空間太陽能電站發(fā)展及研究

閆 勇，金 光

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，能源需求增長(zhǎng)迅速，然而，礦物資源的過度開采造成了常規(guī)能源的日益短缺。為應(yīng)對(duì)人類對(duì)能源需求日益增加和現(xiàn)有煤炭、石油等資源過度消耗造成地球生態(tài)環(huán)境不斷惡化的現(xiàn)狀，人們開始積極地尋找和開發(fā)新能源和各種可再生能源。

1968年美國(guó)彼得·格拉賽提出空間太陽能電站(SPS)概念后，其作為一種前景廣闊的可再生能源系統(tǒng)受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛關(guān)注，但由于當(dāng)時(shí)科技水平不成熟，僅側(cè)重于概念性研究。

目前，隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是空間運(yùn)載技術(shù)、航天器技術(shù)及太陽能電池技術(shù)等的日臻成熟，SPS因其具有不受晝夜和氣候的影響，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，能量利用率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，備受美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注，并相繼進(jìn)行了大量的研究工作［1-3］。

當(dāng)前，我國(guó)能源日趨短缺的現(xiàn)狀與經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的矛盾也非常突出，從世界范圍內(nèi)能源開發(fā)利用的研究現(xiàn)狀看，發(fā)展SPS，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)同樣將是解決我國(guó)能源需求切實(shí)可行的途徑。本文結(jié)合當(dāng)前國(guó)際SPS研究現(xiàn)狀和我國(guó)國(guó)情，在對(duì)SPS技術(shù)現(xiàn)狀分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)水平和未來科技發(fā)展的進(jìn)步，初步提出一種新型SPS系統(tǒng)，旨在為未來我國(guó)SPS的發(fā)展提供有益的補(bǔ)充和借鑒。

2 SPS的發(fā)展

2.1 組成及原理

SPS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)，主要由太陽能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換/發(fā)射裝置和地面接收/轉(zhuǎn)換裝置3部分組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 SPS工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of space SPS

2.2 軌道選擇

太陽表面輻射通量中90%以上是可見光與紅外線，太陽輻射強(qiáng)度在大氣層外地球軌道處約為1 367 W/m2。空間太陽能不受地磁場(chǎng)及大氣層性質(zhì)的影響，其照射時(shí)間長(zhǎng)、利用效率高、能量總量大，是未來可持續(xù)發(fā)展的重要能源之一。

目前，SPS最佳工作軌道主要有地球同步軌道和月球軌道，其具體情況如下:

(1)地球同步軌道:3.6×104km的地球同步軌道相對(duì)地面靜止且距地較近，便于SPS的控制和電能的實(shí)時(shí)傳輸，且位于該軌道的SPS全年有99%的時(shí)間都能接收到太陽光的照射;

(2)月球軌道:距地球約38.4×104km，該軌道受地球陰影的影響比同步軌道小許多，可有效的延長(zhǎng)發(fā)電時(shí)間，且該軌道較大，可建立多個(gè)SPS以滿足地球日益增長(zhǎng)的能量需求。

2.3 發(fā)展現(xiàn)狀

由于空間太陽能具有能流密度大、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜氣候影響、潔凈、無污染等優(yōu)點(diǎn)，利用空間太陽能發(fā)電已越來越受世界各國(guó)的關(guān)注，為了加快實(shí)現(xiàn)空間發(fā)電的構(gòu)想，美、日、歐等先后進(jìn)行了SPS的可行性論證工作。

美國(guó)自20世紀(jì)70年代起開始進(jìn)行SPS系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究，先后提出“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”方案和“集成對(duì)稱聚光系統(tǒng)”方案，如圖2所示。開展了SPS系統(tǒng)探索性研究，提出了美國(guó)SPS系統(tǒng)未來20年的發(fā)展技術(shù)路線，并計(jì)劃在2030年實(shí)現(xiàn)1GW商業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖2 集成對(duì)稱聚光系統(tǒng)Fig.2 Integrated symmetric condenser system

日本基礎(chǔ)能源極端貧乏，特別重視開發(fā)空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)。自20世紀(jì)80年代起開始進(jìn)行SPS概念和關(guān)鍵技術(shù)研究，以現(xiàn)實(shí)性和應(yīng)用性為指導(dǎo)原則，2003年提出了“促進(jìn)空間太陽能利用”計(jì)劃，并制定了SPS發(fā)展路線圖，計(jì)劃2030年前后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，其典型結(jié)構(gòu)為SPS系統(tǒng)模型和分布式繩系系統(tǒng)模型。圖3所示為日本SPS 2003系統(tǒng)模型，該方案將太陽電池、微波換轉(zhuǎn)裝置和發(fā)射天線進(jìn)行了一體化集成設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間裝配難度。

