《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Assessment of lunar base energy system with lunar limited resources as variable-composition mixed working fluids: Working fluid Selection, component variation law, and full-cycle operational characteristics
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针对月球极端昼夜温差及低重力环境，本研究提出CO?-NH?-H?超临界混合工质热力学循环系统，通过动态调节工质比例实现高效能源转换。白天热效率达14.09%，夜间最高56.21%，同时优化散热器面积需求，为月球基地可持续能源供应提供新方案。
刘泽宽|陈玉婷|程坤林|费腾|秦江|梅红元
哈尔滨工业大学复杂环境建筑研究所，中国哈尔滨150001
摘要
充足的能源供应是建设月球基地的先决条件。月球极端的昼夜温差（90–400 K）和低重力（降低了两相流的效率）直接使得传统的热力循环方案不切实际。再加上有限的现场资源，这些限制迫切需要可持续的月球能源解决方案，这也是我们研究的核心动机。因此，本文提出了一种结合冷却、加热和发电功能的超临界热力循环系统，利用有限的月球资源和混合工作流体为月球基地提供能源。通过建立数学模型，分析了月球基地的昼夜运行规律。在月球白天，热效率（η_th）随时间和分配比例变化，最高可达14.09%，最大净功率为80.14 kW。为了获得最佳性能，确定了3 kW的冷却负荷。在月球夜间，随着热储存单元温度的下降，η_th逐渐降低，最高热效率为56.21%，而所需的散热器面积则随着热负荷的增加而增大。进一步通过动态优化混合工作流体的组成表明，在月球白天，要实现高热效率需要较高的CO2浓度；而在夜间，则需要较高的H2比例。
引言
月球拥有丰富的氦-3（He-3）资源，这有助于缓解地球资源的短缺[1]。更重要的是，作为人类深空探索的重要中转站，建设载人月球基地已成为当务之急。全球建设月球基地的计划正在加速，各国在资源开发、深空探索和战略定位方面展开多方面的竞争与合作。由美国主导的阿尔忒弥斯计划以“门户”月球轨道平台为中心，目标是在2030年代前建立一个能够长期驻留的月球基地，重点开发月球南极的水冰资源，并验证火星任务所需的技术[2]。中国的“探索、着陆、驻留”三步战略旨在2030年前实现载人月球着陆，随后建立月球科学研究站，目标是在月球南极-艾特肯盆地建立一个完全封闭的生态系统[3]。尽管“月球25号”任务遇到发动机点火延迟的挫折，俄罗斯仍计划在2030年代末之前建立一个宜居基地，强调模块化组装并与中国合作，并通过“月球26号”等无人任务尝试解决技术差距；印度和日本的“月船5号”任务计划于2028年发射，专注于探测月球南极的水冰资源，采用高精度着陆技术（误差≤100米）和“空地”协同探测网络为未来的基地选址提供数据支持[4]。
能源供应是建设月球基地的关键前提。长期载人月球任务的主要挑战是如何建立一个能够在白天和夜晚运行的连续能源系统（光伏板-电池组合无法满足月球夜晚的长时间需求[5]、[6]）。许多学者已经进行了类似的研究。目前的重点在于四个技术方面：热电发电机（TEG）、斯特林发电机技术和封闭布雷顿循环系统（CBC）[7]。
TEG利用昼夜温差发电。刘[8]和齐[9]分别从数值计算和实验角度研究了TEG在月球上的应用可行性。Fleith等人[10]也进行了类似的研究，并认为TEG可以在无人基地或月球基地初期发挥作用，但由于其能量转换效率较低，主要应用于航空航天领域的小型电子组件，不承担核心的发电任务[11]。斯特林发电系统是研究最广泛的用于月球基地的热电转换装置。杨等人[12]提出了一种结合斯特林循环的月球表面核能系统，发现为了获得稳定的输出功率，需要实时调整反应堆的热功率。反应堆的热功率调节范围为8900–11,000瓦特，以维持2500瓦特的输出功率。然而，斯特林发电系统的发电量较低（<70千瓦）[13]、[14]，无法满足大型载人月球基地的需求。
上述解决方案都不适合长期高功率电能输出任务，而CBC系统的高功率发电优势受到了重视。孙等人[15]、[16]开发了一种使用核反应堆作为热源的兆瓦级封闭布雷顿循环系统，分析了工作流体状态、压力比和增强完整性压力对不同模式下能源系统性能的影响，输出功率波动仅为1.04%。虽然CBC系统因其高功率输出潜力而受到认可[17]，但它们适应极端昼夜温差的能力仍是一个关键挑战。现有的月球CBC研究主要集中在相对稳定的条件或单一模式下进行系统优化[18]、[19]，或者承认了月球昼夜循环引起的显著输出波动（高达824%）。这凸显了一个根本性差距：当前的CBC工作流体和设计并未针对月球昼夜之间的剧烈温差进行调整。
