衛(wèi)星太陽(yáng)能電站發(fā)展發(fā)展前景與利用難題分析.doc

衛(wèi)星太陽(yáng)能電站發(fā)展前景與利用難題分析摘要空間太陽(yáng)能電站(Solar Power Satellite，SPS)概念受到了國(guó)際的廣泛關(guān)注，美國(guó)和日本都已制定了爭(zhēng)取在2030年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的發(fā)展路線圖，并且在概念和技術(shù)層面開(kāi)展了大量的研究工作。中國(guó)有必要盡快開(kāi)展此方面的相關(guān)研究工作，為未來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。引言世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展, 對(duì)能源的需求越來(lái)越大。地球礦物資源的大量開(kāi)采與消耗, 使石油、煤炭資源日趨短缺。過(guò)量消耗礦物燃料造成地球生態(tài)環(huán)境的惡化, 也促使人們尋找新能源和各種可再生能源。由于空間太陽(yáng)能具有能流密度大、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜氣候影響、潔凈、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn), 且隨著人類(lèi)征服太空能力的加強(qiáng), 利用空間太陽(yáng)能發(fā)電SPS ( Solar Power from Space) 已越來(lái)越受世界各國(guó)的關(guān)注。現(xiàn)代空間太陽(yáng)能發(fā)電的構(gòu)想 太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星( Solar Power Satellite) 最早由美國(guó)的P. E. Glaser 博士于60 年代提出。之后一些學(xué)者又紛紛提出其它設(shè)想, 特別是美國(guó)的DCriswell 等又建立了以月球?yàn)榛氐目臻g電站模型LSP( Lunar-based Solar Power ) 。為了加快實(shí)現(xiàn)空間發(fā)電的構(gòu)想, 一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美、日、法、俄等先后開(kāi)展了空間電站的可行性論證,并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)線電能傳輸WPT 技術(shù)(Wireless Power Transmission) 作了大量的探索工作?？傮w認(rèn)為, 空間太陽(yáng)能電站在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面是可行的, 有望于本世紀(jì)初建立初步的空間太陽(yáng)能發(fā)電SPS 系統(tǒng), 并于中葉建立起以月球?yàn)榛氐奶?yáng)能電站。本文旨在結(jié)合我國(guó)國(guó)情, 對(duì)空間太陽(yáng)能發(fā)電及傳輸技術(shù)原理的研究發(fā)展做出概述，分析制約衛(wèi)星太陽(yáng)能電站發(fā)展問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)以及重大問(wèn)題。. 國(guó)際空間太陽(yáng)能電站發(fā)展概述. 空間太陽(yáng)能電站概念空間太陽(yáng)能電站是指在空間將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。主要由3部分組成：太陽(yáng)能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置、地面接收和轉(zhuǎn)換裝置(圖1)。太陽(yáng)能發(fā)電裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能；能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波或激光等形式(激光也可以直接通過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化)，并利用天線向地面發(fā)送能束；地面接收系統(tǒng)接收空間發(fā)射來(lái)的能束，再通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換為電能。整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了太陽(yáng)能電能微波(激光)電能的能量轉(zhuǎn)變過(guò)程圖1 空間太陽(yáng)能電站工作示意圖. 國(guó)際空間太陽(yáng)能電站發(fā)展現(xiàn)狀.