太阳能发电的研究进展.doc

太阳能发电的研究进展*（*学院，*）摘要 1968年格拉塞博士提出了空间太用能发电站方案，这一设想是建立在一个极其巨大的太阳能电池阵的基础上，由它来聚集大量的阳光，利用光电转换原理达到发电的目的。所产生的电能将以微波形式传输到地球上，然后通过天线接收经整流转变成电能，送入全国供电网。在宇宙空间建立太阳能电站，能合理地充分利用空间资源。太阳能电站最好设置在赤道平面内的地球同步轨道上，位于西经123度和东经57度附近。使太阳能电池阵始终对太阳定向，并且发射天线的微波束必需指向地面的接收天线。关键词 太阳能电池阵 太阳能电站 同步轨道PROGRESS IN SOLAR POWERLU YUNLONG（Zhejiang Ocean Shipping and Architectural Engineering，081307233）ABSTRACT Dr. Glaser 1968, the space program is too used to power stations, this idea is based on a very large solar arrays on the basis of it gathered by a large amount of sunlight to generate electricity using photovoltaic principle purpose. The electricity generated will be transmitted to Earth by microwave, and then through the whole flow through the antenna into electricity into the national supply grid. Build solar power stations in space, could reasonably full use of space resources. The best set of solar power station in the equatorial plane of the geostationary orbit, located 123 degrees west longitude and 57 degrees east longitude near. The solar array is always directed to the sun, and the transmitting antenna of the microwave beam must point to the ground receiving antenna.KEYWORDS Solar Array Solar power station Synchronous orbit前言空间太阳能发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。相对于目前已在空间应用的卫星和空间站等太阳能电源系统，其规模和能力要大得多。空间太阳能发电站主要包括三大部分：太阳能发电装置、能量的转换和发射装置及地面接收和转换装置。太阳能发电装置能将太阳能转化成为电能；能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式(也可以直接将太阳能转化为激光)，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成为电能。整个过程经历了太阳能电能微波(激光)电能的能量转换过程。1能源危机世纪年代以后，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注起世界“能源危机”问题。许多人甚至预言：世界石油资源将要枯竭，能源危机将是不可避免的。如果不作出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术。 太阳辐射功率为3.8*1023W，地球上接受到的仅仅是总辐射量的22亿分之一，而由于大气层的衰减，最后大约有8.5*1016W到达地面，但是仅仅这些已经是全球发电总量的几十万倍了，因此太阳能是一个非常理想的替代能源。