中国储能网讯：针对月球科研站能源供给特点和需求，提出具有“五强”技术特征、“五高”供应能力的月球数智化高可靠微电网综合能源基地蓝图，明确了以直流为主交流为辅的混合微电网基本形态、以电氢耦合为基本能量转换形式的“电-氢-氧-热-水”综合能源基地的建设愿景，并在地球建立全域、全态、全时数字孪生系统，支撑其安全稳定、高质高效运行。月球微电网综合能源基地建设是一项全局性、复杂性和开创性的系统工程，创新提出兆瓦级月球微电网电源结构、储能形式、网架形态以及系统拓扑结构、运行模式，提出基于月球科研站用能需求的三阶段发展设想，为我国深空探测能源供给提供全套解决方案。基于新质生产力形成的新供给，提出加强前沿技术、颠覆性技术多路径探索和交叉融合，尽早开展月球微电网综合能源基地研究的建议。月球微电网综合能源基地将有力促进地球新型电力系统的建设和发展。欢迎品读。
1 研究背景
月球是人类向深空领域探测的重要门户，已成为国家利益新的战略制高点，需以战略眼光，提前谋划，前瞻布局。人类已开启新一轮探月热潮，中国、美国、俄罗斯、欧空局等国家和组织相继发布一系列探月规划。2016年，我国首次提出建设国际月球科研站的构想，并于2024年4月明确了“2035年建成基本型；2045年建成拓展型”两阶段实施计划。立足于月球原位资源开发和利用，在月球建立永久性有人驻留科研站的竞争已经开始。
月球科研站所处空间环境恶劣，能源需求具有独特属性。随着月球科研站任务规划、建设目标、组成结构的日渐清晰，月球科研站电力建设不再是为月面某一用电设备配置电源的技术路线，而是逐步呈现具备一定规模的电网格局。对有人驻留的月球基地，则呈现电、热、氢、氧、水多种能量物质综合利用的需求模式。传统航天电源技术已无法满足长周期、复合型、安全可靠的用能需求。
国内外相关领域专家学者和研究团队初步提出了以空间光伏和燃料电池、核反应堆电源、月壤温差发电等为电源形式的供电方案以及利用原位资源的月昼蓄热系统。但还多处于月球能源系统的基本要求、关键技术问题研究阶段，尚未形成如何构建月球电网和综合能源利用模式的系统性、整体性研究思路。
2 研究意义
能源是月球科研站建设的先决条件和重要基础保障。提前谋划和启动月球能源体系研究，建设高质、高效、高可靠的专业供能系统，对保障月球科研站的建设和运行，维持科研站生命线具有重要意义。
须运用系统思维，从月球空间发电、输电、配电、用电及储能等全环节，研究探讨极热极寒等恶劣月球运行环境下，月球科研站供电系统和多能量物质综合利用可能的技术路径，为我国构建月球科研站能源供应系统提供总体思路和战略布局。月球能源电力技术的突破与成功验证，对地球新型电力系统的建设和发展具有重要意义。
3 月球微电网综合能源基地
3.1 蓝图构想
基于月球科研站能源供给特点和需求，我们提出未来月球微电网综合能源基地的蓝图：以经济高效空间光伏发电、氢燃料电池、大功率顶峰氢燃机发电、稳定可靠核反应堆电源、长寿命灵活同位素电源等为电源结构；以氢氧燃料、电化学储能等高功率/能量密度、短时和长周期多类并存的储能单元，通过大容量低损耗高效输配电方式等，构建而成的以直流为主交流为辅的混合微电网基本形态、以电氢深度耦合为基本能量转换形式的“电-氢-氧-热-水”综合能源系统。
图1 月球微电网综合能源基地蓝图
3.2 系统构成
月球微电网空间电源主要包括光伏、燃料电池、小型氢燃机、核反应堆电源、同位素电池等。月球储能除以电化学储能等短周期电量存储方式外，电解水制得氢气和氧气的燃料存储应是长周期、大容量、灵活调配的最佳形式，存储量应达到十四天以上，以应对长周期月夜无光伏出力的情况。
图2 月球电源与储能结构、作用及其关系
