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國外空間太陽能發(fā)電站系統(tǒng)及典型項(xiàng)目

軍工資源網(wǎng) 2022年05月18日

前言

全球能源緊張的大環(huán)境下，能源問題一直影響著世界各國的基本發(fā)展。縱觀全球能源現(xiàn)狀，隨著工業(yè)革命以來的大規(guī)模持續(xù)性開發(fā)利用，世界各國都面臨著能源衰竭的現(xiàn)實(shí)問題。按照目前的開采量與總儲(chǔ)量，悲觀的估計(jì)現(xiàn)有能源僅能供人類使用200年左右。因此，解決能源問題是各國亟待解決的重大問題。

在1968年，美國的Peter Glaser博士首次提出空間太陽能電站(SSPS)的構(gòu)想。該系統(tǒng)依靠太陽能發(fā)電衛(wèi)星(SPS)工作。該衛(wèi)星設(shè)計(jì)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過無線能量傳輸系統(tǒng)將能量送達(dá)地面。多年來，美國、日本和歐洲的一些國家已經(jīng)初步證實(shí)了該系統(tǒng)的可行性，但也均面臨著各項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。

空間太陽能發(fā)電站的構(gòu)成及工作原理

空間太陽能電站主要由太陽能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)化和發(fā)射裝置、地面接收和轉(zhuǎn)換裝置三部分組成。

太陽能發(fā)電裝置可將太陽能轉(zhuǎn)化為電能;能量轉(zhuǎn)化和發(fā)射裝置負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化為微波或激光等形式并將其向地面?zhèn)鬏?地面接收和轉(zhuǎn)換裝置接收空間發(fā)射來的能量并將其轉(zhuǎn)化為電能。整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程為：太陽能→電能→微波或激光→電能。

空間太陽能電站工作示意圖

空間太陽能電站優(yōu)勢(shì)

在地面利用太陽能，會(huì)受到季節(jié)、晝夜更替以及天氣等因素制約，利用率不高且功率不穩(wěn)定，同時(shí)容易受到陸地自然災(zāi)害的影響。而在太空中，太陽能十分充足且光線不易被大氣減弱，也不受季節(jié)、晝夜影響。一顆太陽能發(fā)電衛(wèi)星可以在99%的時(shí)間內(nèi)被照亮，且在春、秋季午夜時(shí)分每晚最多只有72分鐘處于地球的陰影中，其強(qiáng)度可穩(wěn)定在約1353W/m2。

另外，地面電站需設(shè)置在太陽能資源相對(duì)豐富的區(qū)域，選址具有局限性，產(chǎn)出的電能還需要通過電力系統(tǒng)輸送到主要用電區(qū)。而空間太陽能電站可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)傳輸，地面接收站可設(shè)置在用電量集中的地方，從而避免長距離輸電帶來的不便以及能量損耗。

除此之外，太陽能是目前最為清潔、穩(wěn)定的能源。發(fā)電時(shí)既不會(huì)產(chǎn)生碳排放，也不會(huì)產(chǎn)生其他廢料;與化石燃料不同，太陽能不受戰(zhàn)爭(zhēng)與供應(yīng)短缺而產(chǎn)生的能源價(jià)格波動(dòng)影響。

國外研究現(xiàn)狀

美國

2012年，在美國國家航空航天局(NASA)的支持下，約翰·曼金斯(JohnMankins)教授提出“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽能電站”(SPS-ALPHA)方案。與早期的SPS設(shè)計(jì)相比，SPS-ALPHA的獨(dú)特之處在于該系統(tǒng)由大批量生產(chǎn)的互鎖模塊構(gòu)成，這些模塊將由機(jī)器人在低地球軌道組裝。組裝完成后，它將使用自身的電能為離子太陽能電力推進(jìn)系統(tǒng)或軌道轉(zhuǎn)移飛行器提供動(dòng)力，將SPS轉(zhuǎn)移到地球同步軌道。該方案應(yīng)對(duì)空間太陽能發(fā)電的挑戰(zhàn)是新型的。如果成功，該項(xiàng)目將能夠使用數(shù)以萬計(jì)的小元件來構(gòu)建巨大的平臺(tái)，這些小元件可以使用無線電力傳輸，遠(yuǎn)程且經(jīng)濟(jì)地向地球提供電力。

