簡(jiǎn)析空間太陽(yáng)能電站技術(shù)發(fā)展現狀及展望論文
1引言
能源和環(huán)境問(wèn)題是關(guān)系到國家政治、經(jīng)濟和安全的重大戰略問(wèn)題�？臻g太陽(yáng)能電站作為一種能夠大規模穩定利用太陽(yáng)能的方式，日益受到世界主要航天大國的高度關(guān)注。隨著(zhù)空間技術(shù)和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的快速進(jìn)步，空間太陽(yáng)能電站有可能成為實(shí)現可再生能源戰略?xún)涞闹匾侄�。本文介紹了空間太陽(yáng)能電站的最新發(fā)展現狀，包括主要國家的相關(guān)政策、最新的概念方案，也介紹了我國近10年來(lái)的主要研究工作和成果，最后展望未來(lái)提出我國空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展步驟建議。
空間太陽(yáng)能電站(SPS)，也稱(chēng)為太空發(fā)電站，是指在空間將太陽(yáng)能轉化為電能，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式傳輸到地面的電力系統，也包括直接將太陽(yáng)光反射到地面、在地面進(jìn)行發(fā)電的系統。
空間太陽(yáng)能電站在空間利用太陽(yáng)能，不受季節、晝夜變化等的影響，接收的能量密度高，約為每平方米1353W左右。同時(shí)，它也不受大氣的影響，可以穩定地將能量傳輸到地面，非常適合于太陽(yáng)能的大規模開(kāi)發(fā)利用。在地球同步軌道，99%的時(shí)間內可以穩定地接收太陽(yáng)輻射，向地面進(jìn)行穩定的能量傳輸。同時(shí)在地面應急供電、減災、空間供電、行星探測等方面也具有重要的應用前景。隨著(zhù)世界能源供需矛盾和環(huán)境保護問(wèn)題日益突出，國際上開(kāi)展了廣泛的空間太陽(yáng)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(wú)線(xiàn)能量傳輸等關(guān)鍵技術(shù)方面開(kāi)展了重點(diǎn)研究。近年來(lái)，太陽(yáng)能電池發(fā)電效率、微波轉化效率以及相關(guān)的空間技術(shù)取得了很大進(jìn)步，為未來(lái)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展奠定了良好的基礎。雖然空間太陽(yáng)能電站沒(méi)有不可逾越的技術(shù)原理問(wèn)題，但作為一個(gè)非常宏大的空間系統，其發(fā)展還存在許多核心技術(shù)難題，需要開(kāi)展系統的研究工作，以取得突破性進(jìn)展。
2.國際空間太陽(yáng)能電站的最新進(jìn)展
2. 1國際發(fā)展概況
空間太陽(yáng)能電站的應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(gè)國家對于空間太陽(yáng)能電站開(kāi)展了長(cháng)期的.研究工作。21世紀以來(lái)，越來(lái)越多的國家、組織、企業(yè)和個(gè)人都開(kāi)始關(guān)注空間太陽(yáng)能這種取之不盡的巨大空間能源。美國是在sps領(lǐng)域投入資金最多的國家，也是研究最長(cháng)的國家，推出了眾多創(chuàng )新性的概念方案和技術(shù)，雖然未列入正式的國家發(fā)展計劃，但得到了持續的關(guān)注和支持。日本是第一個(gè)將sps正式列入國家航天計劃的國家，提出了正式的發(fā)展路線(xiàn)圖，得到了長(cháng)期持續的關(guān)注和發(fā)展。雖然投入有限，但在無(wú)線(xiàn)能量傳輸等領(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平。根據2013年日本最新公布的航天基本計劃，空間太陽(yáng)能發(fā)電研究開(kāi)發(fā)項目列入七大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，并且作為國家三個(gè)長(cháng)期支持的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一(其它兩個(gè)為空間科學(xué)和深空探測領(lǐng)域、載人空間活動(dòng)領(lǐng)域)。2009年，日本宣布將在2030一2040年間建設世界第一個(gè)GW級商業(yè)SPS系統，總投資額將超過(guò)200億美元。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)域的發(fā)展，提出一些新概念，并重點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)能量傳輸、超輕大型空間結構等先進(jìn)技術(shù)方面開(kāi)展研究工作。2007年，國際無(wú)線(xiàn)電科學(xué)聯(lián)盟( U RSI)正式發(fā)布“U RSI空間太陽(yáng)能發(fā)電衛星(sps)白皮書(shū)”。2011年to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(yáng)能電站一一第一次國際評估:機遇、問(wèn)題及可能的發(fā)展途徑”研究報告。
