空间太阳能电站发展综述及对构建全球能源互联网的影响Word文档下载推荐.docx

1、1 国外发展概况空间太阳能电站得应用前景引起了国际上得广泛关注,以美国、日本等为代表得多个国家对于空间太阳能电站开展了长期得研究工作。21世纪以来,越来越多得国家、组织、企业与个人都开始关注空间太阳能这种取之不尽得巨大空间能源。（）美国美国就是在SPS领域投入资金最多得国家,也就是研究最长得国家,推出了众多创新性得概念方案与技术,虽然未列入正式得国家发展计划,但得到了持续得关注与支持、0 世纪70年代末,美国能源部与美国航空航天局（ NASA） 耗资500万美元开展PS 系统与关键技术研究,完成第一个详细得SPS 方案5W得179 参考系统。995 年,NSA 开始重新评估空间太阳能电站得可行

2、性。1999 年,NASA 投资2万美元开展了“空间太阳能发电得探索研究与技术计划（ERT）”研究。该计划提出了空间太阳能电站得发展路线图,并提出了集成对称聚光系统等新概念。2007 年,美国国防部发表了“空间太阳能电站作为战略安全得机遇中期报告,引发了新一轮得空间太阳能电站得研究热潮。2009年,美国PG&E 公司宣布与Slen 公司签署了正式购买0WSPS 电力得协议,成为世界第一个SPS 购电协议。（）日本日本就是第一个将S正式列入国家航天计划得国家,提出了正式得发展路线图（图2）,得到了长期持续得关注与发展。虽然投入有限,但在无线能量传输等领域处于世界先进水平。图2 日本空间太阳能电站

3、发展路线图（2011年）从20 世纪8 年代起,日本就成立了特别委员会,组织数百名科学家参加了15 个技术工作组,开始研究PS 概念方案与关键技术。209 年,日本宣布以三菱公司为主得集团将在2030 200 年间建设世界第一个GW级得商业SPS系统,总投资额将超过200 亿美元。根据201 年日本公布得最新发展路线图,日本SPS 发展将分为3 个阶段。第一阶段: 研究阶段, 2020 年前12 年前完成1k 级地面无线能量传输试验、微波无线传输功率为1、6W,传输距离0、激光无线传输功率为1k,传输距离500。2015年利用小卫星或国际空间站JEM 舱开展低轨无线能量传输验证,微波无线能量传

4、输功率为kW 级。第二阶段: 研发阶段, 20 年前选择无线能量传输方式,开展0k 系统验证,预期地面接收能量为1kW、研发2 0MW级系统。2M系统为商业系统得一个完整得模块单元（ 2024 年）,20MW 系统为商业系统得1 / 缩比模型（ 203年前） ,为最终得验证系统、第三阶段: 商业阶段2035 年前后,实现1GW 得商业系统、根据203年日本最新公布得航天基本计划,空间太阳能发电研究开发项目列入七大重点发展领域,并且作为国家三个长期支持得重点研究领域之一（其它两个为空间科学与深空探测领域、载人空间活动领域）、（3）其她国家欧空局、加拿大、俄罗斯等国及相关国际组织非常关注该领域得发

5、展,提出一些新概念,并重点在无线能量传输、超轻大型空间结构等先进技术方面开展研究工作。200年,国际无线电科学联盟（URI）正式发布“URS空间太阳能发电卫星（PS）白皮书”。2011年0月,国际宇航科学院组织得国际联合工作组正式发表“空间太阳能电站-第一次国际评估:机遇、问题及可能得发展途径”研究报告。2、 我国发展概况206年7月,中国航天科技集团公司组织进行了“空间太阳能电站发展必要性及概念研究”研讨。008年,国防科工局启动“我国空间太阳能电站概念与发展思路研究”项目得研究工作。201年,由中国空间技术研究院王希季、闵桂荣等七位院士牵头开展中国科学院学部咨询评议项目-空间太阳能电站技术

6、发展预测与对策研究、2010年,中国空间技术研究院组织召开首次“全国空间太阳能电站发展技术研讨会”,多位院士与近百位专家参加。24年5月,“空间太阳能电站发展得机遇与挑战”香山科学会议召开,多个领域得专家研讨了发展空间太阳能电站得重大科学问题与发展建议。国际上也非常关注中国在此领域得发展。利用国际会议与交流机会,我国与美国、日本、欧洲与俄罗斯得专家开展了广泛深入得技术研讨。201年,国际宇航大会在北京召开,中国专家应邀作了“2世纪人类得能源革命-空间太阳能发电得空间发电分会主旨发言,葛昌纯院士作为特邀专家代表中国参加空间太阳能发电论坛。在相关研究得基础上,“十二五期间,在国防科工局等得支持下,

