空间太阳能电站的发展及关键技术综述

空间太阳能电站的发展及关键技术综述仲元昌;魏莹莹;姚博文;陈泽宇【摘要】寻找新型清洁的可再生能源已经成为当今人类发展亟待解决的问题，地面太阳能技术是发展最快的可再生能源技术之一.与现有地面太阳能技术相比,空间太阳能电站具有全天时/全天候发电、效率高、零排放等优点.多年来，许多国家和组织的科学家们一直致力于通过不同的途径证明太阳能发电卫星这一方案的可行性，已经取得一些成就，但仍然面临成本、技术等多方面的严峻挑战.从太阳能发电卫星技术的研发背景、研究现状以及关键技术等方面阐述相关内容,分析建立空间太阳能电站的可行性，为未来空间太阳能电站发展战略提供参考.【期刊名称】《电源技术》【年(卷)，期】2019(043)006【总页数】4页(P1063-1066)【关键词】空间太阳能电站;太阳能发电卫星;微波无线能量传输【作者】仲元昌;魏莹莹;姚博文;陈泽宇【作者单位】重庆大学微电子与通信工程学院，重庆400030;重庆大学微电子与通信工程学院，重庆400030;重庆大学微电子与通信工程学院，重庆400030;重庆大学微电子与通信工程学院，重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TM615由于人口数量的增长和对生活水平要求的不断提高，人类对能源的需求成倍增长，寻找新型清洁可持续能源变得十分迫切。在新型清洁能源中，核能由于其高风险性不适合长期发展，而风能、水能由于受季节和地理位置的影响，稳定性不高，太阳能由于其总量巨大、取之不尽的优势，可成为未来能源供给的支柱。《2015年全球新能源发展报告》指出：全球新能源发电累计装机容量中，太阳能逐年增加，预测2015-2020年太阳能发电增速将超过风电增速［1］。地面太阳能易受到大气衰减、季节昼夜变化及地理位置的影响，空间太阳能电站能持续为地面供电并且不排放CO2［2］，能满足人类可持续发展的要求，为解决能源危机提出了一种新思路。空间太阳能光照总量约为地面平均太阳能光照能量的5倍以上［3-4］,即使空间太阳能电站的能量传输效率只有50%，所获得的能量也将是地面平均值的2.5倍，因此空间太阳能电站拥有更光明的前景。空间太阳能电站也称为太阳能发电卫星(简称SPS),被设计为一颗在地球同步轨道运行的可作为发电站的卫星，它所搭载的太阳电池板可以将太阳能转换为电能，经过无线能量传输系统到达地面。在过去四十多年的研究中，美国、日本和欧洲的一些国家已经初步证明了空间太阳能电站的可行性，但是在各方面都面临巨大的挑战。为了使这一新型发电技术得以应用，还需要对相关技术进行创新研究。1国内外研究现状1.1美国P-Glaser于1968年首先提出了太阳能发电卫星的概念［5］,其基本思路是，发射太阳能发电卫星到地球同步轨道，几乎可不间断地接收太阳能继而转化为电能，再以微波或激光的方式传到地球上相应的能量接收器。1978—1980年，在NASA和美国能源部(DOE)共同努力下，提出了NASA/DOE模型，其总效率为7%，能提供5GW的电功率到电网。可是经过评估，构建该系统需要几百名宇航员工作几十年，前期投入将达到2500亿美元。由于技术及经济受限，美国政府于1980年搁置了SPS项目的研究［6］。1997年，美国重启空间太阳能电站的研究，目的是通过新技术进步来降低成本，以具有竞争性的价格为地面市场提供能源，并提出许多参考系统。〃太阳塔”就是其代表作［7-8］，如图1所示。〃太阳塔”SPS系统设想为从地球同步轨道以5.8GHz的频率发射能量，在地面可以接收到1200MW的电力。图1〃太阳塔〃模型另一具有代表性的集成对称聚光系统(ISC)，采用薄膜聚光的蛤壳式设计，镜面与蛤壳式结构主镜方向略微不同，将光线反射到PV阵列，使热斑最小。由于该设计的发射天线在太阳电池板的背部，因此散热问题就成为了解决的关键，如图2所示［9］。图2ISC系统1998年，NASA对SPS进行后续研究工作，确定7〃FreshLook”中提出的中低轨道方案不可行。