燃料供应方式为主动式，工质也存在着流动，但与普通热机不同，燃料电池中不含有运动部件，只有工质沿流道在反应面上进行化学反应，在这里作者将其划归静态电源。

1 太阳能在航天电源应用中的发展

航天领域中太阳能的利用方式主要包括：光伏发电，太阳能热动力发电，依靠太阳光能或热能促进化学反应（例如燃料制备和蓄热介质）等。

1.1 航天太阳能电池的发展

以光电效应为理论基础的太阳能电池可将太阳光能直接转化为电能，是人造卫星以及空间站等航天飞行器的最常用电源。在太阳照射不到的阴影区，为了保证航天飞行器的连续正常工作，一般太阳能电池阵列都需要与储能装置如蓄电池组以及配电系统等共同构成航天飞行器的电源系统。太阳能电池的第一次使用是在 1958年美国发射的先锋 1号Vanguard卫星上[6]。在实际应用中的光电转换效率一般在6%～25%，单位面积功率可达到150 W/m2，单位质量功率密度则可达到200 W/kg[7]。

太阳能电池无须自带燃料，为飞行器释放了较大的空间和负载，在功率需求相对较小、使用寿命相对较短的绕地轨道飞行器上的应用优势明显。硅太阳电池、砷化镓太阳电池是两种常见的空间太阳电池，为了节约成本及增大电池面积，目前这两种电池热门研究领域是薄膜型（thin-film）太阳电池。与体装式相比，随着功率需求的增加，展开式太阳电池阵的应用比例正在逐渐增大。

（1）硅太阳能电池的发展 1954年美国 Bell实验室发明的世界上第一块硅电池的能量转换效率只有 6%。太阳能电池的能量转化损失主要是太阳光的反射、吸收损失，电池温升造成的能量流失，电池内部的电压降损失，电子集流损失等。随着诸多新技术、新结构的发展应用，如电池表面绒化、钝化等减弱光反射损失，背接触式电池则从结构上减少遮光损失，以及电池温升问题的解决，硅电池目前的转换效率已超过20%。德国ISFH研究所制作的RISE（rear interdigitated single evaporation）电池在采用硼背场结构时的效率达到了 21.5%[8]。另外据最新的报道，著名的德国Fraunhofer太阳能系统研究所 2009年公布的单晶硅的太阳能电池转换效率甚至已经达到了23.4%[9]。

目前硅电池的主要技术发展趋势有两个：一个是薄膜型电池的研究开发，另一个就是寻求提高电池的光电转换效率的技术途径[10]。寻找合适的电池衬底以及硅电池在这些衬底上的制作方法是节约成本的重要措施。薄膜型电池在技术上的问题在于非硅衬底上硅晶粒的长大比较困难，制作时晶粒的连续性不好。目前薄膜型硅电池常见的有多晶硅薄膜电池和非晶硅薄膜电池。制作薄膜型电池的方法主要是气相沉积法，另外溅射法以及利用液相外延原理制备的方法也有一定应用。

（2）砷化镓太阳能电池的发展 砷化镓（GaAs）太阳能电池是ⅢⅤ族系化合物材料太阳能电池的代表。ⅢⅤ族太阳能电池的种类有很多种，主要的有两系，即GaAs系和InP系。GaAs太阳能电池具有高于硅太阳能电池的转换效率，在较高的电池温度下仍能有较好的工作性能，因此目前在航天器主电源上的应用比例增加很快[11]。单结砷化镓电池的转化效率较低，对太阳光能的吸收存在较多的浪费，近年来已经发展出了三结以及更高结的砷化镓电池。三结或多结电池是指采用叠层技术将对太阳光波吸收能力不同的半导体材料制作成多个P-N结结构的电池。三结砷化镓电池在2002年已经应用于轨道飞行器上，最大转化效率达到26.5%[5]。四结砷化镓电池的转化效率已达35%，相对成本大为降低，单位面积功率密度和单位质量功率密度分别在375 W/m2和145 W/kg[11]。

