摘要
月球是人类深空探测的战略前哨与核心枢纽，能源系统则是月球基地建设与长期运行的核心支撑，其技术选型直接决定基地的驻留能力与任务边界。当前，月球基地能源领域研究多聚焦于单一发电技术的性能优化，缺乏与基地近、中、远期发展阶段深度绑定的梯度化方案体系。本文结合月球基地不同阶段的驻守任务，厘清不同任务需求下的能量需求，对比分析月球基地可获得的能量驱动源，明确太阳能适合作为发电系统的驱动能源，提出在月球基地不同阶段使用的温差发电器（TEG）、光伏-再生燃料电池、闭式布雷顿-有机朗肯循环系统，明确核能发电系统的缺点，并给出满足月球基地多能需求的复合热动力系统架构，进一步完善月球基地的能源技术发展体系，为后续月球基地能源系统的工程化验证与技术迭代奠定基础。
Abstract
The Moon serves as a strategic outpost and core hub for human deep-space exploration. The energy system is the fundamental support for the construction and long-term operation of a lunar base，and its technology selection directly determines the base's habitation capability and mission boundaries. Current studies on the energy systems for lunar bases mostly focus on the performance optimization of individual power generation technologies，lacking a graded solution scheme deeply integrated with the short-，medium-，and long-term development strategies of the bases. Based on the crewed missions in different periods of a lunar base，this paper clarifies the energy demands under various mission requirements，compares and analyzes the available energy driving sources on the Moon，and identifies solar energy as the appropriate driving source for power generation. Thermoelectric generators （TEGs），photovoltaic-regenerative fuel cells，and closed Brayton-organic Rankine cycle systems are suggested to be applied in different periods of a lunar base. The drawbacks of nuclear power generation systems are explicitly revealed. A composite thermal power system architecture is presented，which can satisfy the multi-energy demands of a lunar base. This work further refines the energy technology development systems for lunar bases，and lays a foundation for the subsequent engineering validation and technological iteration of energy systems for lunar bases.
0 引言
人类的科学技术在近一百年实现了惊人的发展。然而，掠夺性开采地球上的资源导致能源枯竭以及随之带来的污染问题已经严重遏制了工业技术的发展，并且对地球造成了许多难以修复的损伤。随着地球能源逐渐枯竭，生存空间逐渐萎缩，世界各国已经将目光投向了外太空。苏联发射的第一颗卫星、美国的阿波罗计划等是人类迈向太空的第一步[1]。
如今，空间技术水平已经成为衡量国家综合实力的核心标准之一，空间技术的发展会引导政治、军事、经济等领域协同进步。月球作为人类探索外太空的前哨站，其重要性不言而喻。此外，月球上蕴藏着丰富的矿产资源和能源，具备重要的军事战略意义。然而，当前人们对月球的探索只停留在初级阶段，对月球环境的了解仍需加强。现有的探测手段已经无法满足后续月球科学技术的要求，建设月球基地对月球资源进行开发已是必然趋势。美国的 Artemis 计划旨在将宇航员安全送往月球轨道并返回，同时建立常态化驻留机制，并有日本、加拿大等国家参与；俄罗斯计划采用无人航天器月表着陆与航天员协助的方式建设月球基地[2]；印度、日本、以色列等也公布了各自的月球登陆计划[3]。
需要特别关注的是，月球基地因功能较多（科研探索、空间探索中转站、空间观测站等），需要大量的设备协同工作，主要包括：月球表面基地、全地形月球漫游车、移动居住平台、月球表面电力系统等。这些设备皆与电能产出、传递和应用相关，因此能源系统是月球基地正常运行的关键[4]。
根据月球基地发展规划，将月球基地分为 3 个阶段，分别为近期、中期和远期。月球基地近期无人驻守，月球基地中期短期有人驻守，月球基地远期为长期驻人基地，最后甚至发展为月球社区。由于不同阶段月球基地的能源种类、量级要求不同，对月球基地能源系统的关注点也不尽相同，本文从不同阶段的月球基地的能源需求出发，厘清月球能源系统可用形式，旨在为我国月球基地可行性的深入论证提供参考。
1 月球可用能量形式分析
月球表面基地、全地形月球漫游车、移动居住平台以及月球表面电力系统等设备是月球基地的核心设备，其中能源供给是维持它们正常工作的关键。负载功率与能源供应时间的关系如图 1 所示。化学能（蓄电池）可以在短时间内服务月球基地，时长可以达到数十小时；太阳能和核能不仅可以满足大功率的用电需求，还可以在月球长时间应用。很多学者青睐能量密度更高的核反应堆供能[5-7]，但是月球发生核事故对航天员是致命的，而且月球资源归属全人类，安全性开发至关重要。因此，以太阳能作为能源系统的驱动源更为合适[8]。
图
1
负载功率与能源供应时间的关系
Fig.