2.2最新創(chuàng )新概念
(1)任意相控陣空間太陽(yáng)能電站(SPS-ALPHA )
在NASA創(chuàng )新概念項目支持下，由美國、日本和英國科學(xué)家于2012年共同提出了一種新的空間太陽(yáng)能電站概念方案一一任意相控陣空間太陽(yáng)能電站。該方案屬于聚光式空間太陽(yáng)能電站，核心是采用了模塊化的設計思想，從而降低了技術(shù)難度和研制成本，并且創(chuàng )新性地提出了無(wú)需控制的聚光系統概念(該聚光系統的有效性還有待進(jìn)一步分析)，對控制系統的壓力大大減小。整個(gè)系統的質(zhì)量約為10000一12000t 。
(2)俄羅斯空間太陽(yáng)能電站概念( R-SPS)
俄羅斯專(zhuān)家于2012年提出一種基于激光無(wú)線(xiàn)能量傳輸的空間太陽(yáng)能電站方案。主要思想是利用多個(gè)分離的太陽(yáng)能發(fā)電衛星編隊飛行，由太陽(yáng)能電池和半導體激光器組成三明治結構，利用激光無(wú)線(xiàn)能量傳輸( LpT)方式向由浮空器支撐的接收平臺進(jìn)行能量傳輸，再通過(guò)電纜直接將電能傳輸到地面。該方案也包括多種可能的變化，如將激光直接傳輸到地面接收站(天氣良好的情況下)，或采用微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸的方式將電力從浮空器傳輸到地面。
3.我國空間太陽(yáng)能電站發(fā)展現狀
3. 1我國空間太陽(yáng)能電站發(fā)展概況
2006年7月，中國航天科技集團公司組織進(jìn)行了“空間太陽(yáng)能電站發(fā)展必要性及概念研究”研討。2008年，國防科工局啟動(dòng)“我國空間太陽(yáng)能電站概念和發(fā)展思路研究”項目的研究工作。2010年，由中國空間技術(shù)研究院王希季、閡桂榮等七位院士牽頭開(kāi)展中國科學(xué)院學(xué)部咨詢(xún)評議項目—空間太陽(yáng)能電站技術(shù)發(fā)展預測和對策研究。2010年，中國空間技術(shù)研究院組織召開(kāi)首次“全國空間太陽(yáng)能電站發(fā)展技術(shù)研討會(huì )”，多位院士和近百位專(zhuān)家參加。2014年5月，“空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的機遇與挑戰”香山科學(xué)會(huì )議召開(kāi)，多個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家研討了發(fā)展空間太陽(yáng)能電站的重大科學(xué)問(wèn)題和發(fā)展建議。國際上也非常關(guān)注中國在此領(lǐng)域的發(fā)展。利用國際會(huì )議和交流機會(huì )，我國與美國、日本、歐洲和俄羅斯的專(zhuān)家開(kāi)展了廣泛深入的技術(shù)研討。2013年，國際宇航大會(huì )在北京召開(kāi)，中國專(zhuān)家應邀作了“21世紀人類(lèi)的能源革命—空間太陽(yáng)能發(fā)電”的空間發(fā)電分會(huì )主旨發(fā)言，葛昌純院士作為特邀專(zhuān)家代表中國參加空間太陽(yáng)能發(fā)電論壇。
在相關(guān)研究的基礎上，“十二五”期間，在國防科工局等的支持下，國內有更多的研究團隊開(kāi)展了相關(guān)研究工作。包括中國航天科技集團公司、中國工程物理研究院、西安電子科技大學(xué)、重慶大學(xué)、四川大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)和中科院長(cháng)春光機所等單位，開(kāi)展了空間太陽(yáng)能電站系統方案和多項與空間太陽(yáng)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2013年6月論證形成《系統謀劃，加快推進(jìn)中國空間太陽(yáng)能電站領(lǐng)域發(fā)展》的研究報告，提出了我國SPS發(fā)展路線(xiàn)初步建議。2013年，楊士中院士和段寶巖院士向國家建議開(kāi)展太空發(fā)電站關(guān)鍵技術(shù)研究，引起了相關(guān)部門(mén)的重視，正在組織開(kāi)展其發(fā)展論證工作。
3. 2空間太陽(yáng)能電站概念方案及關(guān)鍵技術(shù)研究
