衛(wèi)星太陽能電站發(fā)展發(fā)展前景與利用難題分析報告

1、WORD10/10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(guān)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(shù)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(guān)研究工作，為未來的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。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

2、人類征服太空能力的加強, 利用空間太陽能發(fā)電SPS ( Solar Power fromSpace) 已越來越受世界各國的關(guān)注。現(xiàn)代空間太陽能發(fā)電的構(gòu)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(xué)者又紛紛提出其它設(shè)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(gòu)想, 一些發(fā)達(dá)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(guān)鍵技術(shù)無線電能傳輸WPT 技術(shù)(Wireless Po

3、werTransmission) 作了大量的探索工作?？傮w認(rèn)為, 空間太陽能電站在技術(shù)、經(jīng)濟、社會等方面是可行的, 有望于本世紀(jì)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(jié)合我國國情, 對空間太陽能發(fā)電與傳輸技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)以與重大問題。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(zhuǎn)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(zhuǎn)換和發(fā)射裝置、地面接收和轉(zhuǎn)換裝置(圖1)。太陽能發(fā)電裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為電能；能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換

4、成微波或激光等形式(激光也可以直接通過太陽能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jì)70年代，投入約5000萬美元進行空間太陽能電站和關(guān)鍵技術(shù)研究，并且提出5GW的“1979 SPS基準(zhǔn)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年投資2200萬美元，開展“空間太陽能探索性研究和技術(shù)”的計劃，提出SPS未來發(fā)展的技術(shù)路線圖計劃于2020年實

5、現(xiàn)10MW系統(tǒng)的空間驗證。2001年后，NASA和美國科學(xué)基金會共同出資開展“空間太陽能電站概念和技術(shù)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(shù)風(fēng)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(yīng)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(jì)80年代就開始進行SPS概念和關(guān)鍵技術(shù)研究。目前共有200多名科學(xué)家參加15個技術(shù)工作組，90年代起陸續(xù)推出SP

6、S2000、SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式繩系SPS系統(tǒng)等概念設(shè)計，并且重點在微波傳輸、激光傳輸、材料與空間機器人技術(shù)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(biāo)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(shù)路線圖。.歐洲歐洲在1998年開展了“空間與探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)研究”計劃，提出了名為太陽帆塔的概念設(shè)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(zhuǎn)化器、輕型大型空間結(jié)構(gòu)等先進技術(shù)方面開展研究工作。.中國

7、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(shù)、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(guān)鍵技術(shù)，WPT在能量傳輸方面起重要作用。我國在雷達(dá)技術(shù)研究、應(yīng)用方面具有一定基礎(chǔ)，激光技術(shù)也已成熟。微波技術(shù)、激光技術(shù)在許多方面得到了應(yīng)用，表明我國在WPT技術(shù)上已具有相當(dāng)基礎(chǔ)。我國已具備了太陽能電池的技術(shù)基礎(chǔ)與空間應(yīng)用能力。盡管就我國的目前空間技術(shù)水平相比還存在許多差距，但就空間工業(yè)基礎(chǔ)來講，我國已具備建設(shè)太空太陽能電站所需空間技術(shù)的潛能?？臻g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(gòu)想，總得來說空

8、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(zhǔn)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(zhǔn)系統(tǒng)1979年

9、美國提出第一個空問太陽能電站概念，名為“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”。該設(shè)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(shè)計目標(biāo)為300GW，約為美國電負(fù)荷的一半，系統(tǒng)主要性能參數(shù)見表1。表1 1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)主要性能參數(shù)系統(tǒng)采用桁架式太陽電池陣結(jié)構(gòu)設(shè)計，體積和重量均較大，是后來的SPS概念設(shè)計的基礎(chǔ)。設(shè)計微波波束到達(dá)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(jì)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(shè)計方案，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。采用了薄膜聚光設(shè)計，薄