对于载人月球基地来说，月球白天的高温要求能源系统具备高效的冷却能力。现有研究提出了各种解决方案，但都存在明显的局限性：张等人[20]提出的自供电冷却系统可以提供冷却，但依赖于两相流过程，在低重力条件下其性能难以准确预测，且仅适用于小规模应用。刘等人[21]设计的集成CBC-ORC-VCR系统虽然能够实现冷却、加热和发电功能，但过于复杂，需要过大的散热器面积（在月球正午时达到289平方米），工程可行性较低。潘等人的研究[22]进一步表明，散热器上的灰尘覆盖会严重降低冷却性能（灰尘覆盖40%时功耗翻倍）。总之，关键挑战在于设计一个能够同时克服恶劣散热条件和低重力环境不利影响的实用冷却系统。
因此，本文提出了一种超临界热力循环作为解决低重力环境下两相流热传递挑战的核心方案。具体而言，超临界混合流体循环通过以下方式克服了这些限制：首先，它在整个循环过程中保持单相状态，从而避免了由分层流或塞流引起的热传递效率低下问题；其次，超临界流体的高密度和导热性提高了热传递速率，这对于自然对流受到抑制的低重力环境至关重要；第三，混合工作流体的可变组成允许定制热物理性质，优化热吸收和释放过程以适应月球环境的特定热条件。在这一领域，Tafur-Escanta等人[23]研究了CO2二元混合物在封闭布雷顿循环系统中的应用潜力。比较分析显示，这些混合物的热效率比纯CO2高出约3%，其中CO2-H2S组合的性能优于CO2-SO2系统。这表明混合工作流体可以提高发电能力，尽管选择合适的混合物仍然至关重要。胡等人[24]评估了CO2与环己烷、丁烷、氩气、氧气和氪气的二元混合物的热力学性质，他们的发现表明CO2-环己烷混合物适用于高温环境，而CO2-氦气混合物在低温环境下更有效。这表明通过调整工作流体组成可以缓解极端寒冷或高温条件。然而，当前的研究主要集中在极端温度场景[25]、[26]。在月球环境中，低温源在狭窄的温度范围内运行，工作流体必须具备宽范围的温度调节能力。这一限制使得二氧化碳的单组分耦合方法不切实际，因为它缺乏应对这种极端条件所需的双向参数调节能力。
基于此，本文介绍了一种利用有限月球资源的熱力系统，具体使用二氧化碳作为工作流体。CBC特别适合使用混合工作流体，并需要利用月球资源储备[27]。本质上，核心创新在于提出了一种新型的CO2-NH3-H2三元混合物作为工作流体，专门设计用于在极端加热和冷却阶段保持高效稳定的CBC运行。
本研究旨在实现以下核心目标：(1)量化工作流体组分变化与系统关键参数以及全循环性能之间的映射关系；(2)通过组分调节主动协调热效率与散热面积之间的固有矛盾；(3)评估该方法在整个月球昼夜循环期间所能实现的性能改进程度和稳定性保障水平，与固定工作流体设计相比。
系统概念
月球基地能源系统的主要功能是提供冷能、热能和电能。整个系统可以分为三个子系统：热储存子系统、发电子系统和制冷子系统，如图1所示。它可以分为月球白天运行模式和月球夜晚运行模式。月球白天运行模式专注于发电和冷却任务，而月球夜晚运行模式则...
建模与假设
为了解决第1节中概述的核心挑战，即通过动态工作流体调节使封闭布雷顿循环（CBC）系统适应月球极端的昼夜温差和有限资源，本研究开发了一个专门的仿真框架。这种方法的新颖之处不在于其各个组件模型，而在于它们针对这一特定问题的集成应用以及设计的特定耦合机制，以研究变量...
月球上的有限资源描述
碳-氢-氧（C-H-O）循环系统是月球基地生态系统的核心，其中CO2是一个关键组分。宇航员的日常呼吸和生物生成模块中的植物夜间呼吸都会产生CO2[29]。因此，在月球上使用CO2作为循环工作流体具有显著优势。然而，使用纯CO2作为工作介质的超临界热力循环存在固有局限性。CO2的临界温度为304.25 K。
混合工作流体的选择
为了解决纯CO2临界温度附近的冷却限制（这是适应月球寒冷环境的关键约束），提出了一种以CO2为基础流体的三元混合工作流体。设计原则是选择两种临界温度高于或低于CO2的工作流体，并调整它们的浓度以调整混合物的临界参数，使其接近CO2′的临界点。
结论
本文重点研究了月球基地中冷热源的变化，并提出利用月球基地的有限资源构建一种变温水混合工作流体的热力循环系统，以满足对热能和冷能的需求。通过分析昼夜运行特性，得出以下结论：
CO2-NH3-H2混合工作流体有效缓解了纯CO2在低温下的冷却瓶颈问题...
CRediT作者贡献声明
刘泽宽：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，可视化，软件开发，实验研究。陈玉婷：项目管理，方法论设计。程坤林：可视化，软件开发。费腾：监督，软件应用。秦江：验证，监督。梅红元：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金项目（编号52238002）和黑龙江省科技创新基地激励项目（编号JD24B012）的财政支持。
