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Copyright (c) 2012 機(jī)電產(chǎn)品交易網(wǎng) . 版權(quán)所有 皖I(lǐng)CP備12004440號(hào)-2
隨著地球礦物資源的大量開采，石油、煤炭資源日趨短缺，太陽能是當(dāng)今世界公認(rèn)的清潔能源之一，各國政府都出臺(tái)相應(yīng)的補(bǔ)貼措施大力發(fā)展。而日照受地理、氣候及天氣的影響很大，在云、霧、雨、雪、嚴(yán)重霧霆等天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，地面太陽能電站的工作效率大大降低。
如果將太陽能電站設(shè)置在地球同步軌道上，使太陽能電池始終對(duì)太陽定向，每年將有277天是全日照，僅在春分、秋分前后各有45天出現(xiàn)地球陰影，且最長停電時(shí)間不超過75分鐘，即空間太陽能電站全年99%的時(shí)間可以進(jìn)行發(fā)電。可見，SSPS具有能流密度大、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜氣候影響、清潔、無污染等優(yōu)點(diǎn)，幾乎是一個(gè)可以無限開采的能源礦，成為21世紀(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。
空間太陽能電站
1、SSPS發(fā)展情況
隨著各國空間技術(shù)的迅速發(fā)展，美國、日本、歐洲等國都提出計(jì)劃在20302040年建造SSPS。
據(jù)英國每日郵報(bào)報(bào)道，美國海軍工程師最新公布一項(xiàng)未來派計(jì)劃，即從太空獲得能量束，組建大型空間太陽能模塊發(fā)送太陽能至地面，該方案可為軍事設(shè)施甚至城市提供能量。
美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室航天器工程師保羅˙杰斐博士現(xiàn)己建造和測試了兩種模塊類型，用于捕捉并傳輸太陽能。這一方案使用“三明治”模塊，即在兩個(gè)方形太陽能板之間塞滿所有電子組件，頂側(cè)太陽能板是一個(gè)光伏板，可以吸收太陽光線；中間層電子系統(tǒng)可傳輸能量至無線頻率，底部是一個(gè)天線，可朝向地面目標(biāo)傳輸能量。
裝配該模塊有兩種方式：①設(shè)計(jì)在太空中由機(jī)器人進(jìn)行裝配，形成1公里直徑的人造衛(wèi)星；②設(shè)計(jì)采用“梯級(jí)”打開模塊的方式，在無需預(yù)加熱的情況下接收更多的陽光，因此更加高效。
日本航空宇宙開發(fā)中心也在研究類似的宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)，有望于2030年前啟動(dòng)。其基本原理和美國類似，與之不同的是日本科學(xué)家采用頻率為2.45GH：和5.8GHz的微波傳送，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于日本工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備。在北海道的研究基地，使用直徑為2.4m的儀器裝置進(jìn)行地面接收太空微波的試驗(yàn)。日本航空宇宙開發(fā)中心的最終目標(biāo)是建立一個(gè)距離地面3.6萬米的高空巨大太陽能電站，生產(chǎn)1000000kW的電力，給50萬個(gè)家庭供電。
俄羅斯也正致力于該方向的研究，采用激光進(jìn)行能量傳輸，因?yàn)闊o線電波難以集中，且接收天線巨大，需要幾平方千米。如果采用激光束，面積僅是前者的1/10。但目前不存在如此強(qiáng)大的激光器，并且在軌道上設(shè)置一個(gè)激光發(fā)射站，可能對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，譬如存在燒掉臭氧層的風(fēng)險(xiǎn)。不過，它可能會(huì)刺激產(chǎn)生新的技術(shù)解決方案，比如更有效率的激光器或太陽能電池。
目前我國己具有成功發(fā)射衛(wèi)星和空間飛船的技術(shù)基礎(chǔ)，未來10年將要建設(shè)的空間站給我國發(fā)展SSPS帶來很大機(jī)遇。另外新一代運(yùn)載火箭和未來可能發(fā)展的重型運(yùn)載將大幅提升我國進(jìn)入空間的能力，為建站提供技術(shù)條件。依據(jù)我國發(fā)展SSPS“四步走”的路線圖，2026~2040年我國將開展地球同步軌道10MWSSPS系統(tǒng)方案在軌驗(yàn)證技術(shù)研究的計(jì)劃。
2、基于分布式網(wǎng)絡(luò)的SSPS模型