1999到2000年之间，NASA开展了SERT“空间太阳能探索性研究和技术”计划，计划2020年研制并验证10MW功率级别的系统［10］，在2050年以后，作为能向地球提供清洁能源的、功率级别超过10GW的巨大规模SSP平台将变得可行。2011年，美国曼金斯教授在NASA创新先进概念项目中，提出了任意相控阵空间太阳能电站(SPS-ALPHA)模型，即任意大型相控阵太阳能发电卫星(solarpowersatelliteviaarbitrarilylargephasedarray)。这种太阳能卫星工作在地球同步轨道，采用三明治结构体，核心是采用模块化的思想，从而降低了技术难度和开发成本，如图3所示［11-13］。图3SPS-ALPHA概念图1.2日本日本从19世纪80年代开始进行SPS研究，日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)于2001年提出了采用微波技术的模型，微波频率为5.8GHz，发射功率为1GW。之后，多种SPS模型被不断地提出，如2002模型、2003模型。另外，无人空间实验自由飞行器研究所(USEF)提出了一种简化模型即绳系式SPS模型，可以提供1.2GW的发送功率和0.75GW的地面接收功率。如图4所示，这种SPS是非聚光分布式系统，采用一体化的三明治结构形式，大幅减轻了电力传输与管理系统的复杂程度［14］。2003年日本提出的〃促进空间太阳能利用”计划已列为国家计划，并且计划在2030年实现1GW商业运行系统的技术线路图。图4绳系式SPS模型1.3欧洲欧洲提出的太阳能帆塔方案和NASA的〃太阳塔”方案极为相似，太阳能帆塔采用的是薄膜技术和更为先进的展开技术，可大大减轻系统的总质量，降低系统的装配难度［15］。2002年，欧空局开展了一个研究空间太阳能发电的长期项目，分为三个阶段。2002年8月，该项目的第一阶段已经启动，创建了欧洲空间太阳能发电研究网络，为SPS领域相关人员和感兴趣人士提供了一个平台。在2005一2006年，欧空局开展SPS计划的第二阶段研究，目的是进一步研究空间和地面组合太阳能发电。1.4中国我国是能源消耗大国，开展空间太阳能电站的研究是我国解决能源危机、转变能源结构的必然趋势。2010年8月，12位院士和百余位相关领域的专家参加了中国空间技术研究院举办的空间太阳能电站技术研讨会，并且提出了我国发展空间太阳能电站的〃路线图”［16］。路线图中计划，我国空间太阳能电站分四个阶段，目前处于第一阶段(2011-2020年)：进行需求分析，开展空间太阳能电站系统方案详细设计和关键技术研究，进行关键技术验证。在这一阶段，我国已经取得了一些重要成果，如对空间对称型二次反射太阳能聚光系统能量传输特性的理论分析，提出了OMEGA型空间太阳能电站聚光系统，提出了国际上创新的多旋转关节空间太阳能电站方案等，解决了多项国际技术难题［17-18］。近年来，中国空间技术研究院（钱学森实验室）、中国工程物理研究院，重庆大学、西安电子科技大学、四川大学、电子科技大学等对磁控管、固态微波源、高效功率合成和高效微波整流技术展开了研究。重庆大学利用绳系氦气球进行了地对空垂直无线输能试验，基于激光导引的系留气球微波传能系统模型如图5所示。图5基于激光导引的系留气球微波传能系统模型2空间太阳能电站关键技术及展望2.1发射与运输SPS是运行在地球同步轨道上质量达到万吨级别的巨型空间电站，它的质量是国际空间站的100倍，因此，要在合理的成本内建造SPS系统，必须研制一种经济的大型运输系统。目前能够选择的运输器如美国的宇宙神-2AS、欧洲的阿里安-5、日本的H-2A分别可以运送8.64、18、10t有效荷载进入近地轨道，而阿里安-5、宇宙神-2AS的发射成本都达到了1亿美元以上，这对于万吨级别的SPS来说运输次数太多，建设周期过长，成本花费巨大，因此，需要发展一种成本合理、可以运送更重材料到达LEO的新型火箭。美国提出的2025年第三代可重复使用运载火箭预计将成本降低99%。