空間太陽能電站向宇宙要能源

1、<p>　　空間太陽能電站：向宇宙要能源</p><p>　　空間太陽能電站幾乎是一個(gè)可以無限開采的能源礦，已經(jīng)成為了人類21世紀(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。 </p><p>　　當(dāng)前地面光伏電站建設(shè)如火如荼。然而在地球上任何一個(gè)地方建設(shè)光伏電站，總免不了受晝夜和天氣的影響。若能將太陽能電站建設(shè)在太空中，那樣發(fā)電效率就能成倍地提高。 </p><p>　　早在1968

2、年，美國人格拉澤（P.E.Glaser）就創(chuàng)造性地提出在離地面36000km 的地球靜止軌道上建造太陽能發(fā)電站的構(gòu)想。這個(gè)電站利用鋪設(shè)在巨大平板上的億萬片太陽電池，在太陽光照射下產(chǎn)生電流，將電流集中起來，轉(zhuǎn)換成無線電微波，發(fā)送給地面接收站。地面接收后，將微波恢復(fù)為直流電或交流電，送給用戶使用?？臻g太陽能發(fā)電站主要由3部分組成：太陽能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置、地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。整個(gè)過程經(jīng)歷了太陽能——電能——微波（激光）——電能的能

3、量轉(zhuǎn)變過程。 </p><p>　　隨后，空間太陽能電站作為一種很有前景的可再生能源系統(tǒng)概念受到發(fā)達(dá)國家的廣泛關(guān)注。 </p><p><b>　　無限開采的能源礦 </b></p><p>　　在地球上的大部分地方，一年中只有二分之一的時(shí)間能夠獲得日照，而日照的利用效率又隨著時(shí)間和天氣的改變而變化。在云、霧、雨、雪等天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，地面太陽能

4、電站工作效率就大大降低。如在嚴(yán)重的霧霾天氣，地面太陽能電站發(fā)電效率就會(huì)降低到正常天氣的十分之一以下。而且在風(fēng)和重力的作用下，地面上建設(shè)超大型太陽能電池陣或反射鏡十分困難。另外，地面太陽能電站還面臨各種污染，需要設(shè)計(jì)專用自動(dòng)清洗設(shè)備對其進(jìn)行定期清洗，不然也會(huì)影響發(fā)電效率，所以地面太陽能電站很難作為基本負(fù)載電廠使用。 </p><p>　　在宇宙空間建設(shè)太陽能電站，這些問題都不再是問題。如果將空間太陽能電站設(shè)置在赤道

5、平面內(nèi)的地球同步軌道上，使太陽能電池陣始終對太陽定向，每年將有277天是全日照，僅在春分、秋分前后各有45天時(shí)間，軌道上的發(fā)電設(shè)施才出現(xiàn)地球陰影，且最長的停電時(shí)間也只不過75分鐘。不難算出，在空間軌道上的太陽能電站99%的時(shí)間可以接收太陽能輻射。在外層空間，太陽能的利用絕不會(huì)受到天氣、塵埃和有害氣體的影響，再加上日照時(shí)間長，因此空間太陽能電站與同一規(guī)模的地面太陽能電站相比，接收的太陽能要高出6～15倍。 </p><

6、p>　　從上世紀(jì)90年代以來，隨著世界能源供需矛盾和環(huán)境保護(hù)問題日益突出，以美國和日本為主的發(fā)達(dá)國家已經(jīng)投入巨資和人員開展廣泛的空間太陽能電站技術(shù)研究。并提出幾十種空間太陽能電站概念構(gòu)想，總的來說，空間太陽能電站概念可以分為兩大類：一類是非聚光式，另一類是聚光式，而這兩類又分別可以分為平臺(tái)式和分布式。平臺(tái)式非聚光空間太陽能電站的典型代表是美國提的“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”。 </p><p><b&

7、gt;　　美歐日研究進(jìn)展 </b></p><p>　　20世紀(jì)70年代末，全球發(fā)生石油危機(jī)，美國航宇局和能源部組織專家進(jìn)行空間太陽能電站的可行性研究。專家們經(jīng)過論證提出一個(gè)名為“1979 SPS 基準(zhǔn)系統(tǒng)”的空間太陽能電站方案。該方案以21 世紀(jì)全美國將有3 億人口，人均用電2kW，假設(shè)其中50%由空間太陽電站供給為目標(biāo)，在地球靜止軌道上部署60個(gè)發(fā)電能力各為5GW 的太陽能電站。太陽能電站的“發(fā)電