1
Relationship between the load power and energy supply time
2 月球基地能源系统的阶段性规划
月球基地能源系统需具有多功率能量等级、跨月夜工作以及成熟度高等特点。基于此，本文提出分阶段配置方案：登月阶段采用光伏-蓄电池组合供电方案；建设初期采用静态发电系统，例如温差发电器（Thermoelectric Generator，TEG）；航天员短期驻留期间，采用再生燃料电池方案，既可保证电能供给，又能提供应急氧气；长期驻人月球基地，宜采用热动力循环系统。月球基地不同建设阶段的能源系统规划如图 2 所示[9-11]。月球基地不同建设阶段的电负荷见表 1。
图
2
月球基地不同建设阶段能源系统规划
Fig.
2
Energy system planning for a lunar base in different construction periods
表
1
月球基地不同建设阶段的发电需求
Tab.
1
Power generation requirements of a lunar base in different construction periods
3 面向不同阶段的具体能源系统方案
3.1 月球基地近期能源系统
在月球基地建设近期，无人驻守，最重要的任务是在月球“站住脚”，对大型基地设备的供能可以放缓，电能需求（数十瓦）较低，能源系统供能的可靠性和连续性至关重要。
在空间发电技术中，光伏发电已被广泛用于大多数空间系统，其技术成熟度高，转换效率在 20%以上（采用砷化镓材料的光伏系统可以达到 30% 的转换效率），且不需要泵或压缩机等转动部件的协助[12-13]。然而，光伏系统依靠太阳能发电，不具备储能功能，因此在夜间无法供电。光伏发电设备在轨运行时，可以通过调整光伏板的角度来实现能量的持续供应，但在月球基地环境下，夜间无法获得辐射能量，导致能量供给中断。因此，众多耗能设备（如月球车）只能依靠月昼储存的能量进行夜间活动，但月球的夜晚长达 14 个地球日，需要大量的蓄电池，对火箭的运载能力是极大的考验。因此，光伏技术并不是月球基地近期能源系统的最佳选择。相比之下，温差发电技术可以实现稳定的能源输出，而且在储热单元的辅助下可以保证能量的昼夜连续供给。
在空间能源研究领域，一般使用放射性同位素Pu-238 裂变产生的能量作为热源，以深空辐射或者冷流体作为冷源（根据设备的工作环境来决定冷源），利用这两者之间的温差产生电能。早在 1958年，美国发射的第一颗人造卫星“探索者 1 号”就配备了这种电源。放射性同位素电池的比功率高达9.4 W/kg，可工作数十年，但成本较高[14]。美国“坚毅 ”号火星探测器仅能源系统就耗资 7 000 万美元[15]。这些研究均使用核能作为驱动能源，但质量和成本均过大，需要寻找轻量化与低成本化的替代方案[16-17]。
然而，空间环境与月球环境的差距较大，主要体现在太阳辐射和原位资源利用上，致使月球基地近期能源系统难以直接借鉴温差发电器在空间环境上的应用经验。目前鲜有温差发电器在月球基地能源领域上的应用。在 FLEITH 等[18]的研究中，利用温差发电器为月球基地供能，建立了一个基于月球原位能源利用的温差发电器数学模型。该系统利用菲涅尔集热器加热月壤储热，如图 3 所示。月昼进行储热，月夜通过温差发电器将热能转化为电能。尽管该系统可以有效解决夜间能源供应问题，但白天发电能力相对较弱；更关键的是热沉（即储热单元）与温差发电器存在一定距离，必须借助工作介质进行连接，这将显著增加系统的复杂度。
在此基础上，LIU 等[19]、QI 等[20]和 KIM 等[21]提出了基于热管传热和原位资源储热的温差发电器能源系统方案。温差发电器与热沉之间有一定距离，不能直接传递能量。为了解决这个问题，借助具有超强传热能力的热管，将温差发电器与热沉连接起来，实现储热和放热。月昼和月夜能量传递过程如图 4 所示。在月昼，太阳辐射能进入温差发电器的各级后，一部分转换为电能，另外一部分向下传递。当热流通过最后一级电偶的冷端后，通过热管向下传输到改进月壤储热单元，实现月昼的热量存储。在月夜，储热单元成为热源，能量通过热管向上传递，并通过温差电器后输出电能，剩余的热量依靠辐射板传递到深空环境。如此，便实现了能量的连续供给。此外，同样有学者提出使用温差发电器回收热力循环余热，在提升能量转换效率的同时弥补月夜能量的不足[3，22]。
