卫星太阳能电站发展发展前景与利用难题分析.doc

卫星太阳能电站发展前景与利用难题分析摘要空间太阳能电站(Solar Power Satellite，SPS)概念受到了国际的广泛关注，美国和日本都已制定了争取在2030年左右实现商业化运行的发展路线图，并且在概念和技术层面开展了大量的研究工作。中国有必要尽快开展此方面的相关研究工作，为未来的长远发展奠定基础。引言世界经济的迅速发展, 对能源的需求越来越大。地球矿物资源的大量开采与消耗, 使石油、煤炭资源日趋短缺。过量消耗矿物燃料造成地球生态环境的恶化, 也促使人们寻找新能源和各种可再生能源。由于空间太阳能具有能流密度大、持续稳定、不受昼夜气候影响、洁净、无污染等优点, 且随着人类征服太空能力的加强, 利用空间太阳能发电SPS ( Solar Power from Space) 已越来越受世界各国的关注。现代空间太阳能发电的构想 太阳能发电卫星( Solar Power Satellite) 最早由美国的P. E. Glaser 博士于60 年代提出。之后一些学者又纷纷提出其它设想, 特别是美国的DCriswell 等又建立了以月球为基地的空间电站模型LSP( Lunar-based Solar Power ) 。为了加快实现空间发电的构想, 一些发达国家如美、日、法、俄等先后开展了空间电站的可行性论证,并对其中的关键技术无线电能传输WPT 技术(Wireless Power Transmission) 作了大量的探索工作。总体认为, 空间太阳能电站在技术、经济、社会等方面是可行的, 有望于本世纪初建立初步的空间太阳能发电SPS 系统, 并于中叶建立起以月球为基地的太阳能电站。本文旨在结合我国国情, 对空间太阳能发电及传输技术原理的研究发展做出概述，分析制约卫星太阳能电站发展问题的关键技术以及重大问题。. 国际空间太阳能电站发展概述. 空间太阳能电站概念空间太阳能电站是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线方式传输到地面的电力系统。主要由3部分组成：太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置(图1)。太阳能发电装置将太阳能转化为电能；能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式(激光也可以直接通过太阳能转化)，并利用天线向地面发送能束；地面接收系统接收空间发射来的能束，再通过转换装置将其转换为电能。整个过程经历了太阳能电能微波(激光)电能的能量转变过程图1 空间太阳能电站工作示意图. 国际空间太阳能电站发展现状.美国美国在20世纪70年代，投入约5000万美元进行空间太阳能电站和关键技术研究，并且提出5GW的“1979 SPS基准系统”方案。1995年7月，NASA开展了重新评估SPS可行性的研究，并提出多种创新方案。1999年，NASA在2年内投资2200万美元，开展“空间太阳能探索性研究和技术”的计划，提出SPS未来发展的技术路线图计划于2020年实现10MW系统的空间验证。2001年后，NASA和美国科学基金会共同出资开展“空间太阳能电站概念和技术程度研究”。2007年美同国防部组织专家完成了空间太阳能电站作为战略安伞的机遇中期评估报告。报告对于美国政府组织开展夺间太阳能电站研究提出4点建议：要有效的进行组织，以解决SPS研制存在的问题；要为SPS的商业发展清除主要的技术风险；为SPS的研制创造一个有利的政策、制度和法律环境；政府应成为SPS早期的验证者、研制者和用户，并且激励其持续发展。.日本日本是能源极缺的国家，从20世纪80年代就开始进行SPS概念和关键技术研究。目前共有200多名科学家参加15个技术工作组，90年代起陆续推出SPS2000、SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式绳系SPS系统等概念设计，并且重点在微波传输、激光传输、材料及空间机器人技术方面开展工作。2003年2月27日，日本提出“促进空间太阳能利用”计划，已列为国家计划，目标是在2030年后实现商业化，目前已经提出在2030年实现1GW商业系统运行的技术路线图。.欧洲欧洲在1998年开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了名为太阳帆塔的概念设计。2002年8月，欧空局先进概念团队组建了欧洲空间太阳能电站研究网，重点在高效多层太阳电池、薄膜太阳电池、高效微波转化器、轻型大型空间结构等先进技术方面开展研究工作。.