关于空间太阳能开发问题.doc

关于空间太阳能开发问题.txt11生命是盛开的花朵，它绽放得美丽，舒展，绚丽多资；生命是精美的小诗，清新流畅，意蕴悠长；生命是优美的乐曲，音律和谐，宛转悠扬；生命是流淌的江河，奔流不息，滚滚向前 本文由aaron20100901贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 关于空间太阳能开发问题 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。 世界能源危机是人为造成的能源短缺。 石油资源将会在一代人的时间内枯竭。 它的蕴藏 量不是无限的，容易开采和利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度越来越大，到一定限 度就会失去继续开采的价值。 在世界能源消费以石油为主导的条件下， 如果能源消费结构不 改变，就会发生能源危机。煤炭资源虽比石油多，但也不是取之不尽的。代替石油的其他能 源资源，除了煤炭之外，能够大规模利用的还很少。太阳能虽然用之不竭，但代价太高，并 且在一代人的时间里不可能迅速发展和广泛使用。其他新能源也如是。因此，人类必须估计 到，非再生矿物能源资源枯竭可能带来的危机，从而将注意力转移到新的能源结构上，尽早 探索、研究开发利用新能源资源。否则，就可能因为向大自然索取过多而造成严重的后果， 以至使人类自身的生存受到威胁。 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。 空间太阳能发电站 什么是空间太阳能发电站?它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。显然。空间太阳能发电站的建造和运行 过程。还必须包括大型运载系统和复杂的后勤保障系统。 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3 6万千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。 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。 (一) 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。 空间太阳能发电站的发电采用分基站、小规模、大集群的建设方式，即发电站可以分为 数个小型基站，每个基站的规模都不需要太大，考虑100MW 级即可。可以分批分期的建设 各个基站，从而减少工程的难度。 每个基站都有相应的发电、储能和传输全套设备。太阳能板的规格预计为3*5Km，以 满足100MW 级的发电要求。 整个空间站可以根据规模建设数十个甚至更多基站， 以实现超 大规模的发电需求。 主空间站负责各个基站之间的管理、 联系以及维护等， 电站人员一般只需要在主空间站 空居住即可。 空间站更主要任务则是负责电站和地面的电能传输。 同时为了避免因为空间站 建设在月球轨道而带来的电能传输时间受限制的问题， 考虑将地面接收站建立在南极或者北 极地区。这样还可以避免了高密度能量传输时对周边的影响。 (二) 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。 半导体太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳 能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类。 1硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、 多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池 三种。 单晶硅是研究和开发最早的太阳能电池材料，保持着目前最高的太阳能电池转换效率， 技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.4，商业模件为1216%。但是单晶硅太 阳能电池成本价格高， 为了降低成本， 研发了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电 池的替代产品。 多晶硅和单晶硅的本质区别在于多晶硅内存在晶界， 晶体颗粒很小。 多晶硅太阳能电池 成本低廉，但是转化效率比单晶硅电池低，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的 转换效率为10%。 非晶硅太阳能电池是利用硅氢合金材料，其成本低、重量轻，转换效率较高，便于大规 模生产。但是目前其转换效率还比较低。 2多元化合物太阳能电池 多元化合物太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓 III-V 族化合物、硫化镉、硫 化镉及铜铟硒电池等。 硫化镉、 碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高， 成本较单晶硅电 池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是 晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。 砷化镓（GaAs）III-V 化合物电池的转换效率可达28%，GaAs 化合物材料具有十分理 想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。 但由于 GaAS 的成本较高，目前主要应用于航天领域。为了充分应用太阳能，还发明了叠 层电池，GaAs 的叠层电池转化率高达35%。 铜铟硒电池 （CuInSe2） 适合光电转换， 不存在光致衰退问题， 转换效率和多晶硅一样。 具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。 唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然 受到限制。 3有机半导体太阳能电池 共轭高分子聚合物材料由于沿着其化学链的每格点轨道交叠形成了非定域化的导带和 价带有机材料，因而呈现出半导体性质。通过适当的化学掺杂可以达到高电子迁移率，禁带 宽度为几个电子伏特。 该类材料有可能在非常低的温度下， 以低廉的价格进行大面积的光伏 电池制备。 4纳米晶体太阳能电池 纳米 TiO2晶体是新近发展的，非常热门的太阳能电池材料。最大的优点在于其导电机 制建立在多数载流子的传输上， 因此允许使用相对不纯的原料， 从来带来了廉价的成本和简 单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5 1/10寿命能达到2O 年以上。 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。 (三) 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高的要求。 由于传统的储电设备都不能完全符合太空高 密度储能的需求，同时由于太空的超低温特点，可以考虑采用超导体储电技术。 某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突 然减小到无法测量的现象叫做超导现象， 能够发生超导现象的物质叫做超导体， 这一特定的 温度成为该物质的临界超导温度。 1911年， 荷兰科学家昂内斯(Ones)首次发现了这个现象， 他用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K 时,水银的电阻完全消。后来又陆续发现了临界温度更 高的材料。 由于超导体的内阻为零，因此用超导体做成一个线圈，如果线圈内有电流，则其将一直 维持而不会衰减。利用超导体的此特性，不仅可以达到无耗储电的目的，还可以实现电能的 长时间存储。 宇宙的背景辐射大约为4K，完全可以达到许多超导体的临界超导温度，是使用超导材 料的理想之地。利用超导体材料制作线圈，由于对储能要求较高，为了避免线圈电流过大， 需要采用较多线圈的并联。 充电时依次向每个线圈注入电流即可， 放电时控制同时放电的线 圈的数目即可控制放电电流。 对于此空间电站来说，可以选择集中存储