3.2 月球基地中期能源系统
在月球基地建设中期，短期有人驻守，能源系统的核心任务是保证充足的能量供给（包括电能和热能）。其中，电能的连续稳定供给和夜间热能供给是关键，而且应急资源供给也需整合至能源系统中。
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有高能量密度的特点，而且不受夜间无光照的影响，更重要的是其尾气为水，温度在 60 ℃左右，适合作为夜间的热量供给源。此外，PEMFC 也可以作为应急设备，光伏-再生燃料电池系统（Photovoltaic-Regenerative Fuel Cell System，PV-RFC）配备的氧气罐可提供应急氧气。
最早在 1979年，NASA 搭建了具备 8个 1 000 cm2燃料电池和 22 个 210 cm2电解槽的再生储能系统，共运行了 10 000 h[23]。此后，人们已经意识到 PV-RFC系统可以在高空或者空间领域应用。许多飞行器也采用了 PV-RFC 类型的能量系统，例如美国高空飞艇（High Altitude Airship，HAA）、美国太阳神（Helios）飞行器、Zephyr太阳能无人机。
在众多燃料电池之中，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）的工作温度较高，在600~1 000 ℃之间，通常需与热力循环相耦合，充分吸收余热[24]，可适用于电动车辆、舰船、辅助动力装置（Auxiliary Power Unit，APU）及大型电站等。不同类型的电池工作特性如图 5 所示，碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）能量转换效率高（60%~70%），但存在二氧化碳的中度风险。熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）对燃料的适应能力强，但是启动困难且电解质具有强腐蚀性。磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）使用磷酸作为电解质，工作温度约 150~200 ℃，是早期商业化的燃料电池，用于固定式发电，但效率相对较低。除了发电技术以外，电解水制氢仍是业界关注的重点，日本本田公司正在积极开发高压差水电解系统，并计划将其应用于未来的月球基地，核心思路是利用月球表面的水冰资源和丰富的太阳能分别作为循环介质和驱动源，支持人类在月球的长期居住。本田公司已计划与 Sierra Space、Tec-Masters 等公司合作，将高压差水电解系统的核心部件送到国际空间站进行微重力环境下的测试，以验证其在太空环境下的效率和可靠性。
图
5
不同燃料电池应用场所以及发电功率
Fig.
5
Application sites and power generation capacities of different fuel cells
3.3 月球基地远期能源系统
3.3.1 热动力循环系统
在建设远期，月球基地会有宇航员长期驻守，甚至发展成为一个月球社区，这时候能量需求已经与地球的能量需求程度相近，需要兆瓦级发电水平，只能采取大型热动力循环方式生成电能。为了满足能量昼夜连续供给，需要结合储热系统[25-26]。大型热力循环系统种类较多，人们的关注点主要为闭式布雷顿循环（Closed Brayton Cycle，CBC）、朗肯循环、斯特林循环[27]等，运行原理如图 6 所示。
图
6
3 种空间发电系统运行原理
Fig.