中国近年来，我国在发展地面太阳能可再生能源方面做了大量的工作，但利用规模还十分有限，发展空间太阳能发电技术、解决太阳能的大规模利用问题才是我国发展的主要方向。作为空间太阳能发电的主要关键技术，WPT在能量传输方面起重要作用。我国在雷达技术研究、应用方面具有一定基础，激光技术也已成熟。微波技术、激光技术在许多方面得到了应用，表明我国在WPT技术上已具有相当基础。我国已具备了太阳能电池的技术基础与空间应用能力。尽管就我国的目前空间技术水平相比还存在许多差距，但就空间工业基础来讲，我国已具备建设太空太阳能电站所需空间技术的潜能。. 空间太阳能电站系统方案国际上已经提出几十种空间太阳能电站概念构想，总得来说空间太阳能电站概念可以分为两大类：一类是非聚光式，另一类是聚光式，而这两类又分别可以分为平台式和分布式。平台式非聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提出的“1979 SPS基准系统”；分布式非聚光窄间太阳能电站的典型代表是日本提出的“分布式绳系太阳能电站卫星”；平台式聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提出的“集成对称聚光系统”；分布式聚光空间太阳能电站的典型代表是日本提出的“SPS2003”。从发展趋势上，空间太阳能电站概念的发展重点是从系统的轻型化、模块化等方面开展工作，同时要重点解决系统的散热和空间大功率电力的传输难题。下面给出几种典型的空间太阳能电站概念。.1979 SPS基准系统1979年美国提出第一个空问太阳能电站概念，名为“1979 SPS基准系统”。该设计方案为在地球静止轨道上布置60个发电能力各为5GW的发电卫星，总设计目标为300GW，约为美国电负荷的一半，系统主要性能参数见表1。表1 1979 SPS基准系统主要性能参数系统采用桁架式太阳电池阵结构设计，体积和重量均较大，是后来的SPS概念设计的基础。设计微波波束到达地面时的功率密度很小，波束中心约为23mWcm2，边缘只有1mWcm2，对人、畜和庄稼不会造成危害。.集成对称聚光系统NASA在20世纪90年代末的SERT研究计划中提出新一代的名为“集成对称聚光系统”的设计方案，结构示意图见图2。采用了薄膜聚光设计，薄膜聚光采用O5mm厚的Kapton膜，表面太阳光反射率达到09，聚光膜到光伏电池的集光率为425。设计将聚光太阳阵与微波发射天线布置在很近的位置，可以大大减小空间电力传输系统的体积和质量。图2 集成对称聚光系统.日本空间太阳能电站方案概念日本在空间太阳能电站研究中提出了多种方案，主要包括SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式绳系太阳能电站卫星概念等(见图3)。其中SPS2001采用了聚光系统，并且创新性的提出将太阳电池、微.波转换装置和发射天线集成为夹层结构，大大简化了结构设计和空间装配的难度，但散热问题极难解决。在SPS2002方案中，改进了SPS2001的夹层结构，将太阳电池、发射天线布置在同一面，另一面作为热辐射器，可以大大改善热控的效果，但给能量转化效率和电池兼容性带来一定问题。SPS2003方案是在SPS2002方案的基础上，在辐射面后面增加了太阳屏，更加有利于系统的散热。SPS2003的另一个重要特点是各部件将采用编队飞行的方式保持相对位置稳定，是一个真正的分布式系统。分布式绳系太阳能电站卫星概念减小了单个模块的复杂性和重量，更有利于系统的构建和组合。其基本单元由尺寸为100m X 95m的单元板和卫星平台组成，单元板为太阳电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板。每个单元板的总重约为425t，微波能量传输功率为21MW，单元板和卫星平台间采用4根2-10km的绳系悬挂在一起。由25块单元板组成子板，25块子板组成整个系统。.太阳帆塔欧洲在1998年开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了太阳帆塔概念，主要参数见表2。表2 欧洲太阳帆塔基本概念该方案设计基础是基于美国提出的太阳塔概念，但采用丁许多新技术，主要是采用了可展开的轻型结构太阳帆，可以大大降低系统的总重量、减小系统的装配难度。每一块太阳帆电池阵为一个模块，尺寸为150m150m，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器运往地球同步轨道。