以中國空間技術(shù)研究院為主的研究團隊已開(kāi)展了多種空間太陽(yáng)能電站概念方案研究，并提出了國際上創(chuàng )新的多旋轉關(guān)節空間太陽(yáng)能電站(MR-SPS)方案。該方案采用模塊化太陽(yáng)電池陣結合分布式導電旋轉關(guān)節的方式，將整體太陽(yáng)電池陣分解為多個(gè)獨立的電池子陣，將單一的導電旋轉關(guān)節轉變?yōu)槊恳粋�(gè)電池陣對應兩個(gè)獨立導電旋轉關(guān)節，大幅降低了導電旋轉關(guān)節的導電功率，并消除了導電關(guān)節的單點(diǎn)問(wèn)題，解決了制約空間太陽(yáng)能電站方案設計的最大難題之一，同時(shí)便于模塊化的擴展和控制。
在關(guān)鍵技術(shù)研究方面，國內相關(guān)研究團隊在無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)和超大型結構等方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，主要包括:解決多個(gè)微波源的高效功率合成和高效微波整流技術(shù)，實(shí)現千米距離上微波能量傳輸接收試驗;完成40m2的展開(kāi)式柔性太陽(yáng)電池陣原理驗證;建立地面太陽(yáng)光泵浦激光實(shí)驗系統，實(shí)現30W的激光輸出，并開(kāi)展了1 00m距離的能量傳輸試驗等。
4.空間太陽(yáng)能電站未來(lái)發(fā)展展望
空間太陽(yáng)能電站是一個(gè)宏偉的航天和能源工程，其建設將是國家經(jīng)濟和科技實(shí)力的充分體現，其發(fā)展將可能引發(fā)諸多技術(shù)領(lǐng)域的科技革命，從根本上改變人類(lèi)利用和獲取能源的方式，改變電力傳輸的方式�？臻g太陽(yáng)能電站的發(fā)展特別將帶動(dòng)航天領(lǐng)域技術(shù)的全面進(jìn)步，對國家進(jìn)入空間的能力將產(chǎn)生革命性的影響，并極大地提升空間建造和原位資源利用的能力，其發(fā)展具有重要的現實(shí)意義。而隨著(zhù)國際上相關(guān)運載技術(shù)、空間技術(shù)的快速發(fā)展，以及相關(guān)的高效光電轉化技術(shù)、輕型結構材料、微波器件、電力電子技術(shù)、微電子及控制等技術(shù)的快速進(jìn)步，試驗驗證型的空間太陽(yáng)能電站系統有可能在未來(lái)20年左右實(shí)現，GW級商業(yè)化電站有可能在本世紀中葉左右實(shí)現。
據此，我們初步提出我國空間太陽(yáng)能電站發(fā)展步驟建議，將我國空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展分為兩大階段。
第一階段:2015一2030年，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗證階段。
該階段的主要目標是開(kāi)展全系統詳細方案設計和系統仿真、完成空間太陽(yáng)能電站核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在地面和空間利用多種途徑開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)驗證，在此基礎上，初步建立空間構建及支持系統，啟動(dòng)建設MW級空間太陽(yáng)能電站系統。
第二階段:2030一2050年，工程建設及商業(yè)化運行階段。
該階段的主要目標是在空間太陽(yáng)能電站關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和MW級系統驗證基礎上，以應用為牽引，依托商業(yè)資本，面向商業(yè)電站開(kāi)展創(chuàng )新技術(shù)的持續研發(fā)，完善空間支持系統，開(kāi)展空間太陽(yáng)能電站工程建設，建設業(yè)務(wù)運行空間太陽(yáng)能電站，為后續產(chǎn)業(yè)化規模的擴大并逐漸將發(fā)電成本下降到具有商業(yè)價(jià)值的階段奠定基礎。
5.結論
空間太陽(yáng)能資源巨大，有可能成為未來(lái)可再生能源的重要組成之一，國際上主要航天大國都非常關(guān)注并且在此領(lǐng)域持續開(kāi)展研究。我國空間技術(shù)和空間工業(yè)基礎的快速發(fā)展，為我們進(jìn)一步利用、開(kāi)發(fā)空間資源開(kāi)辟了新的空間。研究并開(kāi)展空間太陽(yáng)能電站相關(guān)基礎問(wèn)題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，對于我國未來(lái)能源和環(huán)境安全具有重要的戰略意義。在國家有關(guān)部門(mén)的支持下，我國空間太陽(yáng)能電站研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，在今后的發(fā)展中應進(jìn)一步加強頂層規劃，加大研究力度，加強國際合作，促進(jìn)我國空間太陽(yáng)能電站發(fā)展目標的實(shí)現。
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