6
Operation principles of three power generation systems
斯特林热机因其高效率和可靠性，在月球能源供应领域，特别是在应对漫长月夜和恶劣环境方面，展现出较强的竞争力。HU 等[25]和 TAN 等[28]提出了一套基于改进月壤储热的斯特林热机，如图 7所示。该系统主要由三部分组成：线性菲涅尔集热器、储热单元和斯特林发电机。在月昼，太阳能被菲涅尔反射镜收集，然后通过循环氦气储存在储热单元中。由于储热罐具有良好的保温性能，热能可以储存一个漫长的月球之夜。氦气作为工作介质在冷热源之间流动，斯特林发电机将热能转换成电能，从而为宇航员和月球基地的探测设备提供持续的电能[29]。然而，斯特林热机输出的气密性和一定的滞后性限制了斯特林循环在大功率情况下的使用，其可以在月球基地的初、中期使用。在月球基地远期建设中，电能需求大，斯特林发电系统并非最佳选择。
CBC 系统主要利用高温热源使循环工作介质的焓值大幅提升，通过涡轮膨胀产生大量的电能，其热效率可达 40%[30]。然而，压气机的耗能较高，当热源温度较低时，循环工作介质在加热器中的焓值增加变弱导致涡轮做功过小，最终 CBC 无法生成电能。在热源温度较高时，选择 CBC 系统可获取较高的热效率，例如高超飞行器燃烧室的兆瓦级发热量壁面，亦或是核能反应堆等领域；但在低温热源下，并不适合选择 CBC 系统，选择合适的涡轮膨胀比也极为关键。对于月球基地而言，作为驱动能源的太阳能是一种变温热源，在月午阶段，温度较高，对于 CBC 系统来说比较合适，但是在凌晨或者傍晚这种阶段，CBC 系统并不适用[31]。
朗肯循环的主要循环工作介质是水。水经过加压后进入蒸发器，吸收热量后发生相变，焓值大幅提升，在膨胀机中做功，之后进入冷凝器将热量散失再次成为液态，完成一次循环。以水为循环工作介质的朗肯循环是火电厂比较常见的发电方案，这种方案的热效率高，但由于水是湿工作介质，在过热度不足的情况下会影响发电性能，甚至损坏膨胀机，所以在变热源的情况下，以水为工作介质的朗肯循环系统并不适合在月球上工作[32]。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）的不同之处在于工作介质，ORC 一般使用有机流体作为循环工作介质，这就说明低热源温度依旧可以驱动循环系统发电，一般用于 ORC 的工作介质为干工作介质，这也可以保证在膨胀机内始终是气态工作介质，所以 ORC 适合在月球环境使用[33]。
3.3.2 用于热动力循环的储热系统
热动力循环的全周期、宽工况运行依赖高适配性、长周期、原位化的储热系统支撑。它作为月球基地远期兆瓦级能源系统的核心配套单元，其设计需遵循温度匹配、原位利用、长周期保温、轻量化集成四大核心原则，需与热动力循环的热源温度、运行特性精准耦合，同时依托月球原位资源实现大型化储热，降低对地球运载依赖，是保障远期能源系统全周期连续供能的关键。储热系统如图 8 所示。
月表极端温度环境对储热系统的保温与释热性能提出了严苛要求。月昼期间，赤道区域表面温度最高可达 390~400 K，集热系统在获取高温热源的同时，储热单元向环境的热损失不可忽视；月夜期间，表面温度骤降至 90~100 K，储热单元内外温差高达数百乃至近千摄氏度，对保温结构的隔热性能提出极高要求，储热时长需覆盖约 354 h 的地球日连续黑暗期。这一昼夜温差的极端性正是储热系统设计的核心约束，只有利用月壤本身作为储热介质与保温层，才能在如此严苛的温差下以可接受的成本实现兆瓦级、长周期储热[34]。
