卫星太阳能电站发展发展前景与利用难题分析

卫星太阳能电站发展前景与利用难题分析

摘要

空间太阳能电站(Solar Power Satellite，SPS)概念受到了国际的广泛关注，美国和日本都已制定了争取在2030年左右实现商业化运行的发展路线图，并且在概念和技术层面开展了大量的研究工作。中国有必要尽快开展此方面的相关研究工作，为未来的长远发展奠定基础。

引言

世界经济的迅速发展, 对能源的需求越来越大。地球矿物资源的大量开采与消耗, 使石油、煤炭资源日趋短缺。过量消耗矿物燃料造成地球生态环境的恶化, 也促使人们寻找新能源和各种可再生能源。由于空间太阳能具有能流密度大、持续稳定、不受昼夜气候影响、洁净、无污染等优点, 且随着人类征服太空能力的加强, 利用空间太阳能发电SPS ( Solar Power from Space) 已越来越受世界各国的关注。

现代空间太阳能发电的构想——太阳能发电卫星( Solar Power Satellite) 最早由美国的P. E. Glaser 博士于60 年代提出。之后一些学者又纷纷提出其它设想, 特别是美国的D．Criswell 等又建立了以月球为基地的空间电站模型LSP( Lunar-based Solar Power ) 。为了加快实现空间发电的构想, 一些发达国家如美、日、法、俄等先后开展了空间电站的可行性论证,并对其中的关键技术——无线电能传输WPT 技术(Wireless Power Transmission) 作了大量的探索工作。总体认为, 空间太阳能电站在技术、经济、社会等方面是可行的, 有望于本世纪初建立初步的空间太阳能发电SPS 系统, 并于中叶建立起以月球为基地的太阳能电站。

本文旨在结合我国国情, 对空间太阳能发电及传输技术原理的研究发展做

出概述，分析制约卫星太阳能电站发展问题的关键技术以及重大问题。

１. 国际空间太阳能电站发展概述

１. １空间太阳能电站概念

空间太阳能电站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。主要由3部分组成：太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地

面接收和转换装置

(图1)。太阳能发电装置将太阳能转化为电能；能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式(激光也可以直接通过太阳能转化)，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)—电能的能量转变过程

图1 空间太阳能电站工作示意图

１. ２国际空间太阳能电站发展现状

１.２.１美国

美国在20世纪70年代，投入约5000万美元进行空间太阳能电站和关键技术研究，并且提出5GW的“1979 SPS基准系统”方案。1995年7月，NASA开展了重新评估SPS可行性的研究，并提出多种创新方案。1999年，NASA在2年内投资2200万美元，开展“空间太阳能探索性研究和技术”的计划，提出SPS未来发展的技术路线图计划于2020年实现10MW系统的空间验证。2001年后，NASA和美国科学基金会共同出资开展“空间太阳能电站概念和技术程度研究”。2007年美同国防部组织专家完成了《空间太阳能电站作为战略安伞的机遇》中期评估报告。报告对于美国政府组织开展夺间太阳能电站研究提出4点建议：①要有效的进行组织，以解决SPS研制存在的问题；②要为SPS的商业发展清除主要的技术风险；③为SPS的研制创造一个有利的政策、制度和法律环境；④政府应成为

SPS早期的验证者、研制者和用户，并且激励其持续发展。

１.２.２日本

日本是能源极缺的国家，从20世纪80年代就开始进行SPS概念和关键技术研究。目前共有200多名科学家参加15个技术工作组，90年代起陆续推出SPS2000、SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式绳系SPS系统等概念设计，并且重点在微波传输、激光传输、材料及空间机器人技术方面开展工作。2003年2月27日，日本提出“促进空间太阳能利用”计划，已列为国家计划，目标是在20～30年后实现商业化，目前已经提出在2030年实现1GW商业系统运行的技术路线图。

１.２.３欧洲

欧洲在1998年开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了名为太阳帆塔的概念设计。2002年8月，欧空局先进概念团队组建了欧洲空间太阳能电站研究网，重点在高效多层太阳电池、薄膜太阳电池、高效微波转化器、轻型大型空间结构等先进技术方面开展研究工作。

１.２.４中国

近年来，我国在发展地面太阳能可再生能源方面做了大量的工作，但利用规模还十分有限，发展空间太阳能发电技术、解决太阳能的大规模利用问题才是我国发展的主要方向。作为空间太阳能发电的主要关键技术，WPT在能量传输方面起重要作用。我国在雷达技术研究、应用方面具有一定基础，激光技术也已成熟。微波技术、激光技术在许多方面得到了应用，表明我国在WPT技术上已具有相当基础。我国已具备了太阳能电池的技术基础与空间应用能力。尽管就我国的目前空间技术水平相比还存在许多差距，但就空间工业基础来讲，我国已具备建设太空太阳能电站所需空间技术的潜能。

２. 空间太阳能电站系统方案

国际上已经提出几十种空间太阳能电站概念构想，总得来说空间太阳能电站概念可以分为两大类：一类是非聚光式，另一类是聚光式，而这两类又分别可以分为平台式和分布式。平台式非聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提出的“1979 SPS基准系统”；分布式非聚光窄间太阳能电站的典型代表是日本提出的

“分布式绳系太阳能电站卫星”；平台式聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提出的“集成对称聚光系统”；分布式聚光空间太阳能电站的典型代表是日本提出的“SPS2003”。从发展趋势上，空间太阳能电站概念的发展重点是从系统的轻型化、模块化等方面开展工作，同时要重点解决系统的散热和空间大功率电力的传输难题。下面给出几种典型的空间太阳能电站概念。

２.１1979 SPS基准系统

1979年美国提出第一个空问太阳能电站概念，名为“1979 SPS基准系统”。该设计方案为在地球静止轨道上布置60个发电能力各为5GW的发电卫星，总设计目标为300GW，约为美国电负荷的一半，系统主要性能参数见表1。

表1 1979 SPS基准系统主要性能参数

系统采用桁架式太阳电池阵结构设计，体积和重量均较大，是后来的SPS概念设计的基础。设计微波波束到达地面时的功率密度很小，波束中心约为23mW ／cm2，边缘只有1mW／cm2，对人、畜和庄稼不会造成危害。

２.２集成对称聚光系统

NASA在20世纪90年代末的SERT研究计划中提出新一代的名为“集成对称聚光系统”的设计方案，结构示意图见图2。采用了薄膜聚光设计，薄膜聚光采用O．5mm 厚的Kapton膜，表面太阳光反射率达到0．9，聚光膜到光伏电池的集光率为4．25。设计将聚光太阳阵与微波发射天线布置在很近的位置，可以大大减小空间电力传输系统的体积和质量。