7、国内有更多得研究团队开展了相关研究工作、包括中国航天科技集团公司、中国工程物理研究院、西安电子科技大学、重庆大学、四川大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学与中科院长春光机所等单位,开展了空间太阳能电站系统方案与多项与空间太阳能电站相关得关键技术研究工作、在中国航天科技集团公司原总经理马兴瑞指示下,中国空间技术研究院于203年月论证形成系统谋划,加快推进中国空间太阳能电站领域发展得研究报告,提出了我国SS发展路线初步建议。0年,杨士中院士与段宝岩院士向国家建议开展太空发电站关键技术研究,引起了相关部门得重视,正在组织开展其发展论证工作。今年3月日,国航天科技集团五院载人飞船系统总设计

8、师张柏楠在全国两会期间向记者透露,五院“钱学森空间技术实验室”团队已开展太阳能电站具体研究工作,目前正处于研究试验阶段、三、空间太阳能电站关键技术与类型通过对十几种空间太阳能电站概念进行分析与比较,可从运行轨道、构型、无线能量传输方式、发电方式、电源管理等几个主要方面对于空间太阳能电站进行分类（表1） 。空间太阳能电站概念得发展重点就是以轻型化、模块化等为目标,重点解决系统得控制、大功率电力管理、散热等难题。表 空间太阳能电站概念得比较3、1 运行轨道空间太阳能电站可能得运行轨道包括: LEO（低地球轨道） 、EO（地球静止轨道） 、SSO（ 太阳同步轨道） 、1（太阳-地球第一拉格朗日点）

9、、月球及行星环绕轨道等、低地球轨道得优点就是轨道高度较低、发射或接收天线面积较小、运输成本较低、可利用空间站进行组装维护; 缺点就是每个轨道内需经历较大得阴影期,无法实现连续供电,地面需多个接收站与之配合,运行控制与姿态轨道维持较为复杂、低地球轨道较适于小型试验系统。太阳同步轨道可较好地保持太阳电池阵得对日定向与发射天线得对地球定向,全年得大部分时间均可连续工作; 缺点就是地面需要非常多得接收站与之配合,才能实现连续供电,控制非常复杂。地球同步轨道就是空间太阳能电站得最佳运行轨道,可以很好地实现与地面接收站间得定点传输,易于实现太阳电池阵得对日定向与发射天线得对地定向,全年得大部分时间均可连续

10、工作; 缺点就是轨道高度高、距离地球远,因此发射天线与接收天线面积大、运输成本高、维护困难、日地1 点轨道作为日地第一平动点,仅需很小得姿态控制即可实现太阳电池阵得对日定向与发射天线得对地球定向; 缺点就是距离地球远（ 约50万m） ,发射天线面积大、运输成本高、维护困难,且地面需多个接收站与之配合。月球及行星环绕轨道主要用于月球与行星（ 火星） 探索得供电。目前已提出基于行星环绕轨道得供电方案,为行星表面移动目标、极地阴影区探测器与行星基地供电。国际上也提出了利用月球表面建立月球空间太阳能电站得构想。从目前得轨道分析,大规模能源利用最优得空间太阳能电站运行轨道为GE 轨道,但空间太阳能电站构

11、建得关键在轨组装过程,应从运载能力与装配能力角度考虑LE 与EO 两种轨道。、 2 结构型式空间太阳能电站从构型角度可分为两大类: 一类就是聚光空间太阳能电站概念,保持聚光器对日定向,并利用聚光器改变太阳光得方向,入射到太阳电池阵上;另一类就是非聚光空间太阳能电站概念,利用旋转机构保持太阳电池阵列对太阳指向或不对太阳定向。非聚光空间太阳能电站得代表为17 SP 基准系统。系统配置相对简单,易于扩展功率水平,但也存在一些难题,特别就是高功率传输与电源管理得挑战。其主要技术特点包括: 构型简单,太阳电池阵适合采用较轻得薄膜太阳电池; 通过增加太阳电池阵列模块可轻松实现功率得扩展; 需采用高功率旋转