月壤的矿物组成和热物性为原位储热提供了天然的物质基础。月壤主要由玄武质硅酸盐矿物（辉石、斜长石、橄榄石等）及凝结的玻璃相组成，平均粒径为 45~100 μm，堆积密度为 1.5~1.9 g/cm3，呈典型的多孔松散结构，其导热系数极低，仅为0.001~0.003 W/（m·K），具备优异的高温保温能力，使得大型堆积式储热体无需额外厚重隔热层即可维持较低的热损失速率。然而，低导热率也意味着储热单元内部换热能力不足，需通过引入对流工质（如氦气）强化传热，或通过高温烧结提高月壤固结度和有效导热系数。月壤中富含铁氧化物和钛氧化物（质量分数可达 10%~20%），这为其掺杂改性提供了关键成分基础：通过添加氧化铝、碳化硅等陶瓷颗粒并高温烧结，可显著提升月壤的储热密度、热循环稳定性和导热系数，实现从松散月壤到工程化储热介质的转变。
储热介质的选型直接决定储热系统的储热密度、温度特性和原位化可行性，根据热动力循环的温度需求，将储热介质分为高温储热介质（适配 CBC 系统）、中低温储热介质（适配 ORC 系统）2 类，均优先采用月球原位资源改性制备，具体选型如下：
（1）高温储热介质。适配 CBC 系统 1 000 ℃的高温热源需求，采用烧结改性月壤为核心储热介质，通过向月壤中掺杂金属氧化物或陶瓷颗粒，提升月壤的储热密度、热稳定性和导热系数；同时可结合月面金属资源（如铁、钛）制备金属基复合储热介质，进一步提升高温储热性能，实现与 CBC 系统的温度精准匹配[35]。
（2）中低温储热介质。适配 ORC 系统 100~300 ℃的中低温热源需求，采用月壤-相变材料复合储热介质或月面水冰衍生储热介质。前者通过月壤与石蜡、脂肪酸、盐类相变材料复合，兼顾储热密度和结构稳定性；后者利用月面水冰制备水合盐相变材料，实现原位资源的高效利用，同时提升储热系统的热-水协同供给能力。
此外，储热介质的制备需实现月面原位化，通过月面原位采矿、粉碎、掺杂、烧结等工艺，完成储热介质的制备与成型，无需从地球运输储热材料，大幅降低运载成本，同时提升系统的工程化落地性。
3.3.3 用于热动力循环的核反应堆
核反应堆是驱动大型热力循环系统的核心热源，可为漫长月夜提供充足的热源，深受研究人员的关注。从堆芯取热方式区分，适用于月球基地远期兆瓦级能源系统的核反应堆主要可分为热管冷却反应堆、液态金属冷却堆和气冷堆 3 种类型，如图 9 所示。它们分别具有不同的温度区间、传热特性和安全属性，与 CBC、ORC 等热动力系统的适配性也存在明显差异。
Fig.
9
Main nuclear reactors applicable to the megawatt-level long-term energy systems for lunar bases[36-37]
热管冷却反应堆通过布置于堆芯的高温热管将裂变热非能动地导出，具有结构紧凑、无机械转动部件和固有安全性高等突出优势。热管内工质通常为碱金属（如钠、钾或钠钾合金），运行温度一般处于 600~800 ℃，可适配斯特林循环或 ORC，也可通过中间换热器为 CBC 提供中温热源[36]。由于热管依靠毛细力驱动，在月球低重力环境下性能稳定，且易于实现模块化部署，能够分阶段扩展功率，非常适合作为月球基地从初中期向远期过渡的核热源方案。
液态金属冷却堆采用液态钠、铅铋合金等低熔点、高导热冷却剂，能够在常压或低压下实现 500~700 ℃的高热通量换热，功率密度高、热瞬态响应快，特别适合驱动兆瓦级 ORC 或中温 CBC[37]。冷却剂通过电磁泵驱动，系统紧凑高效。液态金属在月球的应用中面临的主要挑战是冷却剂凝固点偏高（如钠约 98 ℃，铅铋合金约 125 ℃），需结合月壤保温层和辅助加热实现长期停机后的再启动，同时对结构材料的高温相容性也提出更严苛的要求。若与储热系统联合运行，可将反应堆持续释热的一部分存储在高温储热介质中，降低冷却剂凝固风险，同时提高热电转换的灵活度。
气冷反应堆以氦气或超临界二氧化碳为冷却剂，堆芯出口温度可达 850~1 000 ℃以上，直接匹配 CBC 的高温热源需求，是实现大功率、高效率核能发电的理想路径[38]。气冷堆通常采用耐高温的包覆颗粒燃料和全陶瓷堆芯，余热排出能力强，冷却剂无凝固风险，冷态启动灵活。氦气直接驱动透平可使系统热效率达到 45% 左右，与月球基地远期兆瓦级能源需求高度契合[39]。将气冷反应堆与基于烧结月壤的高温储热系统耦合，可在反应堆满功率运行时蓄存部分热能，在负荷尖峰或设备维护时释放，强化全周期供能的韧性。气冷反应堆对气体压气机的密封和长寿命运行有较高要求，月面低重力环境虽对压气机气动设计有一定影响，但一体化布置和原位资源利用可有效控制系统质量与尺寸。
