卫星太阳能发电站简介

1、卫星太阳能发电系统简介 摘要：卫星太阳能发电站是利用卫星技术，在太空把太阳能转化成电能，然后以某种方式传回地球供人类使用的系统。本文对卫星太阳能发电站的发展历程及现状、系统组成、优势及潜在威胁作了简要介绍，并提出一些对卫星太阳能发电站发展前景的看法。 关键词：卫星；光伏；无线能量传输；天线 卫星太阳能发电系统(satellite power system(SPS)是利用卫星技术，在太空把太阳能转化成电能，然后以某种方式传回地球供人类使用的系统，该概念在20世纪60年代已被提出。 因距离遥远，太阳释放的能量只有22亿分之一投射到地球，到达大气层上界的太阳辐射功率，经大气层的反射和吸收，能够投射到

2、地面的只有47%左右。同时，由于地球自转的原因，地球上大部分地区能受到阳光照射的时间是间断的。因此，与在地面接收太阳能进行发电的方法相比，基于卫星的太阳能发电系统具有高接收率及接收时间的特点。此外，还可以通过调整卫星姿态向地面上的不同地区传输电能。 随着世界人口的增长，环境恶化、能源短缺的问题愈发凸显。寻找可靠，清洁，可再生的能源替代化石能源，已成为人类势在必行的任务及未来发展趋势。由于卫星太阳能发电系统的上述优点，若能真正实现卫星太阳能发电，将有助于人类极大程度地利用太阳能，为能源与环境问题提供解决方案。 一、卫星太阳能发电系统的发展历史及现状 1968年，Peter Edward Glas

3、er提出了利用卫星获取太阳能并将其转换成电能，而后通过无线能量传输技术将其传输至地面的构想1。1973年，Glaser为其构想申请了专利2，提出用天线将电能以微波形式从卫星向地面传输，并在地面用硅整流二极管天线进行接收的方法。 20世纪70年代，在NASA的资助下，一些单位对SPS技术进行了初步的研究。但由于没有迫切需求，且前期投入巨大，自80年代起，NASA暂时中止了对SPS技术的研究。 20世纪90年代中期，NASA委任John Mankins对SPS技术进行了重新评估3，而后重启了SPS技术的研究。 2012年，John Mankins领导的团队提出了一种名为“任意大型相控阵太阳能卫星”

4、(SPS-ALPHA)的概念产品4。SPS-ALPHA由一组110到440磅（50至200千克）重的可控镜和底部的圆盘组成，造型酷似花朵的可控镜会改变入射的太阳光的方向，使其集中到卫星底部的圆盘上。圆盘上部是一层光伏电池板，下部则覆盖着众多微波发射器，它们将担负起将电能传送回地球的任务。 2015年3月，日本宇航开发署(Japan Aerospace Exploration Agency(JAXA)宣布他们成功地通过微波将1.8kW的电能无线传输至50米远处的接收器并将微波能量重新变换成电能。 自SPS技术提出至今，包括中国在内的众多国家都对其表现出兴趣并开展过研究，目前成果最为显著的是美国和

5、日本。美国John Mankins团队及日本JAXA均预计至2025年能够初步实现SPS的利用。二、SPS系统的组成部分及其原理 1.太阳能收集部分 太阳能收集部分是位于卫星上的收集太阳能的装置。与地面上的太阳能收集装置类似，也可分为太阳能光伏发电及太阳能热发电两类。 1）太阳能光伏发电光伏效应，是指当光照在不均匀半导体或半导体与金属组合材料上，在不同的部位之间产生电位差的现象，是太阳的光辐射能通过半导体物质转变为电能的过程。光伏发电就是利用半导体界面的光伏效应而将光能直接转变为电能的一种技术。而利用光伏效应将光能转化为电能的器件称为太阳能电池，又称光伏器件。光伏发电最早恰是应用在空间技术中。

6、20世纪60年代，太阳能电池就已被用于通信卫星的供电。随后，光伏发电逐渐被应用于地面上的电力系统，为居民及工业农业生产提供电能。2）太阳能热发电太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电的技术。太阳能热发电大体上也分两种类型。一种是太阳能热动力发电，就是采用反射镜把阳光汇聚起来把水或其他介质加热，使之产生蒸汽驱动涡轮机等动力发动机，再带动发电机发电；另一种是利用热能直接转换为电能的装置，如温差发电、热离子发电、磁流体发电等装置。根据装置形式的不同又可分为塔式、槽式和碟式三种，目前槽式太阳能热发电是最成熟的商业化技术。由于太阳能电池能够制成面积很大、厚度很薄的太阳能