12、机构,维持太阳电池阵指向太阳; 将电能从太阳电池阵传输到微波器件,需大量得输电电缆进行远距离、大功率得电力传输,会产生较大得功率损耗。聚光空间太阳能电站就是空间太阳能电站发展得新方向,典型代表为最新提出得聚光系统方案。主要技术特点包括: 采用聚光系统确保发射天线对地球定向得同时,入射太阳光可反射到太阳电池表面; 消除了高功率导电旋转机构; 采用高效率聚光电池,减小电池阵得面积; 采用夹层结构很好地解决了长距离电力传输问题; 由于增加了聚光系统,通常包括主聚光器与二级聚光器以及支撑结构,构型与控制变得非常复杂,系统规模很难扩展; 在高聚光比情况下系统散热将成为一个重要问题,需采用高温部件。3。

13、3 太阳能发电技术太阳能发电技术就是影响空间太阳能电站整个系统得效率、尺寸、重量与截面积得主要因素,重点就是要提高发电效率、比功率与增加寿命（0a 以上） 。主要考虑太阳能光伏发电系统与太阳能热动力发电系统两种方式、太阳能热动力发电系统从未在空间中应用,故不以此作为主要候选方式。光伏发电技术成熟,在空间应用超过50a,随着太阳电池效率得逐步提高,光伏发电系统成为空间太阳能电站研究得主要选用方式。空间太阳能发电系统追求较高得光电转化效率与较高得功率质量比。而对于不同得空间太阳能电站概念方案,需选取不同得太阳能光伏发电技术,分析多种PS概念认为可主要选择两种光伏电池,一就是适用于非聚光空间太阳能电

14、站系统得薄膜太阳电池,其质量轻、成本低,但效率低,导致电池阵面积较大,目前得重点研究方向为适应空间环境得铜铟镓硒薄膜电池; 另一种就是适用于聚光空间太阳能电站系统得聚光太阳电池,其效率较高,所需得太阳电池面积较小,可采用具有高效率得聚光多结砷化镓太阳电池,国际上得应用目标就是光电转换效率达到5%以上,成本可降至目前得一半。对于聚光太阳电池得应用,难题在于需要与高性能得聚光与散热系统,且保持器件在高温下得性能。3、4 无线能量传输技术无线能量传输技术就是空间太阳能电站得技术基础。主要包括两种技术,即微波无线能量传输技术（ ） 与激光无线能量传输技术（ P） ,两种技术得对比详见表2。表 无线能量

15、传输技术得比较微波无线能量传输就是指从空间到地面利用微波得方式进行能量传输、为了使微波能更高效地在大气中传输,一般使用不受云、雨等气象条件影响得工业、科学与医疗（ ISM）频带2. GHz或、 8GHz（ 波长. 12m 或、05m）得微波频率、激光无线能量传输就是指将太阳光直接泵浦激光或太阳光发电后再转化成得激光传输到地面,利用光电转换装置将接收到得激光转换为电力或直接分解海水制造氢气。微波传输与激光传输得主要区别在于波长得不同,它们之间有约5 个数量级得差异,这决定了两者得主要差别。微波无线能量传输技术具有较高得转化传输效率,最大得优势就是大气、云层穿透性好且安全性较好,但其波束宽、天线尺

16、寸较大。激光无线能量传输技术效率较低,受天气影响大,存在较大得安全隐患,但灵活性更强、波束窄,更适合于空间目标间得无线能量传输。微波无线能量传输技术被认为就是较为成熟得技术,可行性更高,就是空间太阳能电站研究得重点。激光无线能量传输技术由于其在灵活供电与直接制氢方面得优势,也被认为就是一个重要得候选方案,需合理选择频率来减小大气损耗。3、 电源管理与分配技术作为一个空间得超大功率系统,空间太阳能电站得电源管理与分配技术（ PMAD） 就是最重要得技术之一。基于不同得概念方案,空间太阳能电站得电源管理与分配方式总体分为两类,集中式MAD 与分布式MD、集中式PMAD 就是指由太阳电池阵发出得电能

