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Central South University
空间太阳能的研究
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2013年03月9日 星期六
空间太阳能电站及无线能量传输
摘要：空间太阳能电站是一项非常庞大的系统工程，几乎牵涉到各个技术行业。它能为人类社会提供源源不断的能源，从而彻底解决能源问题。而无线能量传输技术是空间太阳能电站的主要关键技术，亟待突破。
关键词：空间太阳能电站，无线能量传输技术，能量
Abstract：Space solar power stations is a very huge system engineering, involving almost every industry.It can provide a steady stream of energy for human society, so as to thoroughly solve the energy problem.The wirele energy transmiion technology is the main key of space solar power technology,and it needs to break through.Key words: Space solar power station Wirele energy transfer technology energy 0.引言
随着人类社会的快速发展，人类所面临的能源问题和环境问题越来越突出，地球矿物资源的大量开采与消耗, 使石油、煤炭等资源日趋短缺，据估计包括化石能源在内的所有能源储量仅能够人类使用100～200年左右。目前全球原油年消耗量约为35亿吨，而亚洲的原油尤其是中国的年消耗量正在激增中。在今后25年中，全球原油平均每年消耗将达50亿吨，足以把现已探明的全部储量耗尽。中国人均能源消耗约为世界人均能源消耗的1/2,为发达国家的1/10，为美国的1/13,比其他任何国家更快遇到能源短缺问题。我国如不及早地开展从根本上解决能源问题的研究 能源危机将会严重制约我国经济的发展，甚至威胁到国家的安全。另外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；再者世界经济的迅速发展,对能源的需求越来越大。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。
而对于其他类型的能源如风能、潮汐能、水电能、地面太阳能、地热能等都由于各种各样的限制而无法为人类提供全面的能源需求，而剩下的可供选择的就只有核聚变能和空间太阳能，而核聚变能在50年能否实现商业化还是一个问题，而空间太阳能电站在20～30年内有可能实现商业化，且大气层外没有云层、雾、尘埃等，太阳光线不会被减弱，强度是地面上的7～15倍。且太阳光的辐射能量十分稳定，在静止轨道上建设的太阳能电站1年中99%的时间是白天，其利用效率比在地面上高出6～15倍。所以，太阳能空间站的使用将极大缓解人类社会的能源紧张局面。空间太阳能的概念及发展现状
1.1 空间太阳能概念的提出
1968年，美国的Peter Glaser博士提出了太阳能发电卫星（Solar Power Satellite，简称SPS）。其基本构想是在地球外层空间建立太阳能发电卫星基地，利用取之不尽的太阳能来发电，然后通过微波将电能送到地面的接收（天线）装置，再将所接收的微波能束转变成电能供人类使用。空间太阳能发电系统基本由三部分组成：太阳能发电装置、能量的转换和发射装置以及地面接收和转换装置。
太阳能发电装置将太阳能转化成为电能；能量转换装置将电能转换成微波或激光，并利用天线向地面发送能量；地面接收系统利用地面天线接收空间发射来的能量，通过转换装置把其转换成为电能供人类使用。整个过程经历了太阳能一电能一微波一电能的能量或者太阳能一激光一电能转变过程。
1.2 空间太阳能的发展现状
1.21国外空间太阳能的发展现状
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。
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。
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。1.22 国内空间太阳能的发展现状
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。
2.1 1979 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。
图2 集成对称聚光系统
2.3 日本空间太阳能电站方案概念
日本在空间太阳能电站研究中提出了多种方案，主要包括SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式绳系太阳能电站卫星概念等(见图3)。
其中SPS2001采用了聚光系统，并且创新性的提出将太阳电池、微.波转换装置和发射天线集成为夹层结构，大大简化了结构设计和空间装配的难度，但散热问题