7、电池板，成本较低且稳定性较高，Glaser最初便将其作为卫星上太阳能接收装置的首选方式。John Mankins团队的SPS-ALPHA利用的也是太阳能光伏发电，其花朵形的可控镜组及卫星底部的太阳能电池板结构如图1所示。图 12.能量转换传输部分将卫星上收集的太阳能转化为电能后，须将其传输至地面才能被人们所利用，这就涉及到了无线能量传输(wireless power transmission(WPT)的原理。顾名思义，无线能量传输指的是无需通过导线就能传输能量（尤其指电能）的技术。代替导线的传输介质主要有微波、激光等。对于SPS项目，人们主要研究的是利用微波进行无线电能传输。微波是指频率为30

8、0MHz300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称5。作为一种点对点的能量传输方式，WPT具有以下特点：1.能量源和耗能点之间的能量传输系统是无质量的。2.以光速传输能量。3.能量传输方向可迅速变换。4.在真空中传递能量无损耗。5.波长较长时在大气中能量传递损耗很小。6.能量传输不受地球引力差的影响。7.工作在微波波段,换能器可以很轻。由于具有以上特点，微波非常适合用于空间对地面的能量传输。微波电能传输的一般过程是：利用射频信号将直流电转换成微波信号(DC-RF)，经多级功率放大器将微波功率放大后辐射至空间，再由整流天线

9、接受微波能量并整流，为负载提供直流电能。可见在卫星上不仅需要将太阳能电池产生的电能转换成微波信号，也需要能够辐射微波信号的天线，同时地面上也需要能够接收微波信号的天线装置。3）能量接收部分微波能量的接收（包括发射）需要依靠天线设备。天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波变成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换6。20世纪60年代，美国学者William Brown设计出一种硅整流二极管天线(rectenna)，并将其应用于频率为2.45GHz的微波的传输，其传输效率超过90%7。随研究的进展，硅整流二极管天线适用的频率不断提高。三、卫星太阳能发电系统的优势及潜在威

10、胁8 作为一项前沿的新能源技术，卫星太阳能发电系统具有相当可观的吸引力和研究价值，它具有如下优势： 1.接收日照强度大。 2.接收日照时间长，接近一整天中都能接收太阳辐射能量。 3.可根据需要迅速调整传输方向，使能量传输至最需要的地区。 4.对野生动植物的影响较小 同时，卫星太阳能发电系统也具有如下一些劣势及潜在威胁： 1.初期投入巨大：要将如此巨大的发电系统发射至空间轨道需投入大量的成本。 2.维护困难：由于处在太空环境中，所以对卫星太阳能发电系统的维护存在极大的技术难度及成本。此外，各种宇宙射线对维护工作也是一项潜在威胁。 3.受损风险：人类已向太空中发射数以千计的各种卫星、飞船，轨道空间

11、中存在大量运行中的飞行物及碎片，且卫星太阳能发电系统的体积相当庞大，及易遭受空间中飞行物及碎片的威胁。 4.微波传输电能对其他卫星及地面通讯的干扰。 5.地面接收站同样也需要大量投入。四、总结 本文简要介绍了卫星太阳能发电系统的发展历史及现状、原理、优缺点。自卫星太阳能发电系统提出至今，其各项关键技术，如光伏发电技术、微波能量传输技术均有很大的进展，为SPS系统的最终实现创造了条件。若要最终实现卫星太阳能发电系统的使用，还需解决上述一系列问题，尤其是系统的稳定性及能量传输对其他通讯的影响。参考文献：1 Peter E. Glaser, Power from the Sun: Its Futur

12、e, Science pp.857-861, Nov.22nd, 1968.2 Peter E. Glaser, Method and Apparatus for Converting Solar Radiation to Electrical Power, U.S. Patent 3 781 647, 1973.3 John C. Mankins, A Fresh Look at Space Solar System, presented at Energy Conversion Engineering Conference, 1996.4 Anne Harris, Beam It Down

13、, www.EandT pp.76-79, May, 2013.5/link?url=YIcyW85wYxhdh0W5YWwbiNrUYpAe5e5BVYQF8gZEKx131OqGNDlMHMIUeElf6GG6eOwGpt1aG7GZLjQJaD5R8a百度百科词条：微波，6/link?url=YIcyW85wYxhdh0W5YWwbiNrUYpAe5e5BVYQF8gZEKx131OqGNDlMHMIUeElf6GG6eOwGpt1aG7GZLjQJaD5R8a&wd=&eqid=a35a000e0000ed54122af&ie=utf-8百度百科词条：天线.7 W.C. Brown, The history of powe