将组装好的SPS从LEO运输到GEO采用的是太阳能电推进轨道转移器（EOTV），EOTV的运输速度慢，ETOV的太阳电池效率会随暴露时间加长而下降，并且在运输过程中会受到空间碎片的影响，因此需要研发高效率、长寿命的太阳能轨道转移运输器。2.2太阳电池相关技术为了使SPS在未来得到商业化应用，必须解决太阳电池的三个关键问题：（1）降低成本；（2）减轻质量；⑶可大规模生产。目前从多种空间太阳能电站参考模型的需求来看，硅和碑化镓的薄膜电池是一个较好的选择，薄膜电池的质量较轻，且碑化镓电池的效率衰减剩余系数接近于1［19］，即其电池效率降低较慢。厚膜太阳电池效率虽然比硅和碑化镓的薄膜电池略高，但是质量较重。另一个选择是用稀土元素(m-v族元素)代替非晶硅［20］,用于太阳电池，其主要优点是效率高，但是需要超过几百倍的聚光率。如果在聚光率高的情况下可以使用较少的太阳电池，从而减轻质量。目前大多数的sps模型都采用夹层式结构方案，会使设备处于过热状态。研究表明，太阳聚光率受到太阳电池表面温度的限制，会影响太阳电池的体积［21］，因此需要研究新型的热控系统以允许太阳电池聚集更多的光。美国NASA/DOE设计的参考系统中，太阳电池背面装有大型热辐射器以解决散热问题，而日本提出了用覆盖具有波长选择功能的材料来减少热量输入。2.3微波能量传输相关技术与SPS相关的微波能量传输的研究中，需要解决的关键问题主要有以下四点：在SPS系统中要求在发射天线和接收天线之间进行高效率的能量传输，其中，直流至射频的转换效率应不低于80%，发射天线与接收天线之间的效率应不低于90%。由于地面整流天线的面积有限，且SPS发射天线总处于运动和摆动状态，为了保障波束安全以及避免通信干扰，抑制旁瓣，集中波束及提高指向精确度是很有必要的。波束应准确指向整流天线方向，精度应小于300m，对应于0.0005°的精度。⑶为了避免与通信的干扰，需要极低的谐波与杂散辐射，同时降低质量功率比从而降低成本，需要开发低谐波高效轻型发射机。⑷由于整流天线处接收到的功率密度分布不均匀，因此必须开发在各种能量输入条件下的高效整流天线。3结语空间太阳能电站作为新型清洁可持续能源系统具有巨大的潜力，对于解决能源危机和化石燃料燃烧造成的环境污染有重要意义。通过数十年来的研究，已经证明了空间太阳能电站的可行性，要实现空间太阳能电站的商业化还需要进一步的研究，因此持续对空间太阳能电站重要技术的研发必不可少。参考文献：【相关文献】蔡昉补.全球新能源发展报告[R].北京：全国工商联新能源商会，2015.孟宪龙，陈学，夏新林.空间对称型二次反射太阳能聚集系统能量传输特性[J].宇航学报，2013，34(9):1288-1294.王希季，闵桂荣.发展空间太阳能电站引发新技术产业革命[J].能源与节能，2011，5:1-3.URSISPS国际委员会工作组.太阳能发电卫星白皮书-URSISPS国际委员会工作组报告[M].侯欣宾，王立，刘长军，等，译.北京：中国宇航出版社，2013.PETEREG.Powerfromthesun:itsfuture[J].Science,1968,162:867-886.NRC.Electricpowerfromorbit:acritiqueofasatellitepowersystem[M].Washington:NationalAcademyPress,1981.MARKINSJC.Afreshlookatspacesolarpower:newarchitectures,conceptsandtechnologies[J].ActaAstronautica,1997,41:347-359.SPADDENJC.SummaryofrecentresultsfromNASA'sspacesolarpower(SSP)programsandthecurrentcapabilitiesofmicrowaveWPTtechnology[J].IEEEMicrowave,2002,3(4):46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