1.2 太阳能热动力发电系统的发展

太阳能热动力发电系统采用聚光技术将光聚集到吸热设备吸收热能，然后驱动工质进行热力循环发电或者直接热电转换。这种系统相对光伏发电而言，有较高的能量利用效率。太阳能热动力发电系统的成本远低于光伏电池，近些年来地面的太阳能应用开始有向太阳能热动力发电方向发展的趋势，在空间能源应用中也有一定研究[3，9]。美国和俄罗斯曾经联合为国际空间站开发过一种热动力发电系统作为太阳能电池阵的余热回收及电源辅助利用设备，太阳能利用效率在试验中已经达到30%，发动机的热能利用效率约为 90%[7]，不过该系统并没有实际应用。

太阳能热动力发电的动力循环一般有3种：斯特林循环（Stirling）、布雷顿循环（Brayton）、朗肯循环（Rankine）等。斯特林机是一种外燃机，工质为气体（氢气、氦气等），热源在气缸外加热，工质受热膨胀做功产生动力。布雷顿循环也采用气体工质，系统主要包括涡轮发电机、压气机以及散热器等，太阳能加热经过压气机压缩的气体工质，获得高温高压的气体驱动涡轮产生动力，膨胀做功之后的气体经过散热器冷却之后进入压气机从而完成循环。朗肯循环发电系统工质为水或某些合适的制冷剂等[12]，循环过程中存在气液两相流动，技术上相比前两种循环难度增加[13]，目前朗肯循环的发电系统在航天上应用的研究很少，但是该循环存在相变，同等条件下吸收的热量要远大于没有相变的循环。热力循环发电系统由于工质流速较高，微重力环境对工质流动的影响较小。在这几种循环中，散热器是系统的基本组成部分之一，工质流动及散热受流道的形状影响很大，对系统的性能优化有显著作用。日本Ohta等[14]针对空间电站废热排放所进行的两相窄通道流动沸腾传热研究，强化效果明显。太阳能热动力发电循环的散热器一般为平板型，由于热源的特性不同系统的布置不如核动力发电系统紧凑。

2 化学能源在航天电源应用上的发展

化学能源主要是指各种通过化学反应的方法来储存、释放电能的能源，主要有各种化学蓄电池以及适合应用于航天的各种燃料电池等。化学蓄电池储存的电能容量有限，主要用于太阳能电池在产电高峰期时储能以应对地影期的设备电力供应。燃料电池因其反应产物为水，简单处理后可以直接饮用，在载人飞行器上的使用较多。例如美国的航天飞机以及登月飞船上都采用了燃料电池作主电源，燃料电池由于存在工质的流动，在太空环境中会呈现一些与地面上显著不同的特性。

2.1 化学电池组的发展

在航天活动中最为常见的一次化学电池是银锌电池、锂原电池及Li/SOCl2电池等，这类电池无法重复充电，目前只在返回式卫星、火箭等少数短时航天飞行器及一些航天飞行器的备用电源中还有应用。Li/SOCl2电池的优点是可在-55～85 ℃的温度范围内能正常工作，短时大电流放电可达几百安培，单位质量能量密度已经达到0.4～0.6 kWh/kg，单位体积能量密度则为800 kWh/m3[15]，但在高电流放电时存在散热问题并导致安全性问题，限制了这种电池的发展。

航天活动中已经实际应用的蓄电池组主要包括银锌、银镉、镍镉、镍氢、锂离子蓄电池组等类型。表1是几种主要储能蓄电池组的基本性能。

表1 几种主要的航天储能蓄电池组性能表

银锌电池性能稳定，1957年前苏联发射的世界第一颗人造地球卫星 Sputnik-1采用的就是银锌蓄电池组。银锌蓄电池在干燥环境中可以保存5年，但在湿荷态条件下自放电现象严重，只能保存1～2个月[16]，且循环充放电次数较少。由于缺点明显，目前锌银蓄电池组在航天活动中的应用已经很少见，多应用于载人航天的应急备用电源上。

镍镉蓄电池在航天中的应用最早可以追溯到1959年美国发射的Explorer-6卫星上。从表1可以看出镍镉电池具有很长的使用寿命和循环寿命，是目前技术最为成熟的航天应用化学电源，在航天应用中已经实现了标准化，外形为矩形结构，尺寸为12.3 in×7.3 in×7.7 in（1in=0.0254 m），在静止轨道卫星和中低轨道卫星的储能电源上有很广泛的应用，我国发射的“神舟号”载人航天飞船采用的电源储能系统就包括镍镉蓄电池组[5]。镍镉蓄电池具有充电和放电记忆效性，过放电会较大地影响电池的使用循环寿命。近年来镍镉电池充放电记忆性已经较好的得到改善，但随着镍氢蓄电池的应用日益成熟，其在许多场合逐渐被替代已不可避免。

