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空间太阳能发电SPS SolarPowerfromSpace F0603018徐凌龙 资料来源 中国航天2001年第6期 航天系统与技术 太阳空间电站 随着地球上石油 煤炭资源的日益枯竭和环境污染的不断加剧 人类把目光投向太空 预计到下个世纪初将建成空间电站 以解决日益紧张的能源问题 太阳空间电站的优点 与在地面上利用太阳能相比 在太空利用太阳能具有十分突出的优点 1 在太空中 太阳光的强度是1 36kW m2 地球上由于太阳光穿过大气层时受到大气的吸收和散射 强度减小到1kW m2 在地理纬度较高的地方 由于太阳光斜射 得到的能量还得打折扣 2 在太空中 太阳照射的时间比地球上长得多 在地球静止轨道上 一年中只有在春分和秋分前后各有45天里 每天出现一次阴影 时间最长不超过72分钟 一年累计不超过4天 也就是一年中有99 的时间是白天 而在地面上 有一半的时间属于夜晚 并且白天除正午外太阳是斜射的 在太空每天能接收到的太阳能约为32kWh m2 在地球上平均每天只能接收到6 12kWh 如果遇到阴雨或有云雾的日子 白天也见不到太阳 太阳空间电站的优点 2 3 太空是一个超洁净的环境 太阳电池的表面不会沾上任何尘土 无需维护 在地球上使用太阳电池 必须经常清除尘土雨雪 维护工作量大 4 在太空中 物体处于失重状态 尽管太阳电站的面积很大 但是受到的力却很小 因此 卫星可以做得较轻 美国航宇局提出 1979SPS基准系统 20世纪70年代末 全球发生石油危机 美国航宇局和能源部组织专家进行空间太阳电站的可行性研究 专家们经过论证提出一个名为 1979SPS基准系统 的空间太阳电站方案 该方案以21世纪全美国将有3亿人口 人均用电2kW 假设其中50 由空间太阳电站供给为目标 在地球静止轨道上部署60个发电能力各为5GW的电站 又称 发电卫星 1979SPS基准系统 的主要性能参数 吨 地面接受装置 地面接收天线是一片13km 10km 占地约1万公顷的椭圆形地区 由无数半波偶极子天线组成 天线接收到的微波经过二极管整流变换成直流电或50Hz的市电 由于地面天线的面积非常大 微波波束到达地面时的功率密度很小 波束中心大约为20mW cm2 边缘只有0 1mW cm2 所以 波束对人 畜和庄稼不会造成危害 理想的接收天线做成网格状 用柱子高高架起 网眼可以通过空气 阳光和水 这样天线下面的土地可以照常种植庄稼 放牧牛羊或作其他用途 不致浪费 建设成本问题 研制 发射和组装 1979SPS基准系统 需要2500亿美元 按1996年币值计算 的投资及18000人年的在轨工作量 相当于600名航天员装配工在太空工作30年 方案遭受的非议和责难 首先 投资太大 一些迫切需要国家投资的经济 文教 卫生和社会福利等政府或非政府部门 担心因此会挤占或克扣本应分配给他们的经费 其次 为研制 发射和在太空组装电站所必需的关键技术基本上未掌握 第三 环境保护部门担心从太空中下泻的无线电微波会污染地球环境 破坏生态平衡 第四 方案出台之时 正逢石油价格下跌 能源危机暂时缓和 第五 里根政府对空间太阳能发电兴趣不大 更愿意支持 星球大战 计划和自由号空间站 美国航宇局对空间太阳电站的新一轮研究 20世纪90年代中期 美国国内及世界上出现了一些新的情况 1 全球对电力的需求急剧增长 电力将有着巨大的国际市场 2 温室效应 气体 主要是二氧化碳 对全球气候变化造成的不利影响日趋严重 引起世界各国的深切关注 3 美国航宇局根据美国政府的要求加强了降低空间发射成本的研究开发 4 空间太阳电站所需的关键技术取得了一定的进展 5 空间太阳电站开发过程中产生的新技术可以在空间科学 载人航天以及商业卫星上得到二次应用 6 冷战结束以后 出现了国际合作建造长期性空间站 