衛(wèi)星太陽能電站發(fā)展發(fā)展前景與利用難題分析.doc

衛(wèi)星太陽能電站發(fā)展前景與利用難題分析摘要空間太陽能電站(Solar Power Satellite，SPS)概念受到了國際的廣泛關注，美國和日本都已制定了爭取在2030年左右實現(xiàn)商業(yè)化運行的發(fā)展路線圖，并且在概念和技術層面開展了大量的研究工作。中國有必要盡快開展此方面的相關研究工作，為未來的長遠發(fā)展奠定基礎。引言世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展, 對能源的需求越來越大。地球礦物資源的大量開采與消耗, 使石油、煤炭資源日趨短缺。過量消耗礦物燃料造成地球生態(tài)環(huán)境的惡化, 也促使人們尋找新能源和各種可再生能源。由于空間太陽能具有能流密度大、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜氣候影響、潔凈、無污染等優(yōu)點, 且隨著人類征服太空能力的加強, 利用空間太陽能發(fā)電SPS ( Solar Power from Space) 已越來越受世界各國的關注?，F(xiàn)代空間太陽能發(fā)電的構想 太陽能發(fā)電衛(wèi)星( Solar Power Satellite) 最早由美國的P. E. Glaser 博士于60 年代提出。之后一些學者又紛紛提出其它設想, 特別是美國的DCriswell 等又建立了以月球為基地的空間電站模型LSP( Lunar-based Solar Power ) 。為了加快實現(xiàn)空間發(fā)電的構想, 一些發(fā)達國家如美、日、法、俄等先后開展了空間電站的可行性論證,并對其中的關鍵技術無線電能傳輸WPT 技術(Wireless Power Transmission) 作了大量的探索工作?？傮w認為, 空間太陽能電站在技術、經(jīng)濟、社會等方面是可行的, 有望于本世紀初建立初步的空間太陽能發(fā)電SPS 系統(tǒng), 并于中葉建立起以月球為基地的太陽能電站。本文旨在結合我國國情, 對空間太陽能發(fā)電及傳輸技術原理的研究發(fā)展做出概述，分析制約衛(wèi)星太陽能電站發(fā)展問題的關鍵技術以及重大問題。. 國際空間太陽能電站發(fā)展概述. 空間太陽能電站概念空間太陽能電站是指在空間將太陽能轉化為電能，再通過無線方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。主要由3部分組成：太陽能發(fā)電裝置、能量轉換和發(fā)射裝置、地面接收和轉換裝置(圖1)。太陽能發(fā)電裝置將太陽能轉化為電能；能量轉換裝置將電能轉換成微波或激光等形式(激光也可以直接通過太陽能轉化)，并利用天線向地面發(fā)送能束；地面接收系統(tǒng)接收空間發(fā)射來的能束，再通過轉換裝置將其轉換為電能。整個過程經(jīng)歷了太陽能電能微波(激光)電能的能量轉變過程圖1 空間太陽能電站工作示意圖. 國際空間太陽能電站發(fā)展現(xiàn)狀.美國美國在20世紀70年代，投入約5000萬美元進行空間太陽能電站和關鍵技術研究，并且提出5GW的“1979 SPS基準系統(tǒng)”方案。1995年7月，NASA開展了重新評估SPS可行性的研究，并提出多種創(chuàng)新方案。1999年，NASA在2年內(nèi)投資2200萬美元，開展“空間太陽能探索性研究和技術”的計劃，提出SPS未來發(fā)展的技術路線圖計劃于2020年實現(xiàn)10MW系統(tǒng)的空間驗證。2001年后，NASA和美國科學基金會共同出資開展“空間太陽能電站概念和技術程度研究”。2007年美同國防部組織專家完成了空間太陽能電站作為戰(zhàn)略安傘的機遇中期評估報告。