SPS-ALPHA概念圖

2015 年，美國的諾思羅普·格魯曼公司投入1750萬美元，委托加州理工學(xué)院開展新型空間太陽能電站技術(shù)研究，提出一種名為“微波蠕蟲”(Microwave Swarm)的電站概念。其基本單元由薄膜聚光鏡、高效太陽能電池和發(fā)射天線組成，尺寸為10cm×10cm。多個(gè)基本單元組成1.5m寬的條帶組件。多個(gè)條帶組件按照太陽帆的模式折疊成一個(gè)60m×60m的基本航天器單元，最終由2500 個(gè)基本航天器單元形成一個(gè)3km×3km的GW級(jí)電站。

日本

從20世紀(jì)80年代起，日本就對(duì)SPS的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，陸續(xù)推出了SPS2000、SPS2001、SPS2002、SPS2003以及分布式繩系太陽能空間電站等概念設(shè)計(jì)。

“分布式繩系太陽能電站衛(wèi)星”(Tether SPS)是日本為了減小系統(tǒng)總重量與復(fù)雜性提出的方案。其基本單元由尺寸為100m×95m的單元板和衛(wèi)星平臺(tái)組成，單元板和衛(wèi)星平臺(tái)間采用4根10km的繩懸掛在一起。單元板是由太陽電池、微波發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線三者組成的夾層結(jié)構(gòu)板，共包含3800個(gè)模塊。每個(gè)單元板的總重約為42.5t，微波能量傳輸功率為2.1MW。整個(gè)系統(tǒng)由25塊子板組成，其子板由25塊單元板組成，可提供1.2GW的發(fā)射功率和0.75GW的地面接收功率。該方案大幅度減輕了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和重量，更有利于各部件組合。

繩系模型

2017年，日本提出了五個(gè)太陽能電站微波無線能量傳輸?shù)尿?yàn)證項(xiàng)目，主要分為地面驗(yàn)證和空間驗(yàn)證兩大階段：

1. 五十米級(jí)垂直方向微波無線能量傳輸(WPT)技術(shù)驗(yàn)證。

2. 千米級(jí)垂直方向微波無線能量傳輸技術(shù)驗(yàn)證。

3. 空間低軌道到地表微波無線能量傳輸技術(shù)驗(yàn)證。

4. 空間GEO到地表微波無線能量技術(shù)傳輸驗(yàn)證。

5.空間GEO三明治結(jié)構(gòu)單元的微波無線能量傳輸技術(shù)驗(yàn)證。

日本空間太陽能發(fā)展路線圖

英國

2018年5月，英國提出了CASSIOPeiA太陽能發(fā)電衛(wèi)星設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用類似于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，其特殊的異型曲面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)沒有旋轉(zhuǎn)(或以其他方式移動(dòng))部件，但其仍可持續(xù)接收光照，同時(shí)其微波發(fā)射天線也可引導(dǎo)持續(xù)對(duì)地進(jìn)行能力傳輸。系統(tǒng)質(zhì)量較輕，可以通過多種方式配置以提供不同功率。CASSIOPeiA 獨(dú)特的波束控制能力有助于從替代的、更近的軌道傳輸基本載荷，并且可以部署單個(gè)有效載荷且無需在軌組裝，大大降低了發(fā)射成本。

CASSIOPeiA 概念圖

歐洲

歐洲從1998年起開展了空間太陽能研究工作，并提出“太陽帆塔”的概念設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在地球靜止軌道運(yùn)行，采用可展開的新型結(jié)構(gòu)——太陽帆，以重力梯度的穩(wěn)定方式，使中央纜繩自動(dòng)保持垂直于地面，以保證末端的發(fā)射天線對(duì)準(zhǔn)地面。太陽電池陣由數(shù)百個(gè)尺寸為150m×150m的薄膜模塊組成，發(fā)射入軌后自動(dòng)展開，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過電推力器運(yùn)往地球同步軌道。

圖表：歐洲太陽帆塔的基本參數(shù)

韓國

韓國在2019年提出了名為“K-SSPS”的空間太陽能電站方案。該方案屬于傳統(tǒng)的非聚光電站方案，發(fā)電功率為2GW，采用第三代太陽能電池銅銦鎵硒為柔性電池陣，包括4000個(gè)可獨(dú)立的可卷繞式展開的太陽電池陣模塊。系統(tǒng)發(fā)射天線為邊長為1km的矩形，微波頻率為5.8GHz，接收天線直徑約為4km。整個(gè)系統(tǒng)將在近地軌道進(jìn)行組裝，之后利用電推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)降厍蜢o止軌道。在近地軌道，只有部分的太陽電池陣展開，負(fù)責(zé)為推進(jìn)系統(tǒng)供電。達(dá)到地球靜止軌道后，電池陣才會(huì)完全展開，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)開始工作。目前，該項(xiàng)目處于關(guān)鍵技術(shù)研究階段。