镍氢蓄电池是在镍镉电池的基础上发展而来，于 1977年第一次出现在美国海军技术卫星 2号（NTS-2）[5]上，正极与镍镉电池相同，负极则用燃料电池的氢电极代替镉电极使得电池的质量降低，单位质量能量密度增高，但电池负极是气体电极，体积较大，单位体积能量密度相对较低。镍氢蓄电池的充放电记忆性远弱于镍镉电池，且在过放电和过充电时对电池的性能影响相对较小，但自放电速度较高，且氢气具有一定的安全隐患。目前的高空卫星上的储能电源系统应用镍氢电池已经很普遍，在低轨道飞行器如国际空间站和哈勃太空望远镜上已经开始使用镍氢蓄电池组代替镍镉电池来做储能电源。

锂离子蓄电池在航天储能系统中的最早应用是2000年英国发射的STRV-1d小型卫星[5]，应用还处于早期，通过表1对比可以发现锂离子蓄电池组的单位质量和单位体积比能量都显著地高于其它化学电池，且温度适用范围也较宽，具有很好的发展潜力。锂离子电池的循环使用寿命较低，在未来的航天应用中充当过渡电源的可能性较高。

银锌电池是航天活动起始阶段所使用的人造卫星主电源，随后发展的镍镉和镍氢及其它蓄电池组均作为储能电源使用，镍镉蓄电池是应用最多的航天蓄电池组，镍氢电池优良的功率特性使得其在航天上的应用迅速增加，和镍镉电池构成目前储能电池的主体部分，此外还有锂硫、钠硫蓄电池等许多处于试验阶段的蓄电池类型[5]。在太阳能电池阵-储能蓄电池系统中，充放电控制技术[19]、功率分配技术[20]及电缆加工和分布设计[21]都是航天电源的重要技术。

2.2 航天用燃料电池的发展

燃料电池同时具有化学电池和内燃机的一些特点，在工作过程中需要持续补充燃料，直接输出电能，不受卡诺循环限制，有很高的燃料利用效率。目前为止，在航天电源中，实际应用的燃料电池类型有两种，分别为质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）和碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC），共发展有三代，均由美国的NASA主持。

1962年美国发射的双子星太空飞船上应用的燃料电池采用的电解质是聚苯乙烯磺酸膜，这种早期的PEMFC为圆柱型，直径30 cm，高度为60 cm，电池系统质量为30 kg。磺酸膜在电池工作过程中会发生降解反应，使电池迅速失效，使得这种电池的实际应用时间较短，同时也促进了第二代碱性燃料电池的开发。

NASA最终采用的第二代燃料电池是培根型（Bacon）碱性燃料电池，由 Pratt-Whitney公司开发的PC3A型碱性燃料电池系统成功应用在Apollo系列登月飞船上。AFC电池采用的电解质是氢氧化钾溶液，燃料是氢气，氧化剂是氧气，PC3A型电池由31只单电池组成，反应后的氢气回收再利用，氧气则在一定时间内向太空排放一次，生成的产物水则收集处理之后供宇航员饮用，电池也为圆柱形，直径为57 cm，高度为112 cm，电池系统总重110 kg。

表2 三代航天燃料电池主要性能数据表

20世纪 70年代之后，美国 UTC（United Technology Corporation）公司在NASA支持下开始着手开发新型的石棉膜型碱性燃料电池系统并在1981年成功首次应用于美国航天飞机主电源上。这种电池性能比培根型有较大提高，电池为方形，尺寸为101 cm×35 cm×38 cm，电池系统总重91 kg。2006年发射的Atlantis号航天飞机应用的燃料电池尺寸为101.6 cm×35.6 cm×38.1 cm，系统总重102 kg[22]，表明这种电池的应用已经成熟，变化不大。