极难解决。在SPS2002方案中，改进了SPS2001的夹层结构，将太阳电池、发射天线布置在同一面，另一面作为热辐射器，可以大大改善热控的效果，但给能量转化效率和电池兼容性带来一定问题。SPS2003方案是在SPS2002方案的基础上，在辐射面后面增加了太阳屏，更加有利于系统的散热。SPS2003的另一个重要特点是各部件将采用编队飞行的方式保持相对位置稳定，是一个真正的分布式系统。分布式绳系太阳能电站卫星概念减小了单个模块的复杂性和重量，更有利于系统的构建和组合。其基本单元由尺寸为100m×95m的单元板和卫星平台组成，单元板为太阳电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板。每个单元板的总重约为42．5t，微波能量传输功率为2．1MW，单元板和卫星平台间采用4根2-10km的绳系悬挂在一起。由25块单元板组成子板，25块子板组成整个系统。
2.4 太阳帆塔
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，提出了太阳帆塔概念，主要参数见表2。表2 欧洲太阳帆塔基本概念
该方案设计基础是基于美国提出的太阳塔概念，但采用丁许多新技术，主要是采用了可展开的轻型结构——太阳帆，可以大大降低系统的总重量、减小系统的装配难度。每一块太阳帆电池阵为一个模块，尺寸为150m×150m，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器运往地球同步轨道。
3.空间太阳能电站的关键技术
3.1 低成本、高效率、强抗辐射的光电能量转换
需要发展聚光太阳电池和薄膜太阳电池，以减轻产品质量，增强抗辐射能力，降低生产成本。
3.2 低成本的地面与轨道间的运输
运输成本与每次发射的有效载荷包装的大小有关。大包装（80t）有利于减少发射和太空组装次数，但需研制重型运载器；小包装（20t左右）则可利用成熟的运载器或运输系统，节省成本，但运输和空间组装次数相应增加。当前使用的运载火箭和航天飞机的发射成本仍然居高不下，平均在20000美元/Kg以上，应尽量使之降到400美元/美元以下。空间太阳能电站体积大、重量大，需要多次发射到近地轨道(LEO)进行组装，再送往地球同步轨道(GEO)。冈此，空间太阳能电站系统需要两类空间运输技术：低成本大运载近地运载器，高性能轨道问推进系统。目前最大的运载火箭包括美国的土星五号和俄罗斯的能源号运载火箭，近地轨道运载能力超过100t。而目前广泛使用的商用运载火箭，包括“德尔塔”、“质子”、“阿里亚娜”和“长征”等，近地轨道运载能力从11．2—25．0t不等。为了节约成本，有必要发展大刑的可重复使用的运载丁具。高比冲、长寿命的电推进系统是空间太阳能电站最有前途的空间轨道转移推进方式。美国已经研制50kW霍尔电推力器，需要进一步研究大推力的电推进系统，以适应空间太阳能发电站的需求。
空间太阳电站的太阳能发电考虑两种形式，即光电转化形式和热电转化形式。上世纪90年代，考虑到热电转换的较高效率，在空间站的电源系统设计中曾对空间太阳能热动力系统进行了广泛研究。随着光电转化技术的进步，其较高的效率(已经成熟的空间太阳能电池的效率接近30％)和高可靠性使得空间太阳能电站的太阳能发电更多的立足于光电转化。目前。从空间太阳能电站的需求来看，为了提高系统的效率，降低系统的质量，研究重点是发展聚光太阳电池和薄膜太阳电池技术，以提高能量转换效率，减轻产品重量，并需要进一步增强抗辐射等
空间环境适应能力，降低生产成本。其中聚光太阳电池最为看好，也是目前空间太阳能电站系统较多采用的方案。图4为美国的SERT计划给出的与空间太阳能电站发展目标相对应的太阳能发电技术目标。
图4 太阳能发电技术目标
3.3 无线能量传输技术
无线能量传输技术是空间太阳能电站最关键的技术。无线能量传输主要有微波和激光两种，激光穿过大气时损耗太大，故目前主要考虑用微波。首先，要提高微波发生器将电流转化为微波的效率，提高地面硅整流二极管的接受和转化效率，以及其它微波器件的效率。其次，要解决微波波速的生成和指向控制技术。第三，要确定微波频率的选择。无线能量传输技术是空间太阳能电站的主要关键技术，在空间将太刚能转换成电能后，进一步转换为微波或激光，通过WPT传输到地面，再通过微波或激光接收装置转换回电能。目前来看，微波无线能量传输技术相对更为可行。1964年，一个2．4kg重的无线电力传输直升飞机进行了验证，接收功率达到270W，飞行高度为15m。1975年，更大功率的微波电力传输试验在美国的JPL试验成功，传输距离达到1．6km，接收功率达到30kW，接收端的直流转化效率达到0．84。13本已进行了几次空间微波电力传输试验，主要研究微波
波束在空间等离子体环境下的相瓦作用。激光传输能量集中，所需的接收设备小，造价便宜，且可以直接转化为氢等存储起来。但是，激光穿过大气层时，有能量损耗，在恶劣气候条件下不能使用，而且大功率的激光技术目前还有许多难点，需要进一步研究才能应用。日前无线能量传输技术研究的重点是大功率、高效率、长寿命的能量转化器件技术，这对于降低系统的质量、减小热控等的复杂性都非常重要。
3.4空间技术
1)空间组装、维护和维修技术