太阳能发电站需要较大的场地以及持久的日照，在地球表面，由于地面昼夜和天气的变化，因此在地球上建立大型太阳能电站会受到相应的限制。而太空正是一个避免这些干扰、建立太阳能发电站的理想场所。当人们开始向太空进军的时候，开发太空，在太空中建立太阳能发电站便是一个绝佳的选择。2空间太阳能发展史早在1968年，美国科学家格拉泽等人就提出了空间太阳能发电站的计划。他们设想在距地面35800千米的轨道上建造空间太阳能发电站。其太阳能帆板的空间面积为5千米10千米，重5万吨，太阳能电站的电力用微波传递到地面，发电功率5007千瓦。但直到上世纪70年代第一次石油危机时，美国航空航天局才对其可行性进行论证，结论是科学上可行，但实践中具有无法克服的困难(技术上和财力上)，估计建造一个5千兆瓦级的空间太阳能发电站需耗资3000亿美元至10000亿美元，为此只得作罢。到20世纪90年代，虽然航天技术、现代技术已有巨大发展，但在高昂的成本面前，决策者只得暂时放弃对空间太阳能发电站的研制。随着石油价格的飞涨，能源危机和环境保护问题日渐突出，于是空间太阳能发电站再次成了关注的重点。美国、欧洲和日本竞相开展各种相关技术和方案的研究。国际无线电科学联合会发起的空间太阳能发电站的探索研究组成立于2001年，该组织策划的太阳能发电卫星的白皮书于2005年发表。2007年在空间太阳能发电站的研制方面有了实质性的进展，如美国国家安全航天局(NSSO)在互联网上面向全球专家征集空间太阳能发电站的设计方案(有170多位专家作出响应)、美国航天学会还宣布成立“天基太阳能未来能源联盟”(SSAFE)。 航天学会的代表马克?霍普金斯指出，太阳能的潜力比地球上所有能源的总和还要大。其能量比全球目前所使用的能源还多几万亿倍。目前人们对空间太阳能发电站已达成共识：它可以为全世界提供清洁、安全、可靠、取之不尽用之不竭的长期稳定的能源。这就为空间太阳能发电站的实施打下了基础。虽经几起几落，空间太阳能发电站终将在数十年后浮出水面，造福人类。典型方案日本：从1987年就开始研究空间太阳能发电，并于1990年成立了“SPS2000”空间太阳能系统实用化研究小组，其目标是在2000年。在围绕地球轨道上组建输出1 0000千瓦的太阳能发电卫星，卫星是一个正三棱柱体，边长336米。柱长303米。总重2401屯，采用分部发射，然后由机器人和自动组装机进行组装，建成后也由机器人维护保养。由于多种原因，这一计划未能最终实观，但研制工作并没有中断过。现考虑2010年起开始发射空间太阳能电站的部件，直至2040年。预计将建成100万千瓦和500万千瓦的空间太阳能发电站，并通过微波。经1千米长的天线将微波能发射回地球。预计空间太阳能发电站的发电成本为每千瓦小时23日元。日本还提出了分布式系绳卫星的方案。它由100米95米的单元板和卫星平台组成，在单元板和卫星平台间用4根210千米的系绳悬挂在一起。单元板为太阳电池。总重425吨，微波能量传输功率为21兆瓦。整个空间太阳能电站由25块单元板组成子板，再由25块子板组成。按这个方案，电站组装和维护十分方便，但重量仍偏大。美国：美国航空航天局的新构想是在空间建造两种大型太阳能发电站。即“太阳塔”和“太阳碟”。“太阳塔”由一组人造卫星构成，每颗卫星提供200400兆瓦功率，它们在赤道上空1 2000千米的低地球轨道上运行。可以同时向几个不同的地面位置提供电能。“太阳碟”可发射到距地球表面36万千米的地球同步轨道上，能24小时不问断地将太阳能输送到地面上的一个指定地点，其卫星外形与“太阳塔”相似，但发电量可达2000兆瓦。这两种空间太阳能电站由大量标准构件组成，可以在太空中自动装配，无须航天员动手。计划20年内能投入运行。美国还提出了“集成对称聚光系统”方案，主要采用先进的轻型薄膜聚光设计概念，可以大大减小系统的重量，并采用了更高效的能量转化传输系统。欧洲：于1998年提出了太阳帆塔的概念，该方案的基础是美国提出的“太阳塔”，但采用了许多新技术，其中最主要的是采用了可展开的轻型结构太阳帆，能大大降低重量，减小装配难度，尺寸为150米150米，发射入轨后可自动展开。在低地球轨道进行组装，再通过电推力器转移至地球同步轨道。