空间太阳电站等大型航天工程的可能性 目前比较可行的方案 1 太阳塔 方案 2 太阳盘 方案 太阳塔 方案 太阳电池阵是由数十个到数百个圆盘形发电阵组成 每个发电阵的直径为50 100m 输出1000kW的功率 根据总发电量的要求配置发电阵的数目 太阳塔电站全长6 5 13km发出的电流通过由超导材料制成的中央缆绳输送到缆绳末端的发射天线 天线直径约为260m 太阳塔方案的特点 高度模块化 1 模块化部件适合于批量生产 能显著降低研制和生产成本 2 模块化部件体积小 质量适中 可与其他发射市场共用成熟的运载器或运输系统发射 而不需要专门研制重型运载器和建造新的发射场 3 模块化部件由于规格统一 接口规范化 可以在太空采取无人自主组装或机器人辅助下的半自主组装 避免航天员长期太空作业的复杂性和危险性 4 模块化的设计有利于未来电站规模的扩展 一座发电能力为250MW的 太阳塔 电站所需投资估计为80 150亿美元 太阳盘 方案 采用直径为3 6km的高效薄膜太阳电池阵发电 保持自旋稳定 并对太阳定向发电功率为2 8GW用5 8GHz的微波向地面传输地面接收天线直径5 6km 不需要地面储能系统一座发电能力为5GW的 太阳盘 电站所需投资大约为300 500亿美元 最佳方案应符合以下原则 1 电站的建造成本应不超过10 100亿美元 每千瓦时的发电成本不超过10美分 2 电站要面向全球用户市场 不局限于发达国家 3 结构与部件应高度模块化 小批量生产 便于发射和太空组装 4 与其他发射市场共用成熟的运载器或运输系统 而不需要另行研制重型运载器 5 电站应能在太空自主组装或半自主 机器人辅助 组装 不要求复杂的空间基础设施 6 研制和建造过程中开发的技术和产品能推广到其他航天或商业活动中二次应用 空间太阳电站的关键技术 1 低成本 高效率 强抗辐射的光电能量转换 2 低成本的地面与轨道间的运输 3 无线电力传输 4 电力管理与分配 5 太空自主组装及机器人 6 结构与部件的高度模块化和批量生产 7 轻型 长寿命的结构及其部件 8 高比冲 长寿命的电推进 9 空间和地面的能量贮存 对发展前景的不同评估 持乐观态度者的理由 1 新世纪初 全球对电力的需求将急剧增长 2 人类对保护地球环境 维持生态平衡日益关切 提出发展清洁 安全的电源的强烈要求 3 发展空间太阳电站所需的关键技术在今后10 20年内有望突破 4 存在以国际合作方式发展空间太阳电站的可能性 5 为研制 建造空间太阳电站开发出的新技术均可二次应用 持怀疑态度者的理由 1 全球对电力的大量需求主要来自发展中国家 而这些国家无力发展空间太阳电站 2 与传统的电站相比 空间太阳电站的研制 建造和发电成本仍偏高 3 20年内空间太阳电站所需的关键技术难以取得重大突破 4 空间太阳电站所需占用的地球静止轨道位置和无线电频谱 需要向有关国际组织申请 登记 协调 落实起来的阻力较大 空间太阳电站与其他电站的比较 结论 空间太阳电站的宏伟设想提出至今已经33年了 今天人类已跨入了21世纪 展望新世纪 对空间太阳电站的发展前景存在不同的评估 是很自然的 尽管有不同看法 但以下几点认识是共同的 1 未来20 30年内 全球对能源 特别是电力的需求将剧烈增长 2 空间太阳电站是一种清洁 安全的电源 为了保护人类的共同家园 为了人类社会的可持续发展 应给予积极支持 3 空间太阳电站的关键技术 特别是低成本 长寿命 高效率的问题尚有待突破 4 空间太阳电站的发展应是政府行为 需要国际合作 并吸收工业界参加 5 2020年或稍后 空间太阳电站有可能以5 7美分 kWh的成本发电 美好的前景 值得注意的是 1999年7月联合国第三次外空会议发表的宣言号召世界各国加强空间太阳能发电的技术与经济可行性研究 推进此项研究的国际合作 并认真考虑对环境的影响 频谱管理和轨道分配等问题 可以预期 在