K-SSPS概念圖

關(guān)鍵技術(shù)及展望

空間運(yùn)輸技術(shù)

空間太陽能電站因體積較大，質(zhì)量是國際空間站的100倍，且需經(jīng)過多次發(fā)射到近地軌道組裝后才可以送往地球同步軌道，因此研制一種低成本的大型運(yùn)輸系統(tǒng)勢(shì)在必行。該系統(tǒng)需掌握兩種核心技術(shù)，即低成本大運(yùn)載近地運(yùn)載技術(shù)和高性能軌道推進(jìn)技術(shù)。

目前可供選擇的運(yùn)輸器如美國的宇宙神-2AS、歐洲的阿里安-5、日本的H-2A的運(yùn)載能力約為10t上下，而宇宙神-2AS與阿里安-5的發(fā)射成本都達(dá)到了1億美元以上，這對(duì)于萬噸級(jí)別的SPS來說成本花費(fèi)較高。因此，有必要發(fā)明一種成本合理、可以運(yùn)送更重材料的新型火箭。

太陽能發(fā)電技術(shù)

太陽能發(fā)電技術(shù)是影響整個(gè)空間太陽能電站系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要考慮光電轉(zhuǎn)化形式和熱電轉(zhuǎn)化形式兩種方式發(fā)電。太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)從未在空間中應(yīng)用，故不以此方式作為主要的候選方式。光伏發(fā)電技術(shù)成熟，是作為空間太陽能電站研究的主要選用方式。目前研發(fā)的重點(diǎn)是發(fā)展聚光太陽能電池和非聚光薄膜太陽能電池技術(shù)，綜合提高光電轉(zhuǎn)化效率，減輕產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

無線能量傳輸技術(shù)

無線能量傳輸技術(shù)作為空間太陽能電站的關(guān)鍵技術(shù)之一，其包括微波無線能量傳輸技術(shù)(MPT)與激光能量無線傳輸技術(shù)(LPT)。

微波無線能量傳輸技術(shù)能夠高效的在大氣中傳播，地面接收器每接收超過1GW的能量即可為一個(gè)大城市供電。微波無線能量衛(wèi)星成本較高，需要多達(dá)100次的發(fā)射組裝才可以在太空中使用。但其地面接收器直徑較大，衛(wèi)星與地球距離太遠(yuǎn)導(dǎo)致幾乎無法修復(fù)。

激光能量無線傳輸衛(wèi)星啟動(dòng)成本較低，重量較低也易于部署，可大大降低成本與風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)激光束能量集中在地面更易使用。但每顆激光衛(wèi)星的功率都相對(duì)較低，需要規(guī)?；拍墚a(chǎn)生發(fā)電效果，同時(shí)太空激光存在安全問題，例如會(huì)對(duì)人畜致盲或成為激光武器。激光在穿越大氣層時(shí)有能量損耗，在惡劣氣候條件下無法使用。

按照目前的技術(shù)發(fā)展情況，微波無線能量傳輸技術(shù)被認(rèn)為是較為成熟的技術(shù)，穩(wěn)定性與可行性高，能高效的在大氣中傳播，激光能量傳輸雖造價(jià)便宜且能量集中，但其難以穿越云層，故激光能量無線傳輸技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。

圖表：微波無線能量傳輸與激光無線能量傳輸?shù)谋容^

結(jié)語

空間太陽能電站作為新型清潔可持續(xù)能源系統(tǒng)對(duì)于解決未來能源危機(jī)以及環(huán)境污染問題巨有重要意義。此概念提出已超過50年，各國科研人員已經(jīng)證明了空間太陽能電站的可行性，但系統(tǒng)涉及宏偉的空間與地面工程，要實(shí)現(xiàn)成熟系統(tǒng)的應(yīng)用還需進(jìn)一步研發(fā)。因此對(duì)空間太陽能電站核心技術(shù)的持續(xù)研究與關(guān)注十分重要。

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國外空間太陽能發(fā)電站系統(tǒng)及典型項(xiàng)目

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