SSPS的發(fā)電過程可概括為：在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過無線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)，主要由太陽能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換l發(fā)射裝置和地面接！防轉(zhuǎn)換裝置3部分組成，其工作原理如圖1所示。根據(jù)我國建設(shè)10MWSSPS的預(yù)期，綜合以上國外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，提出了一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)的SSPS構(gòu)想。該系統(tǒng)簡圖如圖2所示。將10MW空間太陽能基站分割為10個(gè)1MW的分布式子站，每個(gè)子站都包含1MW太陽能光伏電池陣和無線微波發(fā)生器(子發(fā)射器)，每個(gè)太陽能光伏發(fā)電站均采用獨(dú)立夾層結(jié)構(gòu)，太陽能電池板位于頂層始終朝向太陽，下層平面是一個(gè)微波發(fā)生天線，將能量通過微波傳遞給主發(fā)射器。在兩層之間存在電力電子轉(zhuǎn)換器件，可將太陽能電池的直流轉(zhuǎn)換為微波。主發(fā)射器再通過微波將能量傳回地球，考慮到系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，可將該主發(fā)射器進(jìn)行1+1備份。
由于采用了分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)子站可以各自獨(dú)立，可以獨(dú)立發(fā)射升空然后通過物理連接與主發(fā)射器固定在一起，并且每個(gè)子站可以進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。按照1MW子站進(jìn)行估計(jì)，太陽能電池陣若集成為一體其直徑也較龐大，可以進(jìn)一步進(jìn)行分解，將其細(xì)化為幾部分，這樣就可以通過廉價(jià)衛(wèi)星將其送入預(yù)定地球同步軌道，通過姿態(tài)調(diào)整到預(yù)定位置，省去了龐大的運(yùn)載火箭和助推器，并且避免外太空進(jìn)行安裝大型太陽能電池陣，當(dāng)然不可避免的是發(fā)射衛(wèi)星的個(gè)數(shù)也較多。
3、空間無線能傳輸技術(shù)
無線能量傳輸技術(shù)是太陽能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)SSPS運(yùn)行的核心關(guān)鍵技術(shù)。國際無線電科學(xué)聯(lián)盟于2007年正式發(fā)表了《空間太陽能電站白皮書》，對(duì)于SSPS的發(fā)展進(jìn)行了廣泛的分析，并重點(diǎn)從無線傳輸?shù)慕嵌葘?duì)空間太陽能電站的可行性和可能造成的影響進(jìn)行了評(píng)估。
在DOE/NASA衛(wèi)星動(dòng)力系統(tǒng)方案研究和論證計(jì)劃中，太陽能發(fā)電衛(wèi)星將電力通過微波波束傳輸?shù)降孛娴墓枵鞫O管天線。此計(jì)劃提出后許多國家開始驗(yàn)證微波無線能量傳輸技術(shù)。2012年，NASA的SPS-ALPHA計(jì)劃再次將微波無線能量傳輸技術(shù)作為空間太陽能的傳輸方式。
對(duì)于提出的分布式網(wǎng)絡(luò)太陽能電站，其子發(fā)射器對(duì)主發(fā)射器的發(fā)射頻率為5.8GHz，而主發(fā)射器對(duì)地面的發(fā)射頻率為2.54GHz。子站采用更高頻率進(jìn)行能量傳輸主要是為了避免各獨(dú)立子站之間的干擾，并可以大大減小電力電子功率變換器件的體積。此外，主發(fā)射器的體積較大，需要運(yùn)載火箭和助推器等大型重載發(fā)射技術(shù)。
各子發(fā)射器到主發(fā)射器的距離大致為350m，而考慮各太陽能電池板均有最佳入射角，那么其排列的半徑大致為100m，各子太陽能陣的間距大致為35m。由于微波無線能量傳輸技術(shù)中波束發(fā)散角較大，由在靜止軌道運(yùn)行的SSPS傳輸至地面接收天線時(shí)，地面接收微波輻照的設(shè)備面積大致為2km2。此外，主發(fā)射器的發(fā)射功率和發(fā)射角度接受地面指令進(jìn)行控制，可進(jìn)行子系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度，而且分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有助于降低部件損壞導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)冗余度。
4、系統(tǒng)效率評(píng)估
將太陽能電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為2.54GHz的微波效率為83%，功率從子發(fā)射器轉(zhuǎn)換為主發(fā)射器(2.54GHz微波轉(zhuǎn)換為5.8GHz微波)效率約為70%，而從5.84GH：微波轉(zhuǎn)換為地面直流的效率大致為85%，這樣該系統(tǒng)整體效率在50%左右，隨著技術(shù)和器件材料的進(jìn)步以及系統(tǒng)優(yōu)化，該分布式網(wǎng)絡(luò)太陽能電站的效率還有進(jìn)一步提升的空間。
5、結(jié)論與展望
空間太陽能的利用可以最大限度避免外部因素，提高太陽能利用效率，而無線能量傳輸技術(shù)是空間太陽能利用的必經(jīng)途徑，兩者結(jié)合是發(fā)展SSPS的核心關(guān)鍵技術(shù)。
此處結(jié)合當(dāng)前國外研究現(xiàn)狀和我國國情，討論了分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SSPS實(shí)施構(gòu)想，該結(jié)構(gòu)可降低目前SSPS太空組裝難度及發(fā)射難度，系統(tǒng)效率可接受，對(duì)我國發(fā)展SSPS具有借鑒意義。