AFC的缺点是电解液KOH的高腐蚀性限制了电池寿命，电池本身成本昂贵，维护困难，安全性也不好[23]。随着新型PEMFC的发展，最近一二十年来航天用燃料电池的研究重心已经回到了PEMFC上，目前航天上PEMFC的研究大多结合电解水系统组成再生型燃料电池（regenerative fuel cell，RFC）。关于利用太阳能制备氢气及其它燃料的研究还有很多，如Wegeng等[24]通过热化学反应成功将太阳能储存在甲烷的生成产物氢气及其它烷烃化合物中。

RFC通常与太阳能电池或其它电源结合使用，可以提供稳定连续的电能。由于燃料电池具有高比能量、清洁性、安全性以及不受卡诺循环限制的特点，RFC在月球以及火星基地中的应用上有很大的吸引力。RFC的发展受各种技术因素的制约，目前可靠性还不高，循环工作时间较短。NASA对RFC研究的投入较多，在1999年报道的高空无人飞行器的实验中采用的电堆，功率密度为0.79 kWh/kg，总重53.06 kg，电效率为53.4%[25]，在2005年的报告中，RFC的循环工作时间最长的仅维持了149 h，太阳能电解池耗功15 kW，输出功率为4.8 kW，电效率为32%[26]。

北京工业大学近年来开展了系统的微重力条件下燃料电池放电性能特点及两相流传质规律的实验研究[27-32]。结果表明燃料电池性能受微重力的影响较大，主要原因在于反应物及生成物的两相流动特征的改变。受到微重力条件下气液两相流动规律的影响，不同类型的燃料电池呈现出不同的特征。PEMFC反应生成的水会随气流迅速排出，液体在流道底部的积聚效应很大程度上被削弱，这使得反应气体能够更顺利的扩散到反应表面，PEMFC在微重力下电池性能会有较明显的提升[31]。DMFC（direct methanol fuel cell）中由于反应物为溶液，生成的二氧化碳在浮升力作用下会更易排出，因此微重力环境下由于浮升力的消失性能甚至会有一定程度的恶化。赵建福[33]对气液两相流动特别是核态沸腾在微重力下的表现特性有较全面的研究，对微重力下燃料电池内部的流动规律研究有较大的参考意义。

3 核能在航天电源应用上的发展

航天活动中，可以满足能源的长时间持续供应的途径有两种：一种是取自航天器外部的太阳光能；一种是航天器自带的核能。空间用核能发电系统的研究集中在美俄两国，已发展了几代，主要是俄国（前苏联）的TOPAZ、“BUK”和美国的SNAP[34]系列电源，有些电源型号的实验最终失败了，有些成功完成绕地轨道实验，时间从几个月到5年以上。总的来说，俄罗斯要比美国走的更远一些，在轨道飞行器上成功运行的核电系统也相对多于美国。

前苏联的空间核能发电系统的研究开始于 20世纪50年代末，主要成果出现在1965—1988年之间。“BUK”系列的运行时间大多在 6个月以下，运行轨道也较低，TOPAZ-1的电源功率为5.5 kW，成功运行在1987年成功发射的宇宙1876号卫星上，反应堆运行时间为1年，转化效率为5.6%。随后俄国对空间核反应堆的研究减缓，但已经开发成功的TOPAZ-2电源的运行寿命已经达到了5年，输出功率已可达到几百千瓦。美国 1965年研制的SNAP-10A成功运行在距地1300 km的轨道上，发电功率仅有0.5 kW，持续时间为1年，另美国也已经研制成功了功率可达几百千瓦的 SNAP-50型号电源[34]。

航天中的核能应用一般可分为静态发电和动态发电两类。静态发电系统原理和结构相对简单，没有运动部件，泄露的可能性低，系统可靠性高。动态发电系统的结构相对复杂，发展的制约因素较多，可靠性较低。

3.1 核能静态热电系统

核能静态电源技术主要有两种：同位素温差发电技术和碱金属热电转换（alkali-metal thermal-to-electric conversion，AMTEC）发电技术。美国NASA在深太空探索飞船如“先驱者”号、“旅行者”号等[35]飞船上采用的即为同位素温差发电系统。