10、膜聚光采用O5mm厚的Kapton膜，表面太反射率達(dá)到09，聚光膜到光伏電池的集光率為425。設(shè)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(zhì)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(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線集成為夾層結(jié)構(gòu)，大大簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，將太陽電池、

11、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(zhuǎn)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(chǔ)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(fù)雜性和重量，更有利于系統(tǒng)的構(gòu)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(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線組成的夾層結(jié)構(gòu)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2-1

12、0km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“空間與探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)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(shè)計基礎(chǔ)是基于美國提出的太陽塔概念，但采用丁許多新技術(shù)，主要是采用了可展開的輕型結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù).空間運輸技術(shù)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

13、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(shù)：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(zhì)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(fù)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(zhuǎn)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(yīng)空間太陽能發(fā)電站的需求。.太陽能發(fā)電技術(shù)空間太陽電站的太陽能發(fā)

14、電考慮兩種形式，即光電轉(zhuǎn)化形式和熱電轉(zhuǎn)化形式。上世紀(jì)90年代，考慮到熱電轉(zhuǎn)換的較高效率，在空間站的電源系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)化技術(shù)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(zhuǎn)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(zhì)量，研究重點是發(fā)展聚光太陽電池和薄膜太陽電池技術(shù)，以提高能量轉(zhuǎn)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(yīng)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

15、間太陽能電站發(fā)展目標(biāo)相對應(yīng)的太陽能發(fā)電技術(shù)目標(biāo)。圖4 太陽能發(fā)電技術(shù)目標(biāo).無線能量傳輸技術(shù)無線能量傳輸技術(shù)是空間太陽能電站的主要關(guān)鍵技術(shù)，在空間將太剛能轉(zhuǎn)換成電能后，進一步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換回電能。目前來看，微波無線能量傳輸技術(shù)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(dá)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(dá)到16km，接收功率達(dá)到30kW，接收端的直流轉(zhuǎn)化效率達(dá)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

16、環(huán)境下的相瓦作用。激光傳輸能量集中，所需的接收設(shè)備小，造價便宜，且可以直接轉(zhuǎn)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(shù)目前還有許多難點，需要進一步研究才能應(yīng)用。日前無線能量傳輸技術(shù)研究的重點是大功率、高效率、長壽命的能量轉(zhuǎn)化器件技術(shù)，這對于降低系統(tǒng)的質(zhì)量、減小熱控等的復(fù)雜性都非常重要。.空間技術(shù)1)空間組裝、維護和維修技術(shù)：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(dá)3040年，在全任務(wù)周期，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，

17、維護任務(wù)需求很大，需要研究結(jié)構(gòu)和部件模塊自主組裝技術(shù)、空間無人維護和維修技術(shù)。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(zhuǎn)，以保證天線網(wǎng)格的力。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(shù)。2)姿態(tài)控制與波束指向控制技術(shù)：空間太陽能電站的面積將達(dá)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(shù)對于空間太陽能電站的安全有效運行極其重要

18、。3)熱控材料與熱控技術(shù)：空間太陽能電站中的光、電、微波能量轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的熱量排散是方案設(shè)計中的主要技術(shù)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(zhì)量具有重要意義。4)空間電力管理與輸送技術(shù)：空間太陽能電站的輸出功率達(dá)到GW級，其電流十分強大，如果采用常規(guī)技術(shù)，需要大量的電纜、絕緣材料和散熱材料，嚴(yán)重影響到空間太陽能電站的重量和成本。需研制高溫超導(dǎo)輸電電纜、長壽命高可靠制冷器、高效直流變換器與新型的絕緣、散熱材料等。5)輕型、長壽命的結(jié)構(gòu)與其部件：空間太陽能電站的體積巨大，工作壽命長達(dá)30年以上，為降低發(fā)射成本，需研制超輕型的展開式結(jié)構(gòu)、充氣膨脹結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新的多功能結(jié)構(gòu)以與耐空間輻射環(huán)境的輕型復(fù)合材料。結(jié)論( 1)我國的能源現(xiàn)狀表明, 發(fā)展空間太陽能電站是