圖3 SPS2003系統(tǒng)模型Fig.3 SPS2003 system model

1998年歐洲開展了“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)研究”計(jì)劃，提出了太陽帆塔的概念，如圖4所示。該方案采用可展開的輕型太陽帆結(jié)構(gòu)，可大大降低系統(tǒng)總重量、減小系統(tǒng)的裝配難度。每一塊太陽帆電池陣為一單元模塊，待發(fā)射入軌后自動(dòng)展開，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過推力系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至地球同步軌道。

圖4 太陽帆塔Fig.4 Solar sail tower

圖5 我國(guó)SPS發(fā)展“路線圖”Fig.5 Development roadmap of space SPS in China

目前，國(guó)內(nèi)SPS的研究還處于起步階段，主要活動(dòng)和工作鮮見報(bào)道。2010年8月舉行的SPS發(fā)展技術(shù)全國(guó)研討會(huì)結(jié)合國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀和我國(guó)空間技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步及國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略需要首次提出了我國(guó)SPS發(fā)展“路線圖”，如圖5所示。該路線圖指出到2050年我國(guó)將研制出首個(gè)商業(yè)化SPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間電力產(chǎn)業(yè)商業(yè)化［4-8］。

3 我國(guó)SPS發(fā)展設(shè)想

當(dāng)前，我國(guó)能源日趨短缺的現(xiàn)狀與經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的矛盾非常突出，從世界范圍內(nèi)能源開發(fā)利用的研究現(xiàn)狀看，發(fā)展SPS，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)將是解決我國(guó)能源需求切實(shí)可行的途徑。

目前，我國(guó)已具有成功發(fā)射衛(wèi)星和空間飛船的技術(shù)基礎(chǔ)，未來10年左右將要建設(shè)的空間站會(huì)給我國(guó)SPS的發(fā)展帶來很大的機(jī)遇;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(guó)進(jìn)入空間的能力，也為建站提供了技術(shù)條件;隨著空間技術(shù)和空間工業(yè)基礎(chǔ)的不斷發(fā)展，將為我國(guó)進(jìn)一步開發(fā)利用空間資源開辟新的領(lǐng)域。

依據(jù)我國(guó)SPS發(fā)展“四步走”路線圖及2026～2040年我國(guó)將進(jìn)行地球同步軌道10 MW SPS系統(tǒng)方案在軌驗(yàn)證技術(shù)研究的計(jì)劃，考慮未來技術(shù)的進(jìn)步，本文采用目前先進(jìn)的輕型薄膜聚光設(shè)計(jì)概念提出了一種新型SPS構(gòu)型。

3.1 組成及功能

圖6為“10 MW SPS”示意圖，其特點(diǎn)是:

(1)聚光薄膜反射鏡采用模塊化的聚光單元模塊拼接成形，易于空間組裝和規(guī)模擴(kuò)大;

(2)薄膜聚光系統(tǒng)持續(xù)指向太陽，對(duì)太陽能進(jìn)行連續(xù)收集，經(jīng)反光次鏡反射至模塊化集成的光伏單元陣。光伏單元陣、微波轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線集成為夾層結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間裝配的難度;

圖6 10 MW SPS示意圖Fig.6 Schematic diagram of 10 MW space SPS

(3)有折疊展開功能的聚光薄膜系統(tǒng)面密度低、結(jié)構(gòu)收縮比大，易于發(fā)射、組裝，可降低發(fā)射成本。

該系統(tǒng)包括聚光薄膜反射鏡、反光次鏡、對(duì)日跟蹤指向機(jī)構(gòu)、薄膜折展機(jī)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、光伏單元陣等，太陽光經(jīng)聚光薄膜反射鏡匯聚和反光次鏡反射到光伏單元陣進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并由衛(wèi)星平臺(tái)上的無線能量傳輸裝置向地面發(fā)送能量，聚光系統(tǒng)各部分功能如下:

(1)薄膜折展機(jī)構(gòu):發(fā)射過程中，薄膜反射鏡收攏，待到達(dá)預(yù)定軌道位置，展開成預(yù)期狀態(tài);

(2)聚光薄膜反射鏡:薄膜采用聚酰亞胺，反射鏡展開后，借助輔助系統(tǒng)將薄膜展成預(yù)期面形;

(3)對(duì)日跟蹤指向機(jī)構(gòu):調(diào)整對(duì)日指向，保證太陽能薄膜聚光系統(tǒng)與太陽光成最佳入射角度;

(4)支撐結(jié)構(gòu):構(gòu)成太陽能電站聚光系統(tǒng)主體;