综合来看，核反应堆虽以高能量密度和与光照无关的持续热输出在理论上具备驱动热动力循环的能力，但在月球基地远期建设的全周期约束下，其工程可行性面临难以逾越的障碍：兆瓦级堆芯、辐射屏蔽和庞大散热系统构成的发射质量远超当前运载能力与经济承受范围，月面低重力环境进一步放大了大质量设备的部署难度；密闭基地生态圈对放射性污染的零容忍和月面真空条件下事故修复的几乎不可能，构成不可接受的安全风险；核反应堆兆瓦级废热须通过巨大散热板向太空排散，而太阳能储热路线中热循环余热可回收用于基地热管理与水冰开采，形成热电联供的良性循环。
3.3.4 复合热动力循环发电系统
为了满足长期驻人月球基地的特殊能源需求，即大功率、可靠性高、温度范围广等，需要对上述系统进行深度结合，形成复合热力系统。首先要克服在高、中、低热源下均可以产生电能的问题，这就要求同时具备 CBC 和 ORC 的特点。复合发电系统方案可以实现这个功能，即以 CBC 吸收高温度热源的热量，以 ORC 回收低温热源的热量，如此便可匹配月球基地变温热源的特性。
在复合热动力系统的研究中，学者们针对以太阳能和生物为能源驱动的超临界 CBC 与 ORC 耦合系统的运行性能，发现涡轮进口温度对耦合系统的影响最大。当汽轮机进口温度为 700 ℃时，热效率可达 23.8%[40]，发现以 ORC 作为底循环可以将系统整体效率提高 3%~7%[41]。
为满足月球基地长期驻留对能源系统大功率、高可靠性和宽温度范围运行的严格要求，采用 CBC与 ORC 相结合的复合热动力系统，如图 10 所示[42]，体现了能源梯级利用与热源特性高效匹配的核心思想。该系统通过 CBC 吸收高温段热量发电，并利用 ORC 回收低温余热，实现了对月球基地变温热源的全温度范围覆盖，显著提升了整体能源转换效率。在月昼期间，该系统通过太阳能集热与储热单元的协同，完成发电与储热过程；月夜则通过储热单元逐级释放热量，优先驱动 CBC 发电，在温度不足时切换至 ORC 独立运行，兼顾供电与舱室供暖，从而在保证系统轻量化的前提下，实现能源的动态分配与高效转化[43]。
4 月球基地多能生成技术
由于月球表面昼夜温差接近 310 K，需建立双向热通量调节机制——既需月昼主动排散设备废热，又需月夜逆向补偿舱体热损。在此需求牵引下，学者们提出 2 种解决方案：1）以引射器拓宽ORC 的工作能力[44]，增加制冷散热的效果，如图 11所示。依托 ORC 运行原理，工作介质吸收设备废热后驱动涡轮机做功，高效回收低品位热能转化为电能，满足系统自身（如泵）或其他设备供电需求，提升能源利用率；同时，通过引射器构建制冷回路，涡轮机出口工作介质作为主流体形成低压，吸入经膨胀阀降压，并吸收载人舱热量的次流体，在完成混合散热的同时实现载人舱环境制冷。两者结合使系统无需额外配置独立发电与制冷设备，结构更紧凑，不仅能协同利用废热与辅助能源，兼顾能量回收与环境控温，还可通过涡轮机直驱泵实现自驱动，进一步降低能耗与依赖。2）使用 CBC/ORC 解决昼夜的能量供给问题，ORC 输出的电能驱动蒸汽压缩制冷系统（Vapor Compression Refrigeration，VCR）的压缩机，实现冷热电联产[10]，如图 12 所示。通过能量存储与释放，系统可实现持续的发电和制冷，结构紧凑、设备冗余少，能够在不同工况下稳定运行，属于综合性强且高效的能量管理与利用系统。
综上可知，第 1 种方案解决了月昼排热和月夜补偿热量的问题。这种设计不仅充分利用了设备废热，还能实现对载人舱环境的有效调控，在能源利用和设备精简方面表现突出。第 2 种方案中的CBC-ORC-VCR 系统侧重于通过不同循环的协同来保障昼夜能量供应。灵活进行能量存储与释放，确保冷热电的稳定联产，适应月球表面复杂的环境条件。