報告對于美國政府組織開展奪間太陽能電站研究提出4點建議：要有效的進行組織，以解決SPS研制存在的問題；要為SPS的商業(yè)發(fā)展清除主要的技術風險；為SPS的研制創(chuàng)造一個有利的政策、制度和法律環(huán)境；政府應成為SPS早期的驗證者、研制者和用戶，并且激勵其持續(xù)發(fā)展。.日本日本是能源極缺的國家，從20世紀80年代就開始進行SPS概念和關鍵技術研究。目前共有200多名科學家參加15個技術工作組，90年代起陸續(xù)推出SPS2000、SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式繩系SPS系統(tǒng)等概念設計，并且重點在微波傳輸、激光傳輸、材料及空間機器人技術方面開展工作。2003年2月27日，日本提出“促進空間太陽能利用”計劃，已列為國家計劃，目標是在2030年后實現(xiàn)商業(yè)化，目前已經(jīng)提出在2030年實現(xiàn)1GW商業(yè)系統(tǒng)運行的技術路線圖。.歐洲歐洲在1998年開展了“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結構和技術研究”計劃，提出了名為太陽帆塔的概念設計。2002年8月，歐空局先進概念團隊組建了歐洲空間太陽能電站研究網(wǎng)，重點在高效多層太陽電池、薄膜太陽電池、高效微波轉化器、輕型大型空間結構等先進技術方面開展研究工作。.中國近年來，我國在發(fā)展地面太陽能可再生能源方面做了大量的工作，但利用規(guī)模還十分有限，發(fā)展空間太陽能發(fā)電技術、解決太陽能的大規(guī)模利用問題才是我國發(fā)展的主要方向。作為空間太陽能發(fā)電的主要關鍵技術，WPT在能量傳輸方面起重要作用。我國在雷達技術研究、應用方面具有一定基礎，激光技術也已成熟。微波技術、激光技術在許多方面得到了應用，表明我國在WPT技術上已具有相當基礎。我國已具備了太陽能電池的技術基礎與空間應用能力。盡管就我國的目前空間技術水平相比還存在許多差距，但就空間工業(yè)基礎來講，我國已具備建設太空太陽能電站所需空間技術的潛能。. 空間太陽能電站系統(tǒng)方案國際上已經(jīng)提出幾十種空間太陽能電站概念構想，總得來說空間太陽能電站概念可以分為兩大類：一類是非聚光式，另一類是聚光式，而這兩類又分別可以分為平臺式和分布式。平臺式非聚光空間太陽能電站的典型代表是美國提出的“1979 SPS基準系統(tǒng)”；分布式非聚光窄間太陽能電站的典型代表是日本提出的“分布式繩系太陽能電站衛(wèi)星”；平臺式聚光空間太陽能電站的典型代表是美國提出的“集成對稱聚光系統(tǒng)”；分布式聚光空間太陽能電站的典型代表是日本提出的“SPS2003”。從發(fā)展趨勢上，空間太陽能電站概念的發(fā)展重點是從系統(tǒng)的輕型化、模塊化等方面開展工作，同時要重點解決系統(tǒng)的散熱和空間大功率電力的傳輸難題。下面給出幾種典型的空間太陽能電站概念。.1979 SPS基準系統(tǒng)1979年美國提出第一個空問太陽能電站概念，名為“1979 SPS基準系統(tǒng)”。該設計方案為在地球靜止軌道上布置60個發(fā)電能力各為5GW的發(fā)電衛(wèi)星，總設計目標為300GW，約為美國電負荷的一半，系統(tǒng)主要性能參數(shù)見表1。表1 1979 SPS基準系統(tǒng)主要性能參數(shù)系統(tǒng)采用桁架式太陽電池陣結構設計，體積和重量均較大，是后來的SPS概念設計的基礎。設計微波波束到達地面時的功率密度很小，波束中心約為23mWcm2，邊緣只有1mWcm2，對人、畜和莊稼不會造成危害。.集成對稱聚光系統(tǒng)NASA在20世紀90年代末的SERT研究計劃中提出新一代的名為“集成對稱聚光系統(tǒng)”的設計方案，結構示意圖見圖2。