美國(guó)美國(guó)在20世紀(jì)70年代，投入約5000萬(wàn)美元進(jìn)行空間太陽(yáng)能電站和關(guān)鍵技術(shù)研究，并且提出5GW的“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”方案。1995年7月，NASA開(kāi)展了重新評(píng)估SPS可行性的研究，并提出多種創(chuàng)新方案。1999年，NASA在2年內(nèi)投資2200萬(wàn)美元，開(kāi)展“空間太陽(yáng)能探索性研究和技術(shù)”的計(jì)劃，提出SPS未來(lái)發(fā)展的技術(shù)路線圖計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)10MW系統(tǒng)的空間驗(yàn)證。2001年后，NASA和美國(guó)科學(xué)基金會(huì)共同出資開(kāi)展“空間太陽(yáng)能電站概念和技術(shù)程度研究”。2007年美同國(guó)防部組織專(zhuān)家完成了空間太陽(yáng)能電站作為戰(zhàn)略安傘的機(jī)遇中期評(píng)估報(bào)告。報(bào)告對(duì)于美國(guó)政府組織開(kāi)展奪間太陽(yáng)能電站研究提出4點(diǎn)建議：要有效的進(jìn)行組織，以解決SPS研制存在的問(wèn)題；要為SPS的商業(yè)發(fā)展清除主要的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；為SPS的研制創(chuàng)造一個(gè)有利的政策、制度和法律環(huán)境；政府應(yīng)成為SPS早期的驗(yàn)證者、研制者和用戶，并且激勵(lì)其持續(xù)發(fā)展。.日本日本是能源極缺的國(guó)家，從20世紀(jì)80年代就開(kāi)始進(jìn)行SPS概念和關(guān)鍵技術(shù)研究。目前共有200多名科學(xué)家參加15個(gè)技術(shù)工作組，90年代起陸續(xù)推出SPS2000、SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式繩系SPS系統(tǒng)等概念設(shè)計(jì)，并且重點(diǎn)在微波傳輸、激光傳輸、材料及空間機(jī)器人技術(shù)方面開(kāi)展工作。2003年2月27日，日本提出“促進(jìn)空間太陽(yáng)能利用”計(jì)劃，已列為國(guó)家計(jì)劃，目標(biāo)是在2030年后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，目前已經(jīng)提出在2030年實(shí)現(xiàn)1GW商業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)路線圖。.歐洲歐洲在1998年開(kāi)展了“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)研究”計(jì)劃，提出了名為太陽(yáng)帆塔的概念設(shè)計(jì)。2002年8月，歐空局先進(jìn)概念團(tuán)隊(duì)組建了歐洲空間太陽(yáng)能電站研究網(wǎng)，重點(diǎn)在高效多層太陽(yáng)電池、薄膜太陽(yáng)電池、高效微波轉(zhuǎn)化器、輕型大型空間結(jié)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)方面開(kāi)展研究工作。.中國(guó)近年來(lái)，我國(guó)在發(fā)展地面太陽(yáng)能可再生能源方面做了大量的工作，但利用規(guī)模還十分有限，發(fā)展空間太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、解決太陽(yáng)能的大規(guī)模利用問(wèn)題才是我國(guó)發(fā)展的主要方向。作為空間太陽(yáng)能發(fā)電的主要關(guān)鍵技術(shù)，WPT在能量傳輸方面起重要作用。我國(guó)在雷達(dá)技術(shù)研究、應(yīng)用方面具有一定基礎(chǔ)，激光技術(shù)也已成熟。微波技術(shù)、激光技術(shù)在許多方面得到了應(yīng)用，表明我國(guó)在WPT技術(shù)上已具有相當(dāng)基礎(chǔ)。我國(guó)已具備了太陽(yáng)能電池的技術(shù)基礎(chǔ)與空間應(yīng)用能力。盡管就我國(guó)的目前空間技術(shù)水平相比還存在許多差距，但就空間工業(yè)基礎(chǔ)來(lái)講，我國(guó)已具備建設(shè)太空太陽(yáng)能電站所需空間技術(shù)的潛能。. 空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)方案國(guó)際上已經(jīng)提出幾十種空間太陽(yáng)能電站概念構(gòu)想，總得來(lái)說(shuō)空間太陽(yáng)能電站概念可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是非聚光式，另一類(lèi)是聚光式，而這兩類(lèi)又分別可以分為平臺(tái)式和分布式。