空间太阳能发电站

空间太阳能发电站

信息科学学院杨帆

[关键字] 空间太阳能发电

众所周知，目前地球上最广泛使用的矿石能源已经濒临枯竭，人类正在积极寻找新的替代能源，风能、水能、核能、太阳能等均是人类探索的前沿；而其中太阳能作为一种取之不尽、完全清洁无污染的新型能源更是受人瞩目。

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，而由于大气蹭的衰减，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。

一、 空间太阳能发电站的规模分析

随着地球消耗能量的越来越多，寄希望于一个空间太阳能发电站满足整个地球是不现实的。目前看来，一个5Km*10Km的大型太阳能板的功率在500MW左右。

太空中的小型陨石、太空垃圾等对任何航天设备都是严重的威胁，一旦空间站遭到碰撞等，短时间内难以修复。考虑到太空的环境、安全性以及工程难度等种种因素，建设一个超大型空间发电站并不实际。因此要采取众多小型电站的集群化建设，这样可大大提高电站的安全系数。此外，当有新的技术和设备时，也可以方便的更换和维护。

因此，一个GW级或更高的电站要由众多个100MW级或更高的基站组成。

二、 空间太阳能发电站的工程分析

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12~16%。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，即专门建立存储电能的空间设施，这样的好处是设计简单，便于管理。缺点是危险系数较大，全电站的电能全部集中在一起，对储能设备的要求较高，而且一旦出问题，整个电站都将无法工作。因此更倾向于采用分散存储，即为每个基站设计相应的储能设备，虽然设计起来会比较复杂、维护的成本也会较高。但是每个基站建立之后，设备的更新会变得相对容易，而最大的又是便是安全性较高，某个基站的储能设备出问题不会影响到整个电站的电能供应。

(四)电能的传输