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隨著地球礦物資源的大量開采，石油、煤炭資源日趨短缺，太陽能是當今世界公認的清潔能源之一，各國政府都出臺相應的補貼措施大力發(fā)展。而日照受地理、氣候及天氣的影響很大，在云、霧、雨、雪、嚴重霧霆等天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時，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置在地球同步軌道上，使太陽能電池始終對太陽定向，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，且最長停電時間不超過75分鐘，即空間太陽能電站全年99%的時間可以進行發(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，幾乎是一個可以無限開采的能源礦，成為21世紀關注的重點。
空間太陽能電站
1、SSPS發(fā)展情況
隨著各國空間技術的迅速發(fā)展，美國、日本、歐洲等國都提出計劃在20302040年建造SSPS。
據(jù)英國每日郵報報道，美國海軍工程師最新公布一項未來派計劃，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，該方案可為軍事設施甚至城市提供能量。
美國海軍研究實驗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，即在兩個方形太陽能板之間塞滿所有電子組件，頂側太陽能板是一個光伏板，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，底部是一個天線，可朝向地面目標傳輸能量。
裝配該模塊有兩種方式：①設計在太空中由機器人進行裝配，形成1公里直徑的人造衛(wèi)星；②設計采用“梯級”打開模塊的方式，在無需預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。其基本原理和美國類似，與之不同的是日本科學家采用頻率為2.45GH：和5.8GHz的微波傳送，這項技術已經應用于日本工業(yè)和醫(yī)療設備。在北海道的研究基地，使用直徑為2.4m的儀器裝置進行地面接收太空微波的試驗。日本航空宇宙開發(fā)中心的最終目標是建立一個距離地面3.6萬米的高空巨大太陽能電站，生產1000000kW的電力，給50萬個家庭供電。
俄羅斯也正致力于該方向的研究，采用激光進行能量傳輸，因為無線電波難以集中，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大的激光器，并且在軌道上設置一個激光發(fā)射站，可能對生態(tài)環(huán)境產生負面影響，譬如存在燒掉臭氧層的風險。不過，它可能會刺激產生新的技術解決方案，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基礎，未來10年將要建設的空間站給我國發(fā)展SSPS帶來很大機遇。另外新一代運載火箭和未來可能發(fā)展的重型運載將大幅提升我國進入空間的能力，為建站提供技術條件。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)方案在軌驗證技術研究的計劃。
2、基于分布式網絡的SSPS模型
SSPS的發(fā)電過程可概括為：在空間將太陽能轉化為電能，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、能量轉換l發(fā)射裝置和地面接！防轉換裝置3部分組成，其工作原理如圖1所示。根據(jù)我國建設10MWSSPS的預期，綜合以上國外相關技術的發(fā)展情況，提出了一種基于分布式網絡的SSPS構想。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1MW的分布式子站，每個子站都包含1MW太陽能光伏電池陣和無線微波發(fā)生器(子發(fā)射器)，每個太陽能光伏發(fā)電站均采用獨立夾層結構，太陽能電池板位于頂層始終朝向太陽，下層平面是一個微波發(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換器件，可將太陽能電池的直流轉換為微波。主發(fā)射器再通過微波將能量傳回地球，考慮到系統(tǒng)風險，可將該主發(fā)射器進行1+1備份。
由于采用了分布式結構，每個子站可以各自獨立，可以獨立發(fā)射升空然后通過物理連接與主發(fā)射器固定在一起，并且每個子站可以進行姿態(tài)調整。按照1MW子站進行估計，太陽能電池陣若集成為一體其直徑也較龐大，可以進一步進行分解，將其細化為幾部分，這樣就可以通過廉價衛(wèi)星將其送入預定地球同步軌道，通過姿態(tài)調整到預定位置，省去了龐大的運載火箭和助推器，并且避免外太空進行安裝大型太陽能電池陣，當然不可避免的是發(fā)射衛(wèi)星的個數(shù)也較多。
3、空間無線能傳輸技術
無線能量傳輸技術是太陽能傳輸系統(tǒng)的基礎，也是實現(xiàn)SSPS運行的核心關鍵技術。國際無線電科學聯(lián)盟于2007年正式發(fā)表了《空間太陽能電站白皮書》，對于SSPS的發(fā)展進行了廣泛的分析，并重點從無線傳輸?shù)慕嵌葘臻g太陽能電站的可行性和可能造成的影響進行了評估。
在DOE/NASA衛(wèi)星動力系統(tǒng)方案研究和論證計劃中，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。此計劃提出后許多國家開始驗證微波無線能量傳輸技術。2012年，NASA的SPS-ALPHA計劃再次將微波無線能量傳輸技術作為空間太陽能的傳輸方式。
對于提出的分布式網絡太陽能電站，其子發(fā)射器對主發(fā)射器的發(fā)射頻率為5.8GHz，而主發(fā)射器對地面的發(fā)射頻率為2.54GHz。子站采用更高頻率進行能量傳輸主要是為了避免各獨立子站之間的干擾，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，需要運載火箭和助推器等大型重載發(fā)射技術。
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中波束發(fā)散角較大，由在靜止軌道運行的SSPS傳輸至地面接收天線時，地面接收微波輻照的設備面積大致為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行控制，可進行子系統(tǒng)發(fā)電調度，而且分布式網絡結構有助于降低部件損壞導致整個系統(tǒng)癱瘓的風險，提高系統(tǒng)冗余度。
4、系統(tǒng)效率評估
將太陽能電池的直流電壓轉換為2.54GHz的微波效率為83%，功率從子發(fā)射器轉換為主發(fā)射器(2.54GHz微波轉換為5.8GHz微波)效率約為70%，而從5.84GH：微波轉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，隨著技術和器件材料的進步以及系統(tǒng)優(yōu)化，該分布式網絡太陽能電站的效率還有進一步提升的空間。
5、結論與展望
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是空間太陽能利用的必經途徑，兩者結合是發(fā)展SSPS的核心關鍵技術。
此處結合當前國外研究現(xiàn)狀和我國國情，討論了分布式網絡結構的SSPS實施構想，該結構可降低目前SSPS太空組裝難度及發(fā)射難度，系統(tǒng)效率可接受，對我國發(fā)展SSPS具有借鑒意義。