空间太阳能电站系统体积和重量巨大，需在近地轨道进行空间装配，而且系统在轨工作寿命达30～40年，在全任务周期内，面临着大量空间碎片和微流星体等的威胁，此外由于空间太阳能电站运行时问长，其携带的燃料有限，需要进行在轨加注，维护任务需求很大，需要研究结构和部件模块自主组装技术、空间无人维护和维修技术。2006年1月22 13，日本成功发射了Furoshiki卫星，多个卫星在空间释放后，相互展开形成天线网格，之后整个系统旋转，以保证天线网格的张力。天线网格搭建完毕后，机器人就可以在网格上工作以建造相控阵天线。主要验证新型自主空间展开天线和空间机器人技术。
2)姿态控制及波束指向控制技术
空间太阳能电站的面积将达到几十平方公里，在运行过程中，既要保证太阳电池阵尽可能对日定向，又要保证微波波束与地面接收天线精确定向，给系统的姿态控制和波束指向控制带来很大的难题。特别是波束指向控制技术对于空间太阳能电站的安全有效运行极其重要。
3)热控材料及热控技术
空间太阳能电站中的光、电、微波能量转换过程中所产生的热量排散是方案设计中的主要技术难题之一，而适合的工作温度又是保证系统长期正常工作的必要条件，采用合理的热控方案和热控材料对于提高系统可靠性、降低系统质量具有重要意义。
4)空间电力管理与输送技术
空间太阳能电站的输出功率达到GW级，其电流十分强大，如果采用常规技术，需要大量的电缆、绝缘材料和散热材料，严重影响到空间太阳能电站的重量和成本。需研制高温超导输电电缆、长寿命高可靠制冷器、高效直流变换器及新型的绝缘、散热材料等。
5)轻型、长寿命的结构及其部件
空间太阳能电站的体积巨大，工作寿命长达30年以上，为降低发射成本，需研制超轻型的展开式结构、充气膨胀结构和创新的多功能结构以及耐空间辐射环境的轻型复合材料。
6）太空自主组装及机器人
未来在太空建造太阳电站时，简单的、规范化的组装任务由结构和部件模块自主完成，复杂的组装、维修和服务任务由机器人辅助完成。要在航天飞机和国际空间站遥控操作臂的基础上，发展遥控机器人，继而研究6自由度的机器人。
7）结构与部件的高度模块化和批量生产
太阳电站的结构与部件需制作成大小适中，具有高包装效率的模块，使其能用成熟的运载器或运输系统发射，便于在太空自主装配、在轨维修和更换。
8）微波传输能量的分析
目前来看，微波无线能量传输技术相对更为可行。1964年，一个2.4kg重的无线电力传输直升飞机进行了验证，接收功率达到270w，飞行高度为15m。1975年，更大功率的微波电力传输试验在美国的JPL试验成功，传输距离达到1.6km，接收功率达到30kw，接收端的直流转化效率达到0.84。日本已进行了几次空间微波电力传输试验，主要研究微波波束在空间等离子体环境下的相互作用。在地球大气层外，太阳在单位时间内投射到日地平均距离处，且垂直于射线方向地单位面积上地全部辐射能，叫做太阳常数。美国宇航局标准取太阳常数为135.3mW／cm2。美国的“参考系统”太阳能空间发电卫星设计位于地球同步轨道，发射时的能量密度为23mW／cm2；日本设计的SPS2000位于低轨道，发射时能量密度为57.4ｍW／cm2，到达地面时的能量密度为0.9ｍW／cm2。目前国际上关于微波使用的安全性标准：美国和西欧为10mW／cm2；日本为5ｍW／cm2。所以传输电能的微波不会对地球表面生物造成伤害。同时，SPS不会引起致命的病变，在这方面也不会有大规模杀伤性。这也就意味着，“作为武器，水枪比SPS更有效。”Mo认SPS“微波光束列始终在接收站的绝对控制下，稍稍偏离天线的精
确轨道，就会迅速关闭。并且，最重要的是，接触微波能并不会致命。它不象激光那样具有热‘攻击性’，也不象X光辐射那样离子化
微波的频率为2.45GHz或5.8GHz，这是分配给工业，科学和医疗使用的频率，不会对通讯造成影响。但是空间太阳能发电卫星发出的微波束穿过电离层和大气层到达地面时，大功率微波将与空间等离子体、大气粒子相互作用，在波束通过的区域和临近区域引起一些变化，如电子被加热，电离度增大，激励产生等离子体波等；同时微波束的特性也将被改变。这些问题需要研究和实验。
激光传输能量的分析：激光方向性强、能量集中，所需的接收设备小，造价便宜，且可以直接转化为氢等存储起来。利用激光可以携带大量的能量，可以用较小的发射功率实现较远距离的输电。有关研究选择激光的优势在于。所需的传输和接收设备是微波所需的1/10。不存在干扰通信卫星的风险--使用微波却存在这种问题。不足点之一是障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换。在恶劣气候条件下不能使用，使用激光不能像微波那样穿过云层能量会在中途丧失一半。用激光传输能量整个过程首先在太空中把太阳光直接泵浦成激光，或先把太阳光转换为电能再转换成激光。第二步，把激光发射回地面。第三步，把激光转换成电能或直接转化为氢等存储起来。
一些国家开展了太阳能直接泵浦固体激光器的研究，包括美国、日本、以色列、中国等，但是转换效率都很低，远远未达到商业化应用阶段。
4、总结以及个人看法
（1）我国以及世界的能源现状表明，发展空间太阳能电站是解决未来的能源需求，优化能源结构的合理选择。
（2）太阳能空间电站有巨大开发价值，但在关键技术上需进行重点攻关，加快发展载人航天及空间站技术和无线能量传输技术。
（3）如果从现在起开展空间电站各种相关技术的准备工作，可能在20年左右 时间内实现太阳能空间站的商业化。
（4）在研究外太空的太阳能利用，全国甚至全世界的科研机构应该团结协作，尽快把关键技术弄好，以解决全球的能源问题。