放射性同位素温差发电设计依据的原理是某些导体材料的热电效应（主要是Seeback效应），热源来自放射性同位素的衰变热。目前在航天上使用的导体材料主要是SiGe合金，蒋中伟等[36]综述了这种材料在热电转换中的应用和研究进展。同位素温差发电的效率一般较低，一种工作在1273 K和790 K热源温度下的 SiGe热电转换系统的效率仅能达到 6%[37]，目前同位素温差发电机所能达到的效率在10%左右，已经在航天上实际应用的效率甚至在5%[38]以下。

AMTEC与温差发电系统相比有大得多的能量转化效率，一种工作在 1123 K和 650 K热源之间的Na-AMTEC系统的效率可以达到27%，对应的卡诺循环效率为60%，是一种先进的具有很好发展前景的静态核能发电系统[25]。这种发电系统采用 β-Al2O3薄膜作固体电解质将电池隔成两个不同温度及压力区，电解质膜的厚度一般在0.5 mm以下，同时也起到隔热作用。电源运行时电解质膜两端的碱金属存在浓度差，阳极端吸热分解为金属离子和电子，离子受压力差作用透过膜到达阴极，电子经过外接负载流入阴极与金属离子结合为原子，释出原子表现为气态，冷却为液态后泵入阳极，完成循环。Lodhi等[38]详细论述了AMTEC电源从热源到电解质基管，从工作温度到运行循环设计及冷却等各个部分的特点。AMTEC系统长时间工作时电解质膜会在反应过程中消耗，导致输出功率恶化。运行十万小时以上时，电解质恶化对输出功率的影响将达到75%以上[38]，改变β-Al2O3材料的微观结构有利于延长电源系统的运行时间。

3.2 核能动态热动力发电系统

核能热动力发电系统采用的动力循环与太阳能热动力系统基本相同，只是热源来自于核能，结构上也有不同。表3是来自于美国“SP100计划”和“SNAP”（system for nuclear auxiliary power）计划的3个试验发电循环的结果，采用Stirling和Brayton循环的核反应堆产生的热量分别为455 kW和464 kW，系统总质量分别为5719 kg和5969 kg[39]，研究中寿命在10年以上。Gallo等[1]设计研究了一个40.8 kW的Brayton循环发电及测试系统，工质为He-Xe混合气体，峰值功率输出时的热能转换效率达到了26%，在He气中添加Xe气可以将工质的压缩比提高几倍。

表3 几种空间核反应堆电源的能量转换效率

动态电源发电可以达到很高的功率水平，在大型航天活动如月球基地、火星载人探索领域的应用将会有突出的优势。但核能动态利用的结构复杂，稳定性较差，再加上近些年来深太空探索活动的开展减少，迫切性需求不高，核热动力发电系统的研究进展在近些年公开报道的较少，且并未在航天飞行器上使用。

3.3 航天用核能发电系统中的冷却及安全问题

通过表3可以发现核能发电系统的能源利用效率最高的也仅在25%左右，核反应所产生的能量大部分都将以热的形式释放于系统中，如果这些热量不能及时排出，将引发严重的事故，因此反应堆冷却是核能利用中的主要问题之一。航天用核能发电系统中的冷却一般通过泵强迫液态金属循环流动将多余的热带走，或者通过热管将热量带到辐射散热器上排至太空。美国和俄国（前苏联）开发的这 3个系列的电源均采用NaK-78液态金属冷却反应堆。核热动力发电系统整体外形大致呈锥台型，反应堆处于锥台顶端，动态发电系统的涡轮机和发电机、压气机同轴以提供动力输出，辐射散热器在锥台外围布置，一般在锥台底半部，工质流动循环会带走一部分热量，其它的则通过液态金属冷却循环带至散热器上[34，39]。静态电源的低温端常与辐射散热器相连沿圆周布置成多组[37]。

核能存在固有的安全隐患，虽然相对太阳能来说不受太阳阴影区以及太空环境的影响，核安全问题却仍然限制了其在近地轨道航天器上的应用，目前仅应用在深太空航天探索领域等不大可能使用太阳能的场合。

4 结 论

（1）太阳能电池是目前组成航天飞行器电源的主体，成本较高，转化效率较低，不利于在深太空探索活动中应用，目前GaAs电池的研究较多，主要朝薄膜化方向发展。

（2）化学蓄电池组电池的容量和功率极限值有限，主要应用在绕地或者近地飞行器上与太阳能电池阵配合使用，应用最广泛的是镍镉及镍氢蓄电池组，锂离子蓄电池组等的应用也有一定发展。