采用了薄膜聚光設計，薄膜聚光采用O5mm厚的Kapton膜，表面太陽光反射率達到09，聚光膜到光伏電池的集光率為425。設計將聚光太陽陣與微波發(fā)射天線布置在很近的位置，可以大大減小空間電力傳輸系統(tǒng)的體積和質量。圖2 集成對稱聚光系統(tǒng).日本空間太陽能電站方案概念日本在空間太陽能電站研究中提出了多種方案，主要包括SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式繩系太陽能電站衛(wèi)星概念等(見圖3)。其中SPS2001采用了聚光系統(tǒng)，并且創(chuàng)新性的提出將太陽電池、微.波轉換裝置和發(fā)射天線集成為夾層結構，大大簡化了結構設計和空間裝配的難度，但散熱問題極難解決。在SPS2002方案中，改進了SPS2001的夾層結構，將太陽電池、發(fā)射天線布置在同一面，另一面作為熱輻射器，可以大大改善熱控的效果，但給能量轉化效率和電池兼容性帶來一定問題。SPS2003方案是在SPS2002方案的基礎上，在輻射面后面增加了太陽屏，更加有利于系統(tǒng)的散熱。SPS2003的另一個重要特點是各部件將采用編隊飛行的方式保持相對位置穩(wěn)定，是一個真正的分布式系統(tǒng)。分布式繩系太陽能電站衛(wèi)星概念減小了單個模塊的復雜性和重量，更有利于系統(tǒng)的構建和組合。其基本單元由尺寸為100m X 95m的單元板和衛(wèi)星平臺組成，單元板為太陽電池、微波轉換裝置和發(fā)射天線組成的夾層結構板。每個單元板的總重約為425t，微波能量傳輸功率為21MW，單元板和衛(wèi)星平臺間采用4根2-10km的繩系懸掛在一起。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個系統(tǒng)。.太陽帆塔歐洲在1998年開展了“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結構和技術研究”計劃，提出了太陽帆塔概念，主要參數(shù)見表2。表2 歐洲太陽帆塔基本概念該方案設計基礎是基于美國提出的太陽塔概念，但采用丁許多新技術，主要是采用了可展開的輕型結構太陽帆，可以大大降低系統(tǒng)的總重量、減小系統(tǒng)的裝配難度。每一塊太陽帆電池陣為一個模塊，尺寸為150m150m，發(fā)射入軌后自動展開，在低地軌道進行系統(tǒng)組裝，再通過電推力器運往地球同步軌道。制約空間太陽能電站的關鍵技術.空間運輸技術空間太陽能電站體積大、重量大，需要多次發(fā)射到近地軌道(LEO)進行組裝，再送往地球同步軌道(GEO)。岡此，空間太陽能電站系統(tǒng)需要兩類空間運輸技術：低成本大運載近地運載器，高性能軌道問推進系統(tǒng)。目前最大的運載火箭包括美國的土星五號和俄羅斯的能源號運載火箭，近地軌道運載能力超過100t。而目前廣泛使用的商用運載火箭，包括“德爾塔”、“質子”、“阿里亞娜”和“長征”等，近地軌道運載能力從112250t不等。為了節(jié)約成本，有必要發(fā)展大刑的可重復使用的運載丁具。高比沖、長壽命的電推進系統(tǒng)是空間太陽能電站最有前途的空間軌道轉移推進方式。美國已經(jīng)研制50kW霍爾電推力器，需要進一步研究大推力的電推進系統(tǒng)，以適應空間太陽能發(fā)電站的需求。.太陽能發(fā)電技術空間太陽電站的太陽能發(fā)電考慮兩種形式，即光電轉化形式和熱電轉化形式。上世紀90年代，考慮到熱電轉換的較高效率，在空間站的電源系統(tǒng)設計中曾對空間太陽能熱動力系統(tǒng)進行了廣泛研究。隨著光電轉化技術的進步，其較高的效率(已經(jīng)成熟的空間太陽能電池的效率接近30)和高可靠性使得空間太陽能電站的太陽能發(fā)電更多的立足于光電轉化。目前。