31、航天器静态能量转换技术解析

航天器静态能量转换技术解析

在航天器的能源供应体系中，除了常见的光伏技术外，还有多种静态能量转换技术值得关注。这些技术各自具有独特的原理和应用特点，为航天器的能源需求提供了多样化的解决方案。

1. 引言

航天器电力供应的静态能量转换技术，主要有热电、热离子、碱金属热 - 电转换（AMTEC）和热光伏（TPV）这四种。热电能量转换是外行星探索中放射性同位素电源的主要技术，俄罗斯和美国都曾在相关卫星和反应堆中应用过。热离子转换在空间核反应堆系统中备受关注，俄罗斯进行了大量开发，还对TOPAZ系统进行了两次飞行测试。而AMTEC和TPV虽尚未有空间飞行的电力系统，但它们具有较高的转换效率，短期实验室测试显示其效率超过20%，远高于热电和热离子转换器通常低于10%的效率，系统效率也能达到5%以上。美国在20世纪90年代重新关注这两项技术，并在1997年，NASA和美国能源部（DOE）初步选择AMTEC作为下一代放射性同位素系统的首选。

2. 热电技术

热电技术的基本物理过程是塞贝克效应，由托马斯·塞贝克在1821年首次观察到，但当时他误解了这一效应。塞贝克效应是指当两种不同金属的连接点保持不同温度时，会在其中产生电动势。常见的应用是使用热电偶测量温度，通过比较施加电压与特定热电偶的电压 - 温度相关性，将其转换为温度测量值。与热电偶温度测量不同，热电发电使用半导体材料代替金属，并且有电流流动以产生电力，因为半导体材料的塞贝克系数比金属高得多，更适合发电。

一个热电单元由n型和p型半导体材料的单个腿组成，热端通过热靴连接形成热结，冷端连接冷靴，外部负载完成电路。在n型材料中，塞贝克效应使多余电子从热结流向冷结；在p型材料中，空穴向冷靴迁移，形成从