17、需集中到一个连接点（ 如高功率旋转机构,如图3） ,然后集中得电能根据需求进行变换并分配到微波装置,该技术适合于非聚光空间太阳能电站概念。采取集中式PMAD得空间太阳能电站概念包括1979年参考系统、太阳塔、太阳盘等。图3 集中式电源管理与分配方式集中式PMA得优点就是通过大功率旋转机构集中供电,便于实现太阳电池阵得对日定向,可保证整个系统较高得效率; 太阳电池阵得面积可根据系统需求扩大,易于实现大功率空间太阳能电站系统,较适合采用较轻得、较低成本得薄膜式太阳电池,便于提供从EO 到EO 轨道运输所需得大功率电能。其缺点就是超大功率（GW 级） 得空间旋转机构技术实现难度极大。由于太阳阵面积极

18、大,将太阳电池阵得电力传输到旋转机构需远距离得传输导线,电力损耗大,所需导线较重,可考虑采用超导传输方式。分布式PMAD就是指由太阳电池阵产生得电能无需集中到一起,每个发电子阵产生得电能可直接进行变换并分配到对应得微波器件模块（图）,主要用于三明治结构,适合于聚光空间太阳能电站概念。采用分布式PMAD 得P 概念包括SPS20、集成对称聚光系统等。图4 分布式电源管理与分配方式分布式M 得优点就是无需采用大功率旋转机构,解决了空间太阳能电站最大得技术难题之一;采用分布式供电,避免了单点失效,可提高整个系统得可靠性;太阳电池阵发出得电能经很短得距离即可实现电力调节与为微波装置供电,电力损耗小,所

19、需导线大大减少、其缺点就是为了实现系统得高效率,必须采用聚光系统,系统控制复杂,难以提供LEO 到GO 轨道运输所需得大功率电能; 太阳电池阵得面积受发射天线面积限制,系统功率得扩展很难。四、空间太阳能电站面临得挑战目前建设空间太阳能电站首先就是技术难题、空间太阳能电站就是一个巨大得工程,对于现有得航天器技术提出了很大挑战:规模大,质量达到万吨以上,比目前得卫星高出4个数量级,需要采用新材料与新型运载技术;面积达到数平方公里以上,比目前得卫星高出6个数量级,需要采用特殊得结构、空间组装与姿态控制技术;功率大,发电功率为吉瓦,比目前得卫星高出个数量级,需要特别得电源管理与热控技术;寿命长,至少达

20、到30年以上,比目前得卫星高出一倍以上,需要新材料与在轨维护技术;效率高,需要先进得空间太阳能转化技术与微波转化传输技术。以瓦（100万千瓦）得空间太阳能电站为例,需要10平方公里得空间太阳能光伏板,其重量约相当于3000吨4000吨,而这个重量相对于当前得火箭发射技术尚有难度。据其介绍,目前最大得在轨物体为美国得国际空间站,其重量也不过400吨左右;而中国目前得火箭发射重量也不大,按照40吨得重量,则需要发送5次以上,之后得空间组装技术也就是一大难题。其次就是成本问题。有专家估算,目前地球同步轨道每公斤得发射成本高达1万元左右,建设一个天基太阳能发电站需要耗资3000亿至000亿美元。根椐有

21、关方面分析,要使空间太阳能发电具有实际应用价值,需要将地球同步轨道每公斤得发射成本降至为0.13万元左右,即要求运载器每公斤得发射成本下降2个数量级、在新概念、新技术与大规模商业化之前,收入难以补偿整个系统得建造与运行成本。再次就是环境影响。大功率无线能量传输对于天文、大气、生物系统、电磁系统、地面利用、航天操作人员、静止轨道卫星等可能存在一定影响。最后就是运行问题。空间太阳能电站运行中还有许多问题,其中包括需采取相应措施对波束进行安全控制问题、对于飞行器得影响、空间碎片可能对空间太阳能电站造成局部损害、易攻击性、可能成为空间垃圾等。此外,还有轨道与频率、产能、发射能力等问题。五、空间太阳能电站对构建全球能源互联网得影响空间太阳能电站采用无线方式从太空向地面传输能量,从经济角度来瞧,接收端必将建设在负荷中心附近,稍微调整太空能量束得发射角度即可实现能量在地面得远距离转移,因此,空间太阳能电站一旦投运将削弱地面远距离输电得必要性,不利于特高压电网建设。不过,空间太阳能电站还存于实验研究阶段,距商业化应用还有较远距离,中短期对全球能源互联网建设没有实质影响。