平臺(tái)式非聚光空間太陽(yáng)能電站的典型代表是美國(guó)提出的“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”；分布式非聚光窄間太陽(yáng)能電站的典型代表是日本提出的“分布式繩系太陽(yáng)能電站衛(wèi)星”；平臺(tái)式聚光空間太陽(yáng)能電站的典型代表是美國(guó)提出的“集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)”；分布式聚光空間太陽(yáng)能電站的典型代表是日本提出的“SPS2003”。從發(fā)展趨勢(shì)上，空間太陽(yáng)能電站概念的發(fā)展重點(diǎn)是從系統(tǒng)的輕型化、模塊化等方面開(kāi)展工作，同時(shí)要重點(diǎn)解決系統(tǒng)的散熱和空間大功率電力的傳輸難題。下面給出幾種典型的空間太陽(yáng)能電站概念。.1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)1979年美國(guó)提出第一個(gè)空問(wèn)太陽(yáng)能電站概念，名為“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”。該設(shè)計(jì)方案為在地球靜止軌道上布置60個(gè)發(fā)電能力各為5GW的發(fā)電衛(wèi)星，總設(shè)計(jì)目標(biāo)為300GW，約為美國(guó)電負(fù)荷的一半，系統(tǒng)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。表1 1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)主要性能參數(shù)系統(tǒng)采用桁架式太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積和重量均較大，是后來(lái)的SPS概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)微波波束到達(dá)地面時(shí)的功率密度很小，波束中心約為23mWcm2，邊緣只有1mWcm2，對(duì)人、畜和莊稼不會(huì)造成危害。.集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)NASA在20世紀(jì)90年代末的SERT研究計(jì)劃中提出新一代的名為“集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。采用了薄膜聚光設(shè)計(jì)，薄膜聚光采用O5mm厚的Kapton膜，表面太陽(yáng)光反射率達(dá)到09，聚光膜到光伏電池的集光率為425。設(shè)計(jì)將聚光太陽(yáng)陣與微波發(fā)射天線布置在很近的位置，可以大大減小空間電力傳輸系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。圖2 集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng).日本空間太陽(yáng)能電站方案概念日本在空間太陽(yáng)能電站研究中提出了多種方案，主要包括SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式繩系太陽(yáng)能電站衛(wèi)星概念等(見(jiàn)圖3)。其中SPS2001采用了聚光系統(tǒng)，并且創(chuàng)新性的提出將太陽(yáng)電池、微.波轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線集成為夾層結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間裝配的難度，但散熱問(wèn)題極難解決。在SPS2002方案中，改進(jìn)了SPS2001的夾層結(jié)構(gòu)，將太陽(yáng)電池、發(fā)射天線布置在同一面，另一面作為熱輻射器，可以大大改善熱控的效果，但給能量轉(zhuǎn)化效率和電池兼容性帶來(lái)一定問(wèn)題。SPS2003方案是在SPS2002方案的基礎(chǔ)上，在輻射面后面增加了太陽(yáng)屏，更加有利于系統(tǒng)的散熱。SPS2003的另一個(gè)重要特點(diǎn)是各部件將采用編隊(duì)飛行的方式保持相對(duì)位置穩(wěn)定，是一個(gè)真正的分布式系統(tǒng)。分布式繩系太陽(yáng)能電站衛(wèi)星概念減小了單個(gè)模塊的復(fù)雜性和重量，更有利于系統(tǒng)的構(gòu)建和組合。其基本單元由尺寸為100m X 95m的單元板和衛(wèi)星平臺(tái)組成，單元板為太陽(yáng)電池、微波轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線組成的夾層結(jié)構(gòu)板。