5 月球基地能源领域未来研究建议
针对月球基地能源系统的技术发展与工程化落地，提出以下 4 点核心研究建议，为后续攻关提供方向。
1）加快月球原位资源利用技术的工程化验证研究。近两年的研究已证实月壤原位储热、月面水冰资源利用等技术的理论可行性，但相关技术仍缺乏地面等效环境验证与月面原位测试数据。未来需重点围绕月壤改性储热材料的性能优化、月面水冰原位制氢制氧技术、原位资源 3D 打印能源系统部件等方向开展攻关，降低月球基地能源系统对地球运载的依赖，提升工程落地性。
2）开展长周期储热与全工况动态调控技术研究。月球 14 个地球日的长月夜连续供能，是当前太阳能能源系统的核心瓶颈。近两年的研究多聚焦储热材料与储热结构的稳态性能分析，对长周期储热过程中的热损控制、多工况下的系统动态能量匹配与协同控制研究不足。未来需重点开发高保温、高储能密度的月面长周期储热系统，构建基于机器学习的能源系统全工况动态调控策略，保障月昼月夜全周期的供能稳定性。
3）推进多能联供集成系统的轻量化与高可靠性设计。载人月球基地的核心需求是“电-热-冷气”多能协同供给，近两年的研究已初步探索了多系统耦合的技术路线，但对系统的集成度、轻量化、长期运行可靠性研究不足。未来需重点突破多循环耦合系统的结构集成优化、无油润滑动部件长寿命设计、微重力环境下的系统运行特性优化等关键技术，构建集成度高、冗余度低、可靠性强的多能联供系统。
4）构建地-月空间环境等效验证体系与技术成熟度评价标准。当前月球基地能源系统的相关研究多停留在理论仿真与实验室小尺度测试阶段，缺乏空间环境下的性能验证数据，技术成熟度难以支撑工程化应用。未来需加快建设月球极端环境地面等效验证平台，开展长周期、全工况的地面验证试验，同时建立适配月球场景的能源系统技术成熟度评价标准，分阶段推进技术迭代与工程化落地。
6 结束语
本研究立足月球基地深空探测枢纽的战略定位，针对其近、中、远期差异化驻守任务与梯度化能源需求，明确以太阳能为核心驱动源的技术路线，构建了覆盖月球基地全生命周期的层级化能源系统方案体系，主要得到以下结论：
1）月球基地能源系统的设计需遵循阶段适配、梯度演进、需求导向、原位利用的核心原则，储热系统作为太阳能驱动能源系统的核心配套单元，随能源系统功率提升呈现“轻量化→集成化→大型化”、“地球材料→原位资源”融合的梯度特征，与能源系统深度耦合、协同运行，是实现全周期连续供能的关键。
2）针对近期无人驻守的百瓦级、高可靠连续供能需求，月壤储热-热管型温差发电器系统为最优选择，其配套的小型化原位月壤储热单元通过热管与发电系统耦合，实现月昼-月夜全周期连续供能，解决了传统光伏-蓄电池方案月夜供能中断、运载成本过高的痛点。
3）针对中期短期有人驻守的百千瓦级电-热气多能协同需求，光伏-再生燃料电池（PV-RFC）与温差发电余热回收耦合系统为最优选择，其配套的中小型相变储热单元实现了余热回收与热-电协同供给，可同步产出电能、热能和应急氧气，匹配载人任务的多元化用能需求。
4）针对远期长期驻人的兆瓦级、宽工况供能需求，CBC-ORC 复合热动力系统与高温+原位化储热系统的深度耦合是核心方案，储热系统遵循温度匹配、原位利用、长周期保温、轻量化集成 4 大原则，实现了太阳能的长周期存储与热动力循环的全工况适配，使系统覆盖月球变温热源全温区，综合热效率较单一循环提升 3%~7%；在此基础上拓展形成的 CBC-ORC-VCR 冷热电三联供复合系统，融合了发电、供暖、制冷、热管理功能，实现了电-热-冷三联供，是月球社区成熟阶段的最优方案。
5）系统梳理了月球基地各建设阶段能源系统及配套储热系统的核心优势、短板和适配场景，完善了月球基地能源-储热一体化技术发展体系；指出热动力循环储热系统的原位化工程化、长周期储热与多系统协同控制、轻量化一体化设计、地-月环境等效验证是未来核心攻关方向。研究成果可为我国月球基地能源系统的方案论证、技术迭代和工程化验证提供理论参考，推动我国月球科研站建设的进程。