制约空间太阳能电站的关键技术.空间运输技术空间太阳能电站体积大、重量大，需要多次发射到近地轨道(LEO)进行组装，再送往地球同步轨道(GEO)。冈此，空间太阳能电站系统需要两类空间运输技术：低成本大运载近地运载器，高性能轨道问推进系统。目前最大的运载火箭包括美国的土星五号和俄罗斯的能源号运载火箭，近地轨道运载能力超过100t。而目前广泛使用的商用运载火箭，包括“德尔塔”、“质子”、“阿里亚娜”和“长征”等，近地轨道运载能力从112250t不等。为了节约成本，有必要发展大刑的可重复使用的运载丁具。高比冲、长寿命的电推进系统是空间太阳能电站最有前途的空间轨道转移推进方式。美国已经研制50kW霍尔电推力器，需要进一步研究大推力的电推进系统，以适应空间太阳能发电站的需求。.太阳能发电技术空间太阳电站的太阳能发电考虑两种形式，即光电转化形式和热电转化形式。上世纪90年代，考虑到热电转换的较高效率，在空间站的电源系统设计中曾对空间太阳能热动力系统进行了广泛研究。随着光电转化技术的进步，其较高的效率(已经成熟的空间太阳能电池的效率接近30)和高可靠性使得空间太阳能电站的太阳能发电更多的立足于光电转化。目前。从空间太阳能电站的需求来看，为了提高系统的效率，降低系统的质量，研究重点是发展聚光太阳电池和薄膜太阳电池技术，以提高能量转换效率，减轻产品重量，并需要进一步增强抗辐射等空间环境适应能力，降低生产成本。其中聚光太阳电池最为看好，也是目前空间太阳能电站系统较多采用的方案。图4为美国的SERT计划给出的与空间太阳能电站发展目标相对应的太阳能发电技术目标。图4 太阳能发电技术目标.无线能量传输技术无线能量传输技术是空间太阳能电站的主要关键技术，在空间将太刚能转换成电能后，进一步转换为微波或激光，通过WPT传输到地面，再通过微波或激光接收装置转换回电能。目前来看，微波无线能量传输技术相对更为可行。1964年，一个24kg重的无线电力传输直升飞机进行了验证，接收功率达到270W，飞行高度为15m。1975年，更大功率的微波电力传输试验在美国的JPL试验成功，传输距离达到16km，接收功率达到30kW，接收端的直流转化效率达到084。13本已进行了几次空间微波电力传输试验，主要研究微波波束在空间等离子体环境下的相瓦作用。激光传输能量集中，所需的接收设备小，造价便宜，且可以直接转化为氢等存储起来。但是，激光穿过大气层时，有能量损耗，在恶劣气候条件下不能使用，而且大功率的激光技术目前还有许多难点，需要进一步研究才能应用。日前无线能量传输技术研究的重点是大功率、高效率、长寿命的能量转化器件技术，这对于降低系统的质量、减小热控等的复杂性都非常重要。.空间技术1)空间组装、维护和维修技术：空间太阳能电站系统体积和重量巨大，需在近地轨道进行空间装配，而且系统在轨工作寿命达3040年，在全任务周期内，面临着大量空间碎片和微流星体等的威胁，此外由于空间太阳能电站运行时问长，其携带的燃料有限，需要进行在轨加注，维护任务需求很大，需要研究结构和部件模块自主组装技术、空间无人维护和维修技术。2006年1月22 13，日本成功发射了Furoshiki卫星，多个卫星在空间释放后，相互展开形成天线网格，之后整个系统旋转，以保证天线网格的张力。天线网格搭建完毕后，机器人就可以在网格上工作以建造相控阵天线。主要验证新型自主空间展开天线和空间机器人技术。2)姿态控制及波束指向控制技术：空间太阳能电站的面积将达到几十平方公里，在运行过程中，既要保证太阳电池阵尽可能对日定向，又要保证微波波束与地面接收天线精确定向，给系统的姿态控制和波束指向控制带来很大的难题。特别是波束指向控制技术对于空间太阳能电站的安全有效运行极其重要。3)热控材料及热控技术：空间太阳能电站中的光、电、微波能量转换过程中所产生的热量排散是方案设计中的主要技术难题之一，而适合的工作温度又是保证系统长期正常工作的必要条件，采用合理的热控方案和热控材料对于提高系统可靠性、降低系统质量具有重要意义。4)空间电力管理与输送技术：空间太阳能电站的输出功率达到GW级，其电流十分强大，如果采用常规技术，需要大量的电缆、绝缘材料和散热材料，严重影响到空间太阳能电站的重量和成本。需研制高温超导输电电缆、长寿命高可靠制冷器、高效直流变换器及新型的绝缘、散热材料等。5)轻型、长寿命的结构及其部件：空间太阳能电站的体积巨大，工作寿命长达30年以上，为降低发射成本，需研制超轻型的展开式结构、充气膨胀结构和创新的多功能结构以及耐空间辐射环境的轻型复合材料。结论( 1)我国的能源现状表明, 发展空间太阳能电站是解决我国能源需求,优化能源结构的合理选择。( 2)我国的技