每個(gè)單元板的總重約為425t，微波能量傳輸功率為21MW，單元板和衛(wèi)星平臺(tái)間采用4根2-10km的繩系懸掛在一起。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個(gè)系統(tǒng)。.太陽(yáng)帆塔歐洲在1998年開(kāi)展了“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)研究”計(jì)劃，提出了太陽(yáng)帆塔概念，主要參數(shù)見(jiàn)表2。表2 歐洲太陽(yáng)帆塔基本概念該方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是基于美國(guó)提出的太陽(yáng)塔概念，但采用丁許多新技術(shù)，主要是采用了可展開(kāi)的輕型結(jié)構(gòu)太陽(yáng)帆，可以大大降低系統(tǒng)的總重量、減小系統(tǒng)的裝配難度。每一塊太陽(yáng)帆電池陣為一個(gè)模塊，尺寸為150m150m，發(fā)射入軌后自動(dòng)展開(kāi)，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過(guò)電推力器運(yùn)往地球同步軌道。制約空間太陽(yáng)能電站的關(guān)鍵技術(shù).空間運(yùn)輸技術(shù)空間太陽(yáng)能電站體積大、重量大，需要多次發(fā)射到近地軌道(LEO)進(jìn)行組裝，再送往地球同步軌道(GEO)。岡此，空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)需要兩類(lèi)空間運(yùn)輸技術(shù)：低成本大運(yùn)載近地運(yùn)載器，高性能軌道問(wèn)推進(jìn)系統(tǒng)。目前最大的運(yùn)載火箭包括美國(guó)的土星五號(hào)和俄羅斯的能源號(hào)運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力超過(guò)100t。而目前廣泛使用的商用運(yùn)載火箭，包括“德?tīng)査薄ⅰ百|(zhì)子”、“阿里亞娜”和“長(zhǎng)征”等，近地軌道運(yùn)載能力從112250t不等。為了節(jié)約成本，有必要發(fā)展大刑的可重復(fù)使用的運(yùn)載丁具。高比沖、長(zhǎng)壽命的電推進(jìn)系統(tǒng)是空間太陽(yáng)能電站最有前途的空間軌道轉(zhuǎn)移推進(jìn)方式。美國(guó)已經(jīng)研制50kW霍爾電推力器，需要進(jìn)一步研究大推力的電推進(jìn)系統(tǒng)，以適應(yīng)空間太陽(yáng)能發(fā)電站的需求。.太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)空間太陽(yáng)電站的太陽(yáng)能發(fā)電考慮兩種形式，即光電轉(zhuǎn)化形式和熱電轉(zhuǎn)化形式。上世紀(jì)90年代，考慮到熱電轉(zhuǎn)換的較高效率，在空間站的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中曾對(duì)空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛研究。隨著光電轉(zhuǎn)化技術(shù)的進(jìn)步，其較高的效率(已經(jīng)成熟的空間太陽(yáng)能電池的效率接近30)和高可靠性使得空間太陽(yáng)能電站的太陽(yáng)能發(fā)電更多的立足于光電轉(zhuǎn)化。目前。從空間太陽(yáng)能電站的需求來(lái)看，為了提高系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)的質(zhì)量，研究重點(diǎn)是發(fā)展聚光太陽(yáng)電池和薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)，以提高能量轉(zhuǎn)換效率，減輕產(chǎn)品重量，并需要進(jìn)一步增強(qiáng)抗輻射等空間環(huán)境適應(yīng)能力，降低生產(chǎn)成本。其中聚光太陽(yáng)電池最為看好，也是目前空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)較多采用的方案。圖4為美國(guó)的SERT計(jì)劃給出的與空間太陽(yáng)能電站發(fā)展目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)目標(biāo)。圖4 太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)目標(biāo).無(wú)線能量傳輸技術(shù)無(wú)線能量傳輸技術(shù)是空間太陽(yáng)能電站的主要關(guān)鍵技術(shù)，在空間將太剛能轉(zhuǎn)換成電能后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為微波或激光，通過(guò)WPT傳輸?shù)降孛妫偻ㄟ^(guò)微波或激光接收裝置轉(zhuǎn)換回電能。