(5)光伏單元陣:實(shí)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)換為電能。

該方案包括大型聚光薄膜反射鏡技術(shù)的拼接成形、空間對(duì)日跟蹤系統(tǒng)的研制、聚光系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備的研制、遠(yuǎn)距離高密度的能量發(fā)送和接收及空間熱控等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前，本項(xiàng)目獲得了有關(guān)部門的支持，并已相繼開展了相關(guān)的探索性研究工作。

3.2 光路設(shè)計(jì)

圖7 太陽能電站薄膜聚束系統(tǒng)光路圖Fig.7 Light path diagram of condensing film reflector system SPS

空間太陽光可近似看作是準(zhǔn)平行光，設(shè)計(jì)時(shí)選用離軸拋物面作為聚光薄膜反射鏡，為了有效縮小系統(tǒng)中反光次鏡口徑，降低加工和裝調(diào)的難度，將反光次鏡置于系統(tǒng)焦平面附近，具體設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示。10 MW SPS聚光薄膜反射鏡口徑為200 m，焦距為250 m，系統(tǒng)焦斑直徑為40 m。

聚光薄膜反射鏡由模塊化子孔徑拼接而成，即φ 200 m口徑薄膜反射鏡的拋物面由同等大小的平面或曲面拼接成形，拼接后的曲面滿足太陽能電站聚光面形指標(biāo)，具體拼接方案如圖8所示。

圖8 拋物面拼接示意圖Fig.8 Schematic diagram of parabolic splicing

為了進(jìn)一步驗(yàn)證面形拼接方案的可行性，對(duì)φ 200 m聚光薄膜反射鏡拼接后的面形的聚光性能進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 拋物面拼接聚光光斑特性Fig.9 Condenser spot characteristics of parabolic splicing

從圖9的分析可以看出，用若干口徑相同的平面或拋物面拼接而成的聚光薄膜反射鏡的聚焦光斑半徑均小于20 m，可滿足聚光要求，且利用二次曲面進(jìn)行子孔徑拼接的聚光效果略好，綜合考慮研制周期及難易程度，擬選平面實(shí)現(xiàn)面形拼接。

3.3 聚光薄膜反射鏡

SPS薄膜聚光系統(tǒng)薄膜反射鏡有效口徑為φ 200 m，以現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)整體成形，當(dāng)前國(guó)際上大口徑反射鏡多采用面形拼接的成形方式，這種方法不僅便于系統(tǒng)的裝配和規(guī)模擴(kuò)大化，而且相對(duì)整體成形的方法而言更易于實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目組借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，擬采用模塊化子孔徑拼接的成形方案，具體拼接方案如圖10和圖11所示。

圖10 聚光薄膜反射鏡單元模塊Fig.10 Unit module of condensing film reflector

圖10和圖11分別為聚光薄膜反射鏡單元模塊及其拼接成的大型聚光薄膜反射鏡，各單元模塊間通過外桿連接。為確保各單元模塊拼接后的整體面形精度，在模塊與模塊連接的外桿上通過特定的凹凸插槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)及銷釘定位，可有效保證各連接模塊位置唯一，模塊與模塊之間通過定角度固定片固連，具體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 模塊間連接接口Fig.12 Connections of the module interface

通過這種模塊化的方法可有效地?cái)U(kuò)大聚光薄膜反射鏡的口徑而不會(huì)使系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這將為未來更大發(fā)電功率和更大口徑聚光薄膜SPS的研究和發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過模塊化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化接口等方式拼接應(yīng)用于未來SPS薄膜聚光系統(tǒng)中大型薄膜反射鏡的研制，這是未來大型SPS薄膜聚光系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)方向。

4 結(jié)束語

目前能源危機(jī)嚴(yán)重制約了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并加劇了各國(guó)對(duì)能源的爭(zhēng)奪，同時(shí)也促使人們積極尋找新的替代能源。風(fēng)能、水能、核能、太陽能等均是人類探索的前沿，而太陽能作為一種取之不盡、完全清潔無污染的新型能源更是受人矚目。

迄今為止美、日、歐等國(guó)相繼進(jìn)行了SPS可行性論證，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)作了大量探索性的工作。研究認(rèn)為:SPS在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面是可行的，雖然目前國(guó)際上還沒有成熟的系統(tǒng)上天，但上述各國(guó)研究的深度和廣度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我國(guó)的前面。本文結(jié)合當(dāng)前國(guó)際SPS研究現(xiàn)狀和我國(guó)國(guó)情，在對(duì)SPS技術(shù)現(xiàn)狀分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)水平和未來科技發(fā)展的進(jìn)步，初步提出了一種新型SPS構(gòu)型。該結(jié)構(gòu)大大減小了系統(tǒng)質(zhì)量，降低了運(yùn)載的發(fā)射成本和發(fā)射難度，可為未來我國(guó)SPS的發(fā)展提供有益的補(bǔ)充和借鑒。

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