空間太陽能電站發(fā)展綜述與對構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)地影響

1、WORD格式空間太陽能電站開展綜述及對構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的影響能源和環(huán)境問題是關(guān)系到國家政治、經(jīng)濟和平安的重大戰(zhàn)略問題?？臻g太陽能電站作為一種能夠大規(guī)模穩(wěn)定利用太陽能的方式，日益受到世界主要航天大國的高度關(guān)注。 隨著空間技術(shù)和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的快速進步，空間太陽能電站有可能成為實現(xiàn)可再生能源戰(zhàn)略儲藏的重要手段。一、空間太陽能電站概述空間太陽能電站 SPS，也稱為太空發(fā)電站，是指在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能， 再通過無線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)圖1，也包括直接將太陽光反射到地面、在地面進展發(fā)電的系統(tǒng)。專業(yè)資料整理WORD格式圖 1空間太陽能電站示意圖專業(yè)資料整理WORD格式相對于地面太陽能光伏發(fā)

2、電， 空間太陽能發(fā)電具有明顯的效率優(yōu)勢。據(jù)中國空間技術(shù)研究院副院長、研究員李明介紹，由于太空的太陽輻射每平方米可以到達1353 瓦，是地面的5 倍以上，在地球同步軌道， 99%的時間可以承受太陽能輻射。如果在地球同步軌道上部署寬度為 1000 米的太陽能電池陣環(huán)帶， 以轉(zhuǎn)換效率 100%計算，從理論上說，其 1 年承受的太陽能輻射， 可以為地球可知開采石油儲能的能量總和。隨著世界能源供需矛盾和環(huán)境保護問題日益突出，國際上開展了廣泛的空間太陽能電站技術(shù)的研究，目前已經(jīng)提出了幾十種概念方案，并且在無線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)方面開展了重點研究。近年來，太陽能電池發(fā)電效率、微波轉(zhuǎn)化效率以及相關(guān)的空間技術(shù)取

3、得了很大進步，為未來空間太陽能電站的開展奠定了良好的根底。雖然空間太陽能電站沒有不可逾越的技術(shù)原理問題，但作為一個非常宏大的空間系統(tǒng)，其開展還存在許多核心技術(shù)難題，需要開展系統(tǒng)的研究工作， 以取得突破性進展。二、空間太陽能電站的最新進展2.1國外開展概況空間太陽能電站的應(yīng)用前景引起了國際上的廣泛關(guān)注，以美國、日本等為代表的多個國家對于空間太陽能電站開展了長期的研究工作。 21 世紀以來，越來越多的國家、組織、企業(yè)和個人都開場關(guān)注專業(yè)資料整理WORD格式空間太陽能這種取之不盡的巨大空間能源。1美國美國是在 SPS領(lǐng)域投入資金最多的國家，也是研究最長的國家，推出了眾多創(chuàng)新性的概念方案和技術(shù)，雖然未

4、列入正式的國家開展計劃，但得到了持續(xù)的關(guān)注和支持。20 世紀 70 年代末，美國能源部和美國航空航天局 ( NASA) 耗資5000 萬美元開展 SPS 系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)研究，完成第一個詳細的 SPS 方案 5GW 的 1979 參考系統(tǒng)。 1995 年， NASA 開場重新評估空間太陽能電站的可行性。 1999 年，NASA 投資 2200 萬美元開展了“空間太陽能發(fā)電的探索研究和技術(shù)方案( SERT)研究。該方案提出了空間太陽能電站的開展路線圖， 并提出了集成對稱聚光系統(tǒng)等新概念。2007 年，美國國防部發(fā)表了“空間太陽能電站作為戰(zhàn)略平安的機遇中期報告，引發(fā)了新一輪的空間太陽能電站的研究熱潮

5、。2021年，美國 PGE 公司宣布與 Solaren 公司簽署了正式購置200MW SPS 電力的協(xié)議，成為世界第一個SPS 購電協(xié)議。2日本日本是第一個將SPS正式列入國家航天方案的國家，提出了正式的開展路線圖圖2，得到了長期持續(xù)的關(guān)注和開展。雖然投入有限，但在無線能量傳輸?shù)阮I(lǐng)域處于世界先進水平。專業(yè)資料整理WORD格式圖 2 日本空間太陽能電站開展路線圖2021年從 20 世紀 80 年代起，日本就成立了特別委員會，組織數(shù)百名科學(xué)家參加了 15 個技術(shù)工作組，開場研究 SPS 概念方案和關(guān)鍵技術(shù)。2021年，日本宣布以三菱公司為主的集團將在2030 2040 年間建立世界第一個 GW 級

