簡析空間太陽能電站技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望論文
1引言
能源和環(huán)境問題是關(guān)系到國家政治、經(jīng)濟(jì)和安全的重大戰(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(jìn)步，空間太陽能電站有可能成為實(shí)現(xiàn)可再生能源戰(zhàn)略儲備的重要手段。本文介紹了空間太陽能電站的最新發(fā)展現(xiàn)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年來的主要研究工作和成果，最后展望未來提出我國空間太陽能電站的發(fā)展步驟建議。
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)，也包括直接將太陽光反射到地面、在地面進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)。
空間太陽能電站在空間利用太陽能，不受季節(jié)、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，它也不受大氣的影響，可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛妫浅＿m合于太陽能的大規(guī)模開發(fā)利用。在地球同步軌道，99%的時間內(nèi)可以穩(wěn)定地接收太陽輻射，向地面進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳輸。同時在地面應(yīng)急供電、減災(zāi)、空間供電、行星探測等方面也具有重要的應(yīng)用前景。隨著世界能源供需矛盾和環(huán)境保護(hù)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(diǎn)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)取得了很大進(jìn)步，為未來空間太陽能電站的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。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)，其發(fā)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(jìn)展。
2.國際空間太陽能電站的最新進(jìn)展
2. 1國際發(fā)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(jì)以來，越來越多的國家、組織、企業(yè)和個人都開始關(guān)注空間太陽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(xù)的關(guān)注和支持。日本是第一個將sps正式列入國家航天計劃的國家，提出了正式的發(fā)展路線圖，得到了長期持續(xù)的關(guān)注和發(fā)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(jìn)水平。根據(jù)2013年日本最新公布的航天基本計劃，空間太陽能發(fā)電研究開發(fā)項目列入七大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，并且作為國家三個長期支持的重點(diǎn)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)。2009年，日本宣布將在2030一2040年間建設(shè)世界第一個GW級商業(yè)SPS系統(tǒng)，總投資額將超過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)在無線能量傳輸、超輕大型空間結(jié)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)方面開展研究工作。2007年，國際無線電科學(xué)聯(lián)盟( U RSI)正式發(fā)布“U RSI空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星(sps)白皮書”。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“空間太陽能電站一一第一次國際評估:機(jī)遇、問題及可能的發(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能電站概念方案一一任意相控陣空間太陽能電站。該方案屬于聚光式空間太陽能電站，核心是采用了模塊化的設(shè)計思想，從而降低了技術(shù)難度和研制成本，并且創(chuàng)新性地提出了無需控制的聚光系統(tǒng)概念(該聚光系統(tǒng)的有效性還有待進(jìn)一步分析)，對控制系統(tǒng)的壓力大大減小。整個系統(tǒng)的質(zhì)量約為10000一12000t 。
(2)俄羅斯空間太陽能電站概念( R-SPS)
俄羅斯專家于2012年提出一種基于激光無線能量傳輸?shù)目臻g太陽能電站方案。主要思想是利用多個分離的太陽能發(fā)電衛(wèi)星編隊飛行，由太陽能電池和半導(dǎo)體激光器組成三明治結(jié)構(gòu)，利用激光無線能量傳輸( LpT)方式向由浮空器支撐的接收平臺進(jìn)行能量傳輸，再通過電纜直接將電能傳輸?shù)降孛�。該方案也包括多種可能的變化，如將激光直接傳輸?shù)降孛娼邮照?天氣良好的情況下)，或采用微波無線能量傳輸?shù)姆绞綄㈦娏母】掌鱾鬏數(shù)降孛妗?/p>
3.我國空間太陽能電站發(fā)展現(xiàn)狀
3. 1我國空間太陽能電站發(fā)展概況
2006年7月，中國航天科技集團(tuán)公司組織進(jìn)行了“空間太陽能電站發(fā)展必要性及概念研究”研討。2008年，國防科工局啟動“我國空間太陽能電站概念和發(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展中國科學(xué)院學(xué)部咨詢評議項目—空間太陽能電站技術(shù)發(fā)展預(yù)測和對策研究。2010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發(fā)展技術(shù)研討會”，多位院士和近百位專家參加。2014年5月，“空間太陽能電站發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)”香山科學(xué)會議召開，多個領(lǐng)域的專家研討了發(fā)展空間太陽能電站的重大科學(xué)問題和發(fā)展建議。國際上也非常關(guān)注中國在此領(lǐng)域的發(fā)展。利用國際會議和交流機(jī)會，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。2013年，國際宇航大會在北京召開，中國專家應(yīng)邀作了“21世紀(jì)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)研究的基礎(chǔ)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(tuán)隊開展了相關(guān)研究工作。包括中國航天科技集團(tuán)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)和中科院長春光機(jī)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(tuán)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(tǒng)謀劃，加快推進(jìn)中國空間太陽能電站領(lǐng)域發(fā)展》的研究報告，提出了我國SPS發(fā)展路線初步建議。2013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，正在組織開展其發(fā)展論證工作。