目前來(lái)看，微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)相對(duì)更為可行。1964年，一個(gè)24kg重的無(wú)線電力傳輸直升飛機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證，接收功率達(dá)到270W，飛行高度為15m。1975年，更大功率的微波電力傳輸試驗(yàn)在美國(guó)的JPL試驗(yàn)成功，傳輸距離達(dá)到16km，接收功率達(dá)到30kW，接收端的直流轉(zhuǎn)化效率達(dá)到084。13本已進(jìn)行了幾次空間微波電力傳輸試驗(yàn)，主要研究微波波束在空間等離子體環(huán)境下的相瓦作用。激光傳輸能量集中，所需的接收設(shè)備小，造價(jià)便宜，且可以直接轉(zhuǎn)化為氫等存儲(chǔ)起來(lái)。但是，激光穿過(guò)大氣層時(shí)，有能量損耗，在惡劣氣候條件下不能使用，而且大功率的激光技術(shù)目前還有許多難點(diǎn)，需要進(jìn)一步研究才能應(yīng)用。日前無(wú)線能量傳輸技術(shù)研究的重點(diǎn)是大功率、高效率、長(zhǎng)壽命的能量轉(zhuǎn)化器件技術(shù)，這對(duì)于降低系統(tǒng)的質(zhì)量、減小熱控等的復(fù)雜性都非常重要。.空間技術(shù)1)空間組裝、維護(hù)和維修技術(shù)：空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)體積和重量巨大，需在近地軌道進(jìn)行空間裝配，而且系統(tǒng)在軌工作壽命達(dá)3040年，在全任務(wù)周期內(nèi)，面臨著大量空間碎片和微流星體等的威脅，此外由于空間太陽(yáng)能電站運(yùn)行時(shí)問(wèn)長(zhǎng)，其攜帶的燃料有限，需要進(jìn)行在軌加注，維護(hù)任務(wù)需求很大，需要研究結(jié)構(gòu)和部件模塊自主組裝技術(shù)、空間無(wú)人維護(hù)和維修技術(shù)。2006年1月22 13，日本成功發(fā)射了Furoshiki衛(wèi)星，多個(gè)衛(wèi)星在空間釋放后，相互展開(kāi)形成天線網(wǎng)格，之后整個(gè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，以保證天線網(wǎng)格的張力。天線網(wǎng)格搭建完畢后，機(jī)器人就可以在網(wǎng)格上工作以建造相控陣天線。主要驗(yàn)證新型自主空間展開(kāi)天線和空間機(jī)器人技術(shù)。2)姿態(tài)控制及波束指向控制技術(shù)：空間太陽(yáng)能電站的面積將達(dá)到幾十平方公里，在運(yùn)行過(guò)程中，既要保證太陽(yáng)電池陣盡可能對(duì)日定向，又要保證微波波束與地面接收天線精確定向，給系統(tǒng)的姿態(tài)控制和波束指向控制帶來(lái)很大的難題。特別是波束指向控制技術(shù)對(duì)于空間太陽(yáng)能電站的安全有效運(yùn)行極其重要。3)熱控材料及熱控技術(shù)：空間太陽(yáng)能電站中的光、電、微波能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量排散是方案設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)難題之一，而適合的工作溫度又是保證系統(tǒng)長(zhǎng)期正常工作的必要條件，采用合理的熱控方案和熱控材料對(duì)于提高系統(tǒng)可靠性、降低系統(tǒng)質(zhì)量具有重要意義。4)空間電力管理與輸送技術(shù)：空間太陽(yáng)能電站的輸出功率達(dá)到GW級(jí)，其電流十分強(qiáng)大，如果采用常規(guī)技術(shù)，需要大量的電纜、絕緣材料和散熱材料，嚴(yán)重影響到空間太陽(yáng)能電站的重量和成本。需研制高溫超導(dǎo)輸電電纜、長(zhǎng)壽命高可靠制冷器、高效直流變換器及新型的絕緣、散熱材料等。5)輕型、長(zhǎng)壽命的結(jié)構(gòu)及其部件：空間太陽(yáng)能電站的體積巨大，工作壽命長(zhǎng)達(dá)30年以上，為降低發(fā)射成本，需研制超輕型的展開(kāi)式結(jié)構(gòu)、充氣膨脹結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新的多功能結(jié)構(gòu)以及耐空間輻射環(huán)境的輕型復(fù)合材料。結(jié)論( 1)我國(guó)的能源現(xiàn)狀表明, 發(fā)展空間太陽(yáng)能電站是解決我國(guó)能源需求,優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的合理選擇。( 2)我國(guó)的技