6、的商業(yè) SPS 系統(tǒng)，總投資額將超過200 億美元。根據(jù)2021年日本公布的最新開展路線圖，日本 SPS開展將分為3 個階段。第一階段 : 研究階段，2021年前2021年前完成 1kW 級地面無線能量傳輸試驗。 微波無線傳輸功率為 1. 6kW，傳輸距離 50m。激光無線傳輸功率為 1kW，傳輸距離500m。2021 年利用小衛(wèi)星或國際空間站 JEM 艙開展低軌無線能量傳輸驗證，微波無線能量傳輸功率為 kW 級。專業(yè)資料整理WORD格式第二階段 : 研發(fā)階段，2030 年前選擇無線能量傳輸方式，開展 100kW 系統(tǒng)驗證，預(yù)期地面接收能量為 10kW。研發(fā) 2 200MW 級系統(tǒng)。 2MW

7、系統(tǒng)為商業(yè)系統(tǒng)的一個完整的模塊單元 ( 2024 年) ，200MW 系統(tǒng)為商業(yè)系統(tǒng)的 1 /5 縮比模型 ( 2030 年前 ) ，為最終的驗證系統(tǒng)。第三階段 : 商業(yè)階段2035 年前后，實現(xiàn)1GW 的商業(yè)系統(tǒng)。根據(jù)2021年日本最新公布的航天根本方案，空間太陽能發(fā)電研究開發(fā)工程列入七大重點開展領(lǐng)域， 并且作為國家三個長期支持的重點研究領(lǐng)域之一 其它兩個為空間科學(xué)和深空探測領(lǐng)域、 載人空間活動領(lǐng)域。3其他國家歐空局、加拿大、俄羅斯等國及相關(guān)國際組織非常關(guān)注該領(lǐng)域的開展，提出一些新概念，并重點在無線能量傳輸、超輕大型空間構(gòu)造等先進技術(shù)方面開展研究工作。 2007 年，國際無線電科學(xué)聯(lián)盟URS

8、I正式發(fā)布“URSI空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星 SPS白皮書。2021年 10 月，國際宇航科學(xué)院組織的國際聯(lián)合工作組正式發(fā)表“空間太陽能電站第一次國際評估：機遇、問題及可能的開展途徑研究報告。2.2我國開展概況2006 年 7 月，中國航天科技集團公司組織進展了“空間太陽能電站開展必要性及概念研究研討。2021年，國防科工局啟動“我專業(yè)資料整理WORD格式國空間太陽能電站概念和開展思路研究工程的研究工作。 2021 年，由中國空間技術(shù)研究院王希季、 閔桂榮等七位院士牽頭開展中國科學(xué)院學(xué)部咨詢評議工程空間太陽能電站技術(shù)開展預(yù)測和對策研究。2021年，中國空間技術(shù)研究院組織召開首次“全國空間太陽能電站開

9、展技術(shù)研討會，多位院士和近百位專家參加。2021年 5 月，“空間太陽能電站開展的機遇與挑戰(zhàn) 香山科學(xué)會議召開， 多個領(lǐng)域的專家研討了開展空間太陽能電站的重大科學(xué)問題和開展建議。 國際上也非常關(guān)注中國在此領(lǐng)域的開展。 利用國際會議和交流時機， 我國與美國、日本、歐洲和俄羅斯的專家開展了廣泛深入的技術(shù)研討。2021年，國際宇航大會在召開，中國專家應(yīng)邀作了“ 21 世紀人類的能源革命空間太陽能發(fā)電 的空間發(fā)電分會主旨發(fā)言， 葛昌純院士作為特邀專家代表中國參加空間太陽能發(fā)電論壇。在相關(guān)研究的根底上， “十二五期間，在國防科工局等的支持下，國內(nèi)有更多的研究團隊開展了相關(guān)研究工作。 包括中國航天科技集團

10、公司、中國工程物理研究院、*電子科技大學(xué)、*大學(xué)、*大學(xué)、理工大學(xué)、*工業(yè)大學(xué)、科技大學(xué)和中科院*光機所等單位，開展了空間太陽能電站系統(tǒng)方案和多項與空間太陽能電站相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究工作。 在中國航天科技集團公司原總經(jīng)理馬興瑞指示下，中國空間技術(shù)研究院于2021年 6 月論證形成"系統(tǒng)謀劃，加快推進中國空間太陽能電站領(lǐng)域開展"的研究報告，提出了我國 SPS開展路線初步建議。2021年，楊士中院士和段寶巖院士向國家建議開展太空發(fā)電站關(guān)鍵技術(shù)研究， 引起了相關(guān)部門的重視， 正專業(yè)資料整理WORD格式在組織開展其開展論證工作。今年 3 月 6 日，國航天科技集團五院載人飛船系統(tǒng)總設(shè)