3. 2空間太陽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(tuán)隊已開展了多種空間太陽能電站概念方案研究，并提出了國際上創(chuàng)新的多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站(MR-SPS)方案。該方案采用模塊化太陽電池陣結(jié)合分布式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的方式，將整體太陽電池陣分解為多個獨(dú)立的電池子陣，將單一的導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槊恳粋�電池陣對應(yīng)兩個獨(dú)立導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，大幅降低了導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的導(dǎo)電功率，并消除了導(dǎo)電關(guān)節(jié)的單點(diǎn)問題，解決了制約空間太陽能電站方案設(shè)計的最大難題之一，同時便于模塊化的擴(kuò)展和控制。
在關(guān)鍵技術(shù)研究方面，國內(nèi)相關(guān)研究團(tuán)隊在無線能量傳輸技術(shù)和超大型結(jié)構(gòu)等方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，主要包括:解決多個微波源的高效功率合成和高效微波整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)千米距離上微波能量傳輸接收試驗(yàn);完成40m2的展開式柔性太陽電池陣原理驗(yàn)證;建立地面太陽光泵浦激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)30W的激光輸出，并開展了1 00m距離的能量傳輸試驗(yàn)等。
4.空間太陽能電站未來發(fā)展展望
空間太陽能電站是一個宏偉的航天和能源工程，其建設(shè)將是國家經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的充分體現(xiàn)，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?nèi)祟惱煤瞳@取能源的方式，改變電力傳輸?shù)姆绞健？臻g太陽能電站的發(fā)展特別將帶動航天領(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(xiàn)實(shí)意義。而隨著國際上相關(guān)運(yùn)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(zhuǎn)化技術(shù)、輕型結(jié)構(gòu)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(yàn)驗(yàn)證型的空間太陽能電站系統(tǒng)有可能在未來20年左右實(shí)現(xiàn)，GW級商業(yè)化電站有可能在本世紀(jì)中葉左右實(shí)現(xiàn)。
據(jù)此，我們初步提出我國空間太陽能電站發(fā)展步驟建議，將我國空間太陽能電站的發(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(yàn)證階段。
該階段的主要目標(biāo)是開展全系統(tǒng)詳細(xì)方案設(shè)計和系統(tǒng)仿真、完成空間太陽能電站核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在地面和空間利用多種途徑開展關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，初步建立空間構(gòu)建及支持系統(tǒng)，啟動建設(shè)MW級空間太陽能電站系統(tǒng)。
第二階段:2030一2050年，工程建設(shè)及商業(yè)化運(yùn)行階段。
該階段的主要目標(biāo)是在空間太陽能電站關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和MW級系統(tǒng)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，以應(yīng)用為牽引，依托商業(yè)資本，面向商業(yè)電站開展創(chuàng)新技術(shù)的持續(xù)研發(fā)，完善空間支持系統(tǒng)，開展空間太陽能電站工程建設(shè)，建設(shè)業(yè)務(wù)運(yùn)行空間太陽能電站，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大并逐漸將發(fā)電成本下降到具有商業(yè)價值的階段奠定基礎(chǔ)。
5.結(jié)論
空間太陽能資源巨大，有可能成為未來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(xù)開展研究。我國空間技術(shù)和空間工業(yè)基礎(chǔ)的快速發(fā)展，為我們進(jìn)一步利用、開發(fā)空間資源開辟了新的空間。研究并開展空間太陽能電站相關(guān)基礎(chǔ)問題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，對于我國未來能源和環(huán)境安全具有重要的戰(zhàn)略意義。在國家有關(guān)部門的支持下，我國空間太陽能電站研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，在今后的發(fā)展中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)頂層規(guī)劃，加大研究力度，加強(qiáng)國際合作，促進(jìn)我國空間太陽能電站發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
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