3目前设计的发电方案空间太阳能发电系统运行于地球外层空间轨道上，工作环境非常恶劣，因此要求系统稳定可靠，效率高，制造、发射、运行成本低、寿命长等。现行的发电方案有两种：一种是采用太阳能光伏电池作为发电装置，另一种是采用闭式循环耳机作为发电装置。光伏发电经过多年的发展，浮光电池技术取得了很大进步，但是目前使用的转换材料的价格效率比存在问题。如光伏电池最高的转换效率是用于航天的砷化镓电池在实验室中得到的效率为32.5%，但是它价格昂贵。其应用受到限制，另有一种新型多层组合电池出现，以砷化镓/锑化镓组合为例，配以聚光器，实验效率高达30.5%。薄膜型电池则大有一军突起之势，若能提高电池的稳定性且效率大大超过现在的15%16%，它将成为具有竞争力的发电系统。但就目前看光伏电池还需进一步提高成品效率，才能在太空上与大功率发电的技术方案竞争。热发电机热发电与光伏发电相比有效率高、结构紧凑、运行成本低等优点。热激发点主要有三种循环：rankine循环、braylon循环、srirling循环。斯特林发动机理论上具有最高的热效率而成为热机发电的首选。自由活塞式斯特林发动机的运动部件间没有机械连接，无需润滑、密封简单、寿命长，非常适合在太空环境下工作：日本国家宇航实验室1987年开始做自由活塞式斯特林发动机膜型（NALSEM125.125R.500）的特性研究，其中125的效率达27%，500高达30%。在空间微量力下耳机的设计、工质选择、液体流动热性。传热特性。辐射换热等都需要进一步深入研究。无线电能传输太空发电技术关键的一环就是微波传送电。1993年，日美合作成功地进行了母子火箭间微波传输能量试验，证实了微波输电的可行性。美国空间太阳能工业部还将进行一次从发电、输电到接收、转换全面模拟太空发电步骤的地面试验，建造一个100KW光伏发电装置，主要用来验证微波输电的波束控制、传输效率、成本及稳定性、可靠性和安全性等，预计总传输效率可达65%75%。在微波接收方面，俄罗斯用一种称为“回旋加速式微波转换器”的管形装置来代替微波接收天线阵，能将微波直接转换成直流电，实验室效率达74%以上。目前的微波送电总效率为70%左右，采用新型磁性控管的微波发送器的效率已达达85，还须继续提高。4存在的问题在太空中建立太阳能发电站的工程中遇到的主要问题有空间站的组建、太阳能发电设备、电能的储存以及传输等。空间站的建设 建设空间太阳能发电站必然需要建设相应的空间站，这其中包括了发电站的控制系统、维护系统、人员临时或永久的居住系统等。空间站的理想轨道应选择在地球上空3.6万Km的地球同步轨道，由于相对于地面静止、且距地球较近，控制和传输电能都相对方便很多，而且可以随时传输。但是由于地球同步轨道离地球较近，空间紧张，各种通讯卫星等都需要占用这个轨道。因此这个轨道资源比较珍贵，在这里建立大型的空间太阳能发电站可能会对其他航天领域造成影响。另外一个可选的轨道是绕地球的月球轨道，距地球30万公里。虽然这里距地球较远，工程建设难度会相应增大，但是考虑到可以建立月球前沿基地等因素，加上这个轨道受地球阴影的影响比同步轨道小许多，可以有效的延长发电时间，因此月球轨道是个不错的选择。而且由于这个轨道较大，可以考虑建立多个空间太阳能发电站以满足地球日益增长的能量需求太阳能发电设备 空间太阳能发电站的核心便是太阳能发电设备了，利用众多太阳能板收集太阳能并最终将其转化为电能。太阳能电池种类包括了目前应用广泛的半导体太阳能电池和正在研究中的光化学电池。半导体太阳能电池的主要结构是一个p-n结半导体材料，太阳光照在半导体p-n结上，半导体吸收光子后产生空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流在空间太阳能发电站中，考虑到大型工程的施工成本，纳米TiO2是一个非常理想的选择，此外，考虑到太空低温的环境，有机半导体材料也可以作为空间太阳能发电站的另一选择。因此，在发电设备方面，可以根据技术来确定最佳选择。又由于空间太阳能发电站采用了，在建成之后，更换和维护发电设备都相对简单，在新型太阳能电池材料应用之后，也可以简单的更换的。电能的储存 在太阳能发电站中，另一重要的设备是电能的储存设备，由于建立的空间电站规模较大，所以对电能的储存也提出了较