11、計師X柏楠在全國兩會期間向記者透露，五院“錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室團隊已開展太陽能電站具體研究工作，目前正處于研究試驗階段。三、空間太陽能電站關(guān)鍵技術(shù)與類型通過對十幾種空間太陽能電站概念進展分析和比較，可從運行軌道、構(gòu)型、無線能量傳輸方式、發(fā)電方式、電源管理等幾個主要方面對于空間太陽能電站進展分類(表 1) ?？臻g太陽能電站概念的開展重點是以輕型化、模塊化等為目標，重點解決系統(tǒng)的控制、大功率電力管理、散熱等難題。表 1空間太陽能電站概念的比較3.1運行軌道空間太陽能電站可能的運行軌道包括: LEO( 低地球軌道) 、GEO( 地球靜止軌道 ) 、SSO( 太陽同步軌道 ) 、L1( 太陽 -地球第

12、一拉專業(yè)資料整理WORD格式格朗日點 ) 、月球及行星環(huán)繞軌道等。低地球軌道的優(yōu)點是軌道高度較低、發(fā)射或接收天線面積較小、運輸本錢較低、可利用空間站進展組裝維護; 缺點是每個軌道內(nèi)需經(jīng)歷較大的陰影期，無法實現(xiàn)連續(xù)供電，地面需多個接收站與之配合，運行控制和姿態(tài)軌道維持較為復(fù)雜。低地球軌道較適于小型試驗系統(tǒng)。太陽同步軌道可較好地保持太陽電池陣的對日定向和發(fā)射天線的對地球定向，全年的大局部時間均可連續(xù)工作 ; 缺點是地面需要非常多的接收站與之配合，才能實現(xiàn)連續(xù)供電，控制非常復(fù)雜。地球同步軌道是空間太陽能電站的最正確運行軌道， 可以很好地實現(xiàn)與地面接收站間的定點傳輸， 易于實現(xiàn)太陽電池陣的對日定向和發(fā)

13、射天線的對地定向，全年的大局部時間均可連續(xù)工作 ; 缺點是軌道高度高、距離地球遠，因此發(fā)射天線和接收天線面積大、運輸本錢高、維護困難。日地 L1 點軌道作為日地第一平動點，僅需很小的姿態(tài)控制即可實現(xiàn)太陽電池陣的對日定向和發(fā)射天線的對地球定向 ; 缺點是距離地球遠 ( 約 150 萬 km) ，發(fā)射天線面積大、 運輸本錢高、維護困難，且地面需多個接收站與之配合。月球及行星環(huán)繞軌道主要用于月球和行星 ( 火星 ) 探索的供電。目前已提出基于行星環(huán)繞軌道的供電方案， 為行星外表移動目標、 極地陰影區(qū)探測器和行星基地供電。國際上也提出了利用月球外表建立月球空間太陽能電站的設(shè)想。從目前的軌道分析， 大規(guī)

14、模能源利用最優(yōu)的空間太陽能電站運行軌道專業(yè)資料整理WORD格式為 GEO 軌道，但空間太陽能電站構(gòu)建的關(guān)鍵在軌組裝過程，應(yīng)從運載能力和裝配能力角度考慮 LEO 和 GEO 兩種軌道。3. 2 構(gòu)造型式空間太陽能電站從構(gòu)型角度可分為兩大類 : 一類是聚光空間太陽能電站概念， 保持聚光器對日定向， 并利用聚光器改變太陽光的方向，入射到太陽電池陣上 ; 另一類是非聚光空間太陽能電站概念，利用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)保持太陽電池陣列對太陽指向或不對太陽定向。非聚光空間太陽能電站的代表為 1979 SPS 基準系統(tǒng)。系統(tǒng)配置相對簡單，易于擴展功率水平，但也存在一些難題，特別是高功率傳輸和電源管理的挑戰(zhàn)。其主要技術(shù)特點包