（3）燃料电池目前在航天上的应用大多为碱性燃料电池，近年来质子交换膜燃料电池的研究增加很快，RFC的研究则主要基于月球基地等地外长时间有人探索活动的需求。

（4）核能热电转换系统主要应用在大功率、长航时深太空探索领域，例如火星基地上，已经应用的是静态发电电源，热源是太阳能或者核能。

（5）合适的运行温度对化学电池、太阳能电池以及核能温差电池、核能热动力发电系统等的性能都有重要影响，研究静态电池内部的化学反应动力学特性及动态电源系统中的工质流动规律均对开发更高性能的航天电源有重要意义。

[1] Gallo B M，EI-Genk M S. Brayton rotating units for space reactor power systems[J]. Energy Conversion and Management，2009，50（9）：2210-2232.

[2] Schriener T M，EI-Genk M S. A neutronics analysis of long-life，sectored compact reactor concepts for lunar surface power[J].Progress in Nuclear Energy，2011， 53（1）：106-118.

[3] Wu B，Xing Y M. Space solar dynam ic power systems status and development[C]//Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，Chengdu，2010.

[4] Zidansek A，Ambrozic M，M ilfelner M，et al. Solar orbital power[J].Sustainability Analysis，2011，36（4）：1986-1995.

[5] 李国欣. 航天器电源系统技术概论[M]. 北京：中国宇航出版社，2008：331-770.

[6] 王永东，崔容强，徐秀琴. 空间太阳电池发展现状及展望[J]. 电源技术，2001，25（5）：182-185.

[7] Lior N. Power from space[J]. Energy Conversion and Managemen，2001，42（15-17）：1769-1805.

[8] 任丙彦，吴鑫，勾宪芳，等. 背接触硅太阳电池研究进展[J]. 材料导报，2008，22（9）：101-105.

[9] 中国知网. Fraunhofer研究所的“n型”单晶硅太阳能电池效率达到23.4%[N/OL]. 光机电信息，Ome Information，2009，10.

[10] Glunz S W. New concepts for high-efficiency silicon solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，90（18-19）：3276-3284.

[11] 张忠卫，陆剑峰，池卫英，等. 砷化镓太阳电池技术的进展与前景[J]. 上海航天，2003（3）：33-38.

[12] 郑浩，汤珂，金滔，等. 有机朗肯循环工质研究进展[J]. 能源工程，2008（4）：5-11.

[13] 崔海亭，袁修干，邢玉明，等. 空间站太阳能热动力发电系统研究进展[J]. 中国空间科学技术，2002（6）：34-42.

[14] Fujita Y，Ohta H，Uchida S，et al. Nucleate boiling heat transfer and critical heat flux in narrow space between rectangular surfaces[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1988，31（2）：229-239.

[15] Hagan W P，Hampson N A，Packer R K. The electrochemistry of the Li/SOCl2cell[J]. Electro-Chimica Acta，1986，31（6）：699-704.

[16] Barak M. 银锌电池和银镉电池[J].邱永蕃摘译. 电池，1988（6）：36-39.

[17] Croft H， Kasztenjna P，Staniew ia B. Li ion cell performance for space application[C]//Battery Conference on Applications and Advances，Long Beach，CA ，USA，2002.

[18] 贺孝思. 航天电源综述[J]. 世界导弹与航天，1988（1）：29-32.

[19] 马卉，赵海峰. 航天器用蓄电池充电控制技术的研究与探索[J]. 电源技术，2009，133（6）：519-522.

[20] 郭显鑫，郭祖佑，王卫国. 空间电源功率调节技术综述[J]. 上海航天，2010（3）：30-39.

[21] Powell J，Maise G，Rather J. M IC-Large scale magnetically inflated cable structures for space power，propulsion，communications and observational applications[J]. AIP Conference Proceedings，2010，1208（1）：571-582.

[22] Ryan O’Hayre，车硕源，Whitney Colella，著. 王晓红，黄宏，等译. 燃料电池基础[M]. 北京：电子工业出版社，2007.

[23] 吴峰，叶芳，郭航，等. 燃料电池在航天中的应用[J]. 电池，2007，37（3）：238-240.