從空間太陽能電站的需求來看，為了提高系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)的質量，研究重點是發(fā)展聚光太陽電池和薄膜太陽電池技術，以提高能量轉換效率，減輕產(chǎn)品重量，并需要進一步增強抗輻射等空間環(huán)境適應能力，降低生產(chǎn)成本。其中聚光太陽電池最為看好，也是目前空間太陽能電站系統(tǒng)較多采用的方案。圖4為美國的SERT計劃給出的與空間太陽能電站發(fā)展目標相對應的太陽能發(fā)電技術目標。圖4 太陽能發(fā)電技術目標.無線能量傳輸技術無線能量傳輸技術是空間太陽能電站的主要關鍵技術，在空間將太剛能轉換成電能后，進一步轉換為微波或激光，通過WPT傳輸?shù)降孛妫偻ㄟ^微波或激光接收裝置轉換回電能。目前來看，微波無線能量傳輸技術相對更為可行。1964年，一個24kg重的無線電力傳輸直升飛機進行了驗證，接收功率達到270W，飛行高度為15m。1975年，更大功率的微波電力傳輸試驗在美國的JPL試驗成功，傳輸距離達到16km，接收功率達到30kW，接收端的直流轉化效率達到084。13本已進行了幾次空間微波電力傳輸試驗，主要研究微波波束在空間等離子體環(huán)境下的相瓦作用。激光傳輸能量集中，所需的接收設備小，造價便宜，且可以直接轉化為氫等存儲起來。但是，激光穿過大氣層時，有能量損耗，在惡劣氣候條件下不能使用，而且大功率的激光技術目前還有許多難點，需要進一步研究才能應用。日前無線能量傳輸技術研究的重點是大功率、高效率、長壽命的能量轉化器件技術，這對于降低系統(tǒng)的質量、減小熱控等的復雜性都非常重要。.空間技術1)空間組裝、維護和維修技術：空間太陽能電站系統(tǒng)體積和重量巨大，需在近地軌道進行空間裝配，而且系統(tǒng)在軌工作壽命達3040年，在全任務周期內(nèi)，面臨著大量空間碎片和微流星體等的威脅，此外由于空間太陽能電站運行時問長，其攜帶的燃料有限，需要進行在軌加注，維護任務需求很大，需要研究結構和部件模塊自主組裝技術、空間無人維護和維修技術。2006年1月22 13，日本成功發(fā)射了Furoshiki衛(wèi)星，多個衛(wèi)星在空間釋放后，相互展開形成天線網(wǎng)格，之后整個系統(tǒng)旋轉，以保證天線網(wǎng)格的張力。天線網(wǎng)格搭建完畢后，機器人就可以在網(wǎng)格上工作以建造相控陣天線。主要驗證新型自主空間展開天線和空間機器人技術。2)姿態(tài)控制及波束指向控制技術：空間太陽能電站的面積將達到幾十平方公里，在運行過程中，既要保證太陽電池陣盡可能對日定向，又要保證微波波束與地面接收天線精確定向，給系統(tǒng)的姿態(tài)控制和波束指向控制帶來很大的難題。特別是波束指向控制技術對于空間太陽能電站的安全有效運行極其重要。3)熱控材料及熱控技術：空間太陽能電站中的光、電、微波能量轉換過程中所產(chǎn)生的熱量排散是方案設計中的主要技術難題之一，而適合的工作溫度又是保證系統(tǒng)長期正常工作的必要條件，采用合理的熱控方案和熱控材料對于提高系統(tǒng)可靠性、降低系統(tǒng)質量具有重要意義。4)空間電力管理與輸送技術：空間太陽能電站的輸出功率達到GW級，其電流十分強大，如果采用常規(guī)技術，需要大量的電纜、絕緣材料和散熱材料，嚴重影響到空間太陽能電站的重量和成本。需研制高溫超導輸電電纜、長壽命高可靠制冷器、高效直流變換器及新型的絕緣、散熱材料等。5)輕型、長壽命的結構及其部件：空間太陽能電站的體積巨大，工作壽命長達30年以上，為降低發(fā)射成本，需研制超輕型的展開式結構、充氣膨脹結構和創(chuàng)新的多功能結構以及耐空間輻射環(huán)境的輕型復合材料。結論( 1)我國的能源現(xiàn)狀表明, 發(fā)展空間太陽能電站是解決我國能源需求,優(yōu)化能源結構的合理選擇。( 2)我國的技