15、括 : 構(gòu)型簡單，太陽電池陣適合采用較輕的薄膜太陽電池 ; 通過增加太陽電池陣列模塊可輕松實現(xiàn)功率的擴展 ; 需采用高功率旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，維持太陽電池陣指向太陽 ; 將電能從太陽電池陣傳輸?shù)轿⒉ㄆ骷?，需大量的輸電電纜進展遠距離、大功率的電力傳輸，會產(chǎn)生較大的功率損耗。聚光空間太陽能電站是空間太陽能電站開展的新方向， 典型代表為最新提出的聚光系統(tǒng)方案。主要技術(shù)特點包括 : 采用聚光系統(tǒng)確保發(fā)射天線對地球定向的同時，入射太陽光可反射到太陽電池外表 ; 消除了高功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)機構(gòu) ; 采用高效率聚光電池，減小電池陣的面積 ; 采用夾層構(gòu)造很好地解決了長距離電力傳輸問題 ; 由于增加了聚光系統(tǒng)， 通常包括主聚

16、光器和二級聚光器以及支撐構(gòu)造， 構(gòu)型和控制變得非常復(fù)雜，系統(tǒng)規(guī)模很難擴展 ; 在高聚光比情況下系專業(yè)資料整理WORD格式統(tǒng)散熱將成為一個重要問題，需采用高溫部件。3. 3 太陽能發(fā)電技術(shù)太陽能發(fā)電技術(shù)是影響空間太陽能電站整個系統(tǒng)的效率、尺寸、重量和截面積的主要因素， 重點是要提高發(fā)電效率、 比功率和增加壽命 ( 30a 以上 ) 。主要考慮太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)兩種方式。 太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)從未在空間中應(yīng)用， 故不以此作為主要候選方式。光伏發(fā)電技術(shù)成熟，在空間應(yīng)用超過 50a，隨著太陽電池效率的逐步提高， 光伏發(fā)電系統(tǒng)成為空間太陽能電站研究的主要選用方式?？臻g太陽能發(fā)電系統(tǒng)

17、追求較高的光電轉(zhuǎn)化效率和較高的功率 / 質(zhì)量比。而對于不同的空間太陽能電站概念方案， 需選取不同的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，分析多種 SPS 概念認為可主要選擇兩種光伏電池，一是適用于非聚光空間太陽能電站系統(tǒng)的薄膜太陽電池，其質(zhì)量輕、本錢低，但效率低，導(dǎo)致電池陣面積較大，目前的重點研究方向為適應(yīng)空間環(huán)境的銅銦鎵硒薄膜電池 ; 另一種是適用于聚光空間太陽能電站系統(tǒng)的聚光太陽電池，其效率較高，所需的太陽電池面積較小，可采用具有高效率的聚光多結(jié)砷化鎵太陽電池， 國際上的應(yīng)用目標是光電轉(zhuǎn)換效率到達 45%以上，本錢可降至目前的一半。 對于聚光太陽電池的應(yīng)用，難題在于需要和高性能的聚光和散熱系統(tǒng)， 且保持器件

18、在高溫下的性能。專業(yè)資料整理WORD格式3. 4 無線能量傳輸技術(shù)無線能量傳輸技術(shù)是空間太陽能電站的技術(shù)根底。主要包括兩種技術(shù)，即微波無線能量傳輸技術(shù)( MPT) 和激光無線能量傳輸技術(shù)( LPT) ，兩種技術(shù)的比照詳見表2。表 2無線能量傳輸技術(shù)的比較微波無線能量傳輸是指從空間到地面利用微波的方式進展能量傳輸。為了使微波能更高效地在大氣中傳輸，一般使用不受云、雨等氣象條件影響的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療( ISM) 頻帶2. 45GHz 或5.8GHz( 波長 0. 12m 或 0. 05m) 的微波頻率。激光無線能量傳輸是指將太陽光直接泵浦激光或太陽光發(fā)電后再轉(zhuǎn)化成的激光傳輸?shù)降孛妫霉怆娹D(zhuǎn)換裝置

19、將接收到的激光轉(zhuǎn)換為電力或直接分解海水制造氫氣。微波傳輸和激光傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別在于波長的不同，它們之間有約5 個數(shù)量級的差異， 這決定了兩者的主要差異。 微波無線能量傳輸技專業(yè)資料整理WORD格式術(shù)具有較高的轉(zhuǎn)化傳輸效率， 最大的優(yōu)勢是大氣、 云層穿透性好且平安性較好，但其波束寬、天線尺寸較大。激光無線能量傳輸技術(shù)效率較低，受天氣影響大，存在較大的平安隱患， 但靈活性更強、波束窄，更適合于空間目標間的無線能量傳輸。微波無線能量傳輸技術(shù)被認為是較為成熟的技術(shù)，可行性更高，是空間太陽能電站研究的重點。 激光無線能量傳輸技術(shù)由于其在靈活供電和直接制氫方面的優(yōu)勢， 也被認為是一個重要的候選方案， 需合理