[24] Wegeng R S，Mankins J C. Space power systems：Producing transportation （and other chemical） fuels as an alternative to electricity generation[J]. Acta Astronautica，2009，65（9-10）：1261-1271.

[25] Burke K A. High energy density regenerative fuel cell systems for terrestrial applications[R]. NASA/TM—1999-209429，NASA：NASA Center for Aerospace Information，1999：1-15.

[26] Bents D J，Scullin V J. Hydrogen-oxygen PEM regenerative fuel cell development at the NASA glenn research center[R].NASA/TM-2005-214032，NASA：NASA Center for Aerospace Information，2005：1-12.

[27] Guo H，Zhao J F，Ye F，et al. Two-phase flow in fuel cells in short-term microgravity condition[J]. Microgravity Science and Technology，2008，20（3-4）：265-269.

[28] 赵建福，郭航，叶芳，等. DMFC内部气液两相流动与电性能的短时落塔实验研究[J]. 空间科学学报，2008，28（1）：17-21.

[29] 郭航，赵建福，律翠萍，等. 短时微重力条件下燃料电池性能实验研究[J]. 工程热物理学报，2008，29（5）：865-867.

[30] Guo H，Wu F，Ye F，et al. Two-phase flow in anode flow field of a small direct methanol fuel cell in different gravities[J]. Science in China Series E：Technological Sciences，2009，52（6）：1576-1582.

[31] 郭航，赵建福，刘璿，等. 质子交换膜燃料电池短时微重力性能实验研究[J]. 工程热物理学报，2009（8）：1376-1378.

[32] Ye F，Wu F，Zhao J F，et al. Experimental investigation of performance of a m iniature direct methanol fuel cell in short-term m icrogravity[J]. Microgravity Science and Technology，2010，22（3）：347-352.

[33] 赵建福. 微重力气液两相流动与沸腾传热[J]. 力学进展，2010，40（4）：460-469.

[34] El-Genk M S. Deployment history and design considerations for space reactor power systems[J]. Acta Astronautica，2009，64（9-10）：833-849.

[35] M cnuttjr R L，W immer R F. Enabling interstellar probe[J]. Acta Astronautica，2011，68（7-8）：790-801.

[36] 蒋中伟，张维连，陈洪建，等. SiGe合金材料热电转换效应的应用和研究进展[J]. 河北工业大学学报，2004，33（4）：31-35.

[37] El-Genk M S. Space nuclear reactor power system concepts w ith static and dynam ic energy conversion[J]. Energy Conversion and Management，2008，49（3）：402-411.

[38] Lodhi M A K，Vijayaraghavan P，Daloglu A. An overview of advanced space/terrestrial power generation device：AMTEC[J].Journal of Power Source，2001，103（1）：25-33.

[39] Harty R B，Mason L S. 100-kW lunar/mars surface power utilizing the Sp-100 reactor with dynamic conversion[J]. American Institute of Physics，1993，271（1）：1065-1071.

Progress of space power technology

YANG Ziguang，YE Fang，GUO Hang，MA Chongfang
（Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，M inistry of Education and Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion，Beijing Municipality，College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The space power is required for high energy density，high reliability and long running time.The research of new energy technologies has drawn a great attention. This paper describes the development of these technologies，including new chem ical energy as regenerative fuel cell（RFC），lithium-ion batteries；new solar photovoltaic；solar and nuclear dynamic w ith high and long running power. And it is focused on the characteristics and the problem in these application space power systems：accumulators，solar array-accumulators，fuel cells and nuclear power，etc. The flow and heat transfer of these space power systems are described in this paper. Also，this paper has some future view on the space power：solar cells have the development for the thin film，chem ical power need the breakthrough of the new technology，the progress of the nuclear and solar dynamic power technology are essential to the long-running and high power in space.

space power；solar cells；fuel cells；nuclear electric generating systems；m icrogravity

V 442

A

1000-6613（2012）06-1231-07

2011-11-08；修改稿日期：2012-02-09。

国家自然科学基金（50976006，11102005）及新世纪优秀人才支持计划（NECT-10-0006）项目。

杨紫光（1987—），男，硕士研究生。联系人：叶芳，副教授。 E-mail yefang@bjut.edu.cn。