月球物理电网应具备实现电能输送与分配、电压变换等功能，包括输电、配电和用电环节，用于联接电源和用电设备。月面电力传输主要考虑电缆、激光和微波等形式。对于月面固定电源和用电设施之间，采用电缆传输功率具有优势。对月球漫游车等移动负荷，激光或微波电力无线传输是一种较为便利的技术路线，但传输功率及能量转换效率目前较低。
月球微电网采用双母线直流微电网系统拓扑结构。通过电力电子DC/DC或AC/DC变换技术，为月球各类电源、储能和负荷提供所需的电能接口，智能化实现电压和功率的灵活变换与控制，高效实现即插即用功能。
图3 月球独立直流微电网双母线拓扑结构
月球科研站综合能源系统：按照由易到难、由小到大、模块化发展的原则，提出分别以“构建基础能源系统；维持科研站驻留宇航员生活；构建月球能源补给站”为目的，逐步推进“无人驻留保证系统自持；有人驻留维持人员生活；有人驻留能源补给站”三阶段的发展设想。
图4 三阶段物质能量循环示意图
3.3 基础目标
月球微电网综合能源基地的建设目标：在暂不考虑大功率空间核反应堆的情况下，光伏装机规模将达到2MW以上，并配置额定能量为300kW × 350h的燃料电池，以及额定容量为500kW的氢内燃机组（顶峰电源），同时为月面部分全时段移动负荷加装500W同位素电池，则可以满足月球科研站14天月昼500kW以及14天月夜平均300kW负荷水平的用能需求。电化学储能可根据月面大功率短时负荷或作为黑启动电源设计容量和利用小时数。该基地最大输出功率可达1MW，系统的综合能源利用率达到80%以上。
3.4 总体要求
提出月球微电网综合能源基地应具有以下“五强”技术特征和“五高”供应能力：
图5 “五强”技术特征和“五高”供应能力
3.5 关键技术
1）新型综合能源结构设计：月面“电-氢-氧-热-水”多能量物质、长周期循环利用将是一次全新尝试，也是月球科研站能源供需的发展趋势。需攻克“五高”供应能力要求下的月球智慧综合能源复杂结构设计技术。涉及月面光电、热电、电化学多转换模式；各类电源联合发电；氢、氧、水循环利用；余热回收与利用；各种能量高效传输；电氢氧水热充足合理存储等技术。
2）新材料新装备技术：为满足地月发射条件、适应月球运行环境，需攻克月面发、输、配、用各环节的新材料新装备及其防护技术。涉及月面轻便化导电材料；空间光伏、核电源、可再生燃料电池发电；高性能电力电子变换；空间电缆、激光和微波输电；液氢超导输电、超导储能等技术。
3）运行控制与调度技术：月球微电网综合能源基地运行与控制技术是保障其安全、稳定、可靠运行的关键。需攻克月昼、夜长周期交替常态化运行场景下，以电氢耦合为基础的多种能量转换方式并存的运行控制与调度技术。涉及系统建模与仿真、源网荷储协同调控、电压控制与潮流优化、综合能源能量管理、事故过程控制及极端情况下系统恢复等多项技术。
4）新型数字化技术：构建月球微电网综合能源基地的必要手段。需攻克高精度传感、大数据、人工智能、数字孪生等数字化技术在能源基地全环节、全过程中的应用，使之具备自调控、自运维、自诊断、自恢复等高端数智化、自动化功能。并在地球建立全域、全态、全时数字孪生系统，1：1投射至数字空间形成全覆盖、多纬度、无限近真的孪生体，支撑月球基地安全稳定、经济高质运行。
4 结论
在新时代新质生产力的呼吁下，需要新的理论、新的方法、新的技术支撑月球能源系统建设。基于新质生产力形成的新供给，提出了具有“五强”技术特征、“五高”供应能力的月球微电网综合能源基地的建设思路，为我国月球深空探测能源供给提供系统的解决方案。我们认为应尽早开展月球微电网综合能源基地研究，把新一代信息技术、人工智能、新能源、新材料、高端装备等最新技术应用于其中，对前沿技术、颠覆性技术进行多路径探索和交叉融合，做好生产力储备。月球微电网综合能源基地将有力促进地球新型电力系统的建设与发展。