20、選擇頻率來減小大氣損耗。3. 5 電源管理與分配技術(shù)作為一個空間的超大功率系統(tǒng)， 空間太陽能電站的電源管理和分配技術(shù) ( PMAD) 是最重要的技術(shù)之一?；诓煌母拍罘桨?，空間太陽能電站的電源管理和分配方式總體分為兩類，集中式 PMAD 和分布式 PMAD。集中式PMAD 是指由太陽電池陣發(fā)出的電能需集中到一個連接點 ( 如高功率旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖 3) ，然后集中的電能根據(jù)需求進展變換并分配到微波裝置， 該技術(shù)適合于非聚光空間太陽能電站概念。 采取集中式 PMAD 的空間太陽能電站概念包括 1979 年參考系統(tǒng)、 太陽塔、太陽盤等。專業(yè)資料整理WORD格式圖 3集中式電源管理與分配方式集中式P

21、MAD 的優(yōu)點是通過大功率旋轉(zhuǎn)機構(gòu)集中供電，便于實現(xiàn)太陽電池陣的對日定向，可保證整個系統(tǒng)較高的效率; 太陽電池陣的面積可根據(jù)系統(tǒng)需求擴大，易于實現(xiàn)大功率空間太陽能電站系統(tǒng)，較適合采用較輕的、 較低本錢的薄膜式太陽電池， 便于提供從 LEO 到GEO 軌道運輸所需的大功率電能。其缺點是超大功率( GW 級) 的空間旋轉(zhuǎn)機構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)難度極大。由于太陽陣面積極大， 將太陽電池陣的電力傳輸?shù)叫D(zhuǎn)機構(gòu)需遠距離的傳輸導(dǎo)線，電力損耗大，所需導(dǎo)線較重，可考慮采用超導(dǎo)傳輸方式。分布式 PMAD 是指由太陽電池陣產(chǎn)生的電能無需集中到一起，每個發(fā)電子陣產(chǎn)生的電能可直接進展變換并分配到對應(yīng)的微波器件模塊圖 4，主要用

22、于*治構(gòu)造， 適合于聚光空間太陽能電站概念。采用分布式 PMAD 的 SPS 概念包括 SPS2001、集成對稱聚光系統(tǒng)等。專業(yè)資料整理WORD格式圖 4分布式電源管理與分配方式分布式PMAD 的優(yōu)點是無需采用大功率旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，解決了空間太陽能電站最大的技術(shù)難題之一;采用分布式供電，防止了單點失效，可提高整個系統(tǒng)的可靠性; 太陽電池陣發(fā)出的電能經(jīng)很短的距離即可實現(xiàn)電力調(diào)節(jié)和為微波裝置供電， 電力損耗小，所需導(dǎo)線大大減少。其缺點是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高效率， 必須采用聚光系統(tǒng)，系統(tǒng)控制復(fù)雜，難以提供 LEO 到 GEO 軌道運輸所需的大功率電能; 太陽電池陣的面積受發(fā)射天線面積限制，系統(tǒng)功率的擴展很難。

23、四、空間太陽能電站面臨的挑戰(zhàn)目前建立空間太陽能電站首先是技術(shù)難題 。空間太陽能電站是一個巨大的工程，對于現(xiàn)有的航天器技術(shù)提出了很大挑戰(zhàn)：規(guī)模大，質(zhì)量到達萬噸以上， 比目前的衛(wèi)星高出4 個數(shù)量級，需要采用新材料和新型運載技術(shù)； 面積到達數(shù)平方公里以上， 比目前的衛(wèi)星高出6 個數(shù)量級，需要采用特殊的構(gòu)造、空間組裝和姿態(tài)控制技術(shù)；功率大，發(fā)電功率為吉瓦， 比目前的衛(wèi)星高出6 個數(shù)量級，需要特別的電源管理和熱控技術(shù)；壽命長，至少到達30 年以上，比目前的衛(wèi)星高出一倍專業(yè)資料整理WORD格式以上，需要新材料和在軌維護技術(shù)；效率高，需要先進的空間太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)和微波轉(zhuǎn)化傳輸技術(shù)。以 1G 瓦100 萬千瓦的空