推动外太空系统的功率密度改进

由于地球上有 10 亿人依靠电网生活，因此在夜间使用可再生资源发电变得极其重要。由于晚上没有太阳能，用户可以利用宇宙的寒冷作为热力学资源。

具体来说，用户将能够使用热机，该热机可以利用保持接近 300 K 的周围环境与稳定在 3 K 左右的外太空之间的温度梯度来提取能量。这种方法将能够通过稳定的低温冷散热器（即外太空）有效地倾倒热机输出的多余热量。

在这方面，下面列出的参考文献中的第一篇文章介绍了使用辐射冷却对夜间热电发电系统进行的有效优化。作者证明了大于 2 W/m² 的功率密度——它比以前的工作高出两个数量级，并且可以使用现有技术来实现。

尽管这种夜间发电的演示令人惊叹，但确认的功率密度相当低。实现 1 W/m² 级的功率密度是满足无数应用能源需求的关键。

深入研究功率密度

设计人员可以通过应对以下两个挑战来提高发电量：

1. 发射器只需在大气发射较低的频率/角度吸收热能，而简单的黑体发射器² 在所有频率和角度上都强烈吸收热能。

2. 热设计应减轻不利于形成热电流的过度寄生热损失。^{阿拉伯数字}

所提出的系统（图 1）允许在夜间实现最佳发电。它结合了辐射冷却和热电发电，可以在无法收集太阳能的夜间运行。该系统提供超过 2 W/m² 的功率密度。这比以前报道的利用现有技术获得的任何实验结果高出两个数量级。

图1. 建议的系统允许在夜间实现最佳发电：（a） 设置示意图。（b） 输出功率密度 p_max 是各种热电品质因数的热电与辐射冷却器面积比的函数，包括由卡诺发动机提取的功率密度的一半确定的极限。其中，在 300 K 的环境温度下，h_c = ^10-3 W/（m²K） 和 h_h = 10² W/（m²K）。

在实现最佳发电时，热电发电机 （TEG） 占用的系统面积不到 1%。与常规黑体发射器相比，功率密度提高了 153%，因此最佳发射器的重要性变得显而易见。

正在开发的太空应用

检查大量器件的整个制造过程的质量非常重要，数十块 1 cm² 的太阳能电池通过光刻技术定义并进行测试（图 2）。与太空应用相关的更大单元尺寸正在开发中。

图2. 这款 100 毫米外延片包含 1 厘米² 磷酸镓铟 （GaInP）/镓铟砷化物 （GaInAs）/锗 （Ge） 晶格匹配 （LM） 三结 （3J） 太阳能电池。（图片由参考文献 3 提供）

例如，有三结倒变质多结 （IMM） 结构，其中包括中间子单元中的量子阱 （QW）。在图 3 中，显示了全局器件的层厚，而空间器件略有修改。

图3. 图为三结太阳能电池。（图片由参考文献 5 提供）

另一个应用是航天器中的电力系统 （EPS），它为所有车辆负载提供电力，对于安全完成 NASA 定义的任务至关重要。EPS 包括发电、配电和储能。EPS 也是一个主要的基本子系统，在任何类型的航天器中都包含很大一部分体积和质量。

例如，当谈到立方体卫星时，最常用的架构是纯电池或太阳能电池阵列/电池配置。在这些情况下，必须将电池视为潜在危险，因为它们有时会将储存的能量与航天器中的腐蚀性材料相结合。

总结

外太空系统中的高功率密度增强了许多类型的太空相关应用。航天器必须依靠强大的动力系统来应对深空任务的挑战。因此，可靠的电源管理和存储技术对于任何任务的成功都至关重要。

引用

1. “最佳利用外太空黑暗的夜间发电系统设计”，Lingling Fan， Wei Li， Weiliang Jin， Shanhui Fan， Meir Orenstein;斯坦福大学 Ginzton 实验室电气工程系， 美国 斯坦福 94305;以色列理工学院电气工程系，32000 Haifa， Israel， llfan@stanford.edu， shanhui@stanford.edu， CLEO 2021 © OSA 2021。

2. “从黑暗中产生光明”，Aaswath P. Raman、Wei Li 和 Shanhui Fan，Joule，3（11）：2679– 2686,2019 年。

3. “用于高功率密度应用的柔性和轻型 3J 空间太阳能电池的进展”，Carlos Algora、Iván García、Pablo F. Palacios、Daniel Gómez-Reboreda、Pablo Martín、Clara Sanchez-Perez、Luis Cifuentes、Iván Lombardero、Mercedes Gabás、Ignacio Rey-Stolle，2023 年第 13 届欧洲空间能源会议 （ESPC），太阳能能源研究所，马德里理工大学，西班牙马德里，2023 年。

4. “太阳能在空间中的应用：回顾和技术观点”，Rosaria Verduci、Valentino Romano、Giuseppe Brunetti、Narges Yaghoobi Nia、Aldo Di Carlo、Giovanna D'Angelo 和 Caterina Ciminelli，先进能源材料，2022 年。

5. “通过厚量子阱超晶格实现具有 39.5% 地面效率和 34.2% 空间效率的三结太阳能电池”，Ryan M. France、John F. Geisz、Tao Song、Waldo Olavarria、Michelle Young、Alan Kibbler 和 Myles A. Steiner，国家可再生能源实验室，2022 年 5 月。

6. “用于单片钙钛矿/钙钛矿/硅三结太阳能电池的真空蒸发全无机钙钛矿顶电池”，Yashika Gupta、Minasadat Heydarian、Maryamsadat Heydarian、Patricia SC Schulze、Juliane Borchert，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 ISE，德国弗莱堡，2024 年 IEEE 第 52 届光伏专家会议 （PVSC），978-1-6654-6426-0/24/©2024 IEEE，DOI：10.1109/PVSC57443.2024.10748856，INATECH，弗莱堡大学，弗莱堡， 德国。

7. “微型热电发电机的功率密度优化”，Kenneth E. Goodson、Marc T. Dunham、Michael T. Barako、Mehdi Asheghi，斯坦福大学机械工程系;Saniya LeBlanc，乔治华盛顿大学机械工程系;Baoxing Chen， Analog Devices Inc.