8、機(jī)”是一塊10km×5km×0.5km 的太陽電池板。板的一端連接一個(gè)直徑為1km 的微波發(fā)射天線。電站的姿態(tài)控制系統(tǒng)使太陽電池板始終朝向太陽，指向機(jī)構(gòu)使發(fā)射天線總是對準(zhǔn)地面。太陽電池板產(chǎn)生的電流通過超導(dǎo)體傳輸線送到微波發(fā)生器，在這里轉(zhuǎn)換成微波，再經(jīng)過天線向地面發(fā)送。微波的工作頻率選用2.45GHz 或5.8GHz。太陽能電站采用直徑為1km 的天線發(fā)射微波使微波波束中的功率密度分布比較合理，以提高地面接收天線的接收

9、效率。地面接收天線是一片13km×10km占地約1 萬公頃的橢圓形地區(qū)，由無數(shù)半波偶極子天線組成。天線接收到的微波經(jīng)過二極管整流變換成直流電或50Hz 的市電。由于地面天線的面積非常大，微波波束到達(dá)地面時(shí)的功率密度很小。所以，波束對</p><p>　　隨后，蘇聯(lián)、日本及歐空局也進(jìn)行了相關(guān)的研究和探索。 </p><p>　　日本提出分布式繩系衛(wèi)星系統(tǒng)。為減小單個(gè)模塊的復(fù)雜性和重

10、量，日本科學(xué)家提出了分布式繩系衛(wèi)星的概念。其基本單元由尺寸為100米×95米的單元板和衛(wèi)星平臺(tái)組成，單元板和衛(wèi)星平臺(tái)間采用四根210千米的繩系懸掛在一起。單元板是由太陽能電池、微波轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線組成的夾層結(jié)構(gòu)板，共包含3800個(gè)模塊。每個(gè)單元板的總重約為42.5噸，微波能量傳輸功率為2.1兆瓦。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個(gè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方案的模塊化設(shè)計(jì)思想非常清晰，有利于系統(tǒng)的組裝、維護(hù)。但系統(tǒng)的質(zhì)量仍十分巨大

11、，特別是利用效率較低。 </p><p>　　歐洲提出太陽帆塔概念。歐洲在1998年“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)劃中提出了歐洲太陽帆塔的概念。該方案基于美國提出的太陽塔概念，并采用許多新技術(shù)。其中，最主要的是采用了可展開的輕型結(jié)構(gòu)——太陽帆。其可以大大降低系統(tǒng)的總重量、減小系統(tǒng)的裝配難度。其中每塊太陽帆電池陣均為一個(gè)模塊，尺寸為150米×150米，發(fā)射入軌后自動(dòng)展開，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)

12、組裝，再通過電推力器轉(zhuǎn)移至地球同步軌道。由于該方案采用梯度穩(wěn)定方式實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線對地球定向，所以太陽帆板無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)對日定向。 </p><p>　　與40年前格拉澤（P.E.Glaser）提出空間太陽能電站這一概念時(shí)相比，現(xiàn)在太陽能發(fā)電效率、微波轉(zhuǎn)化效率以及相關(guān)的航天技術(shù)取得了很大進(jìn)步，為未來空間太陽能電站的發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。美國和日本都已制定了爭取在2030年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的發(fā)展路線圖。 </p&

13、gt;<p>　　我國空間太陽能電站研究還處于剛剛起步的階段。中科院在《空間太陽能電站技術(shù)發(fā)展預(yù)測和對策研究報(bào)告》中提出了“四步走”戰(zhàn)略，認(rèn)為20302050年我國有可能研發(fā)出第一個(gè)商業(yè)化空間太陽能發(fā)電站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間太陽能發(fā)電站商業(yè)運(yùn)行。中國科學(xué)院院士、北京科技大學(xué)教授葛昌純認(rèn)為，“空間太陽能發(fā)電是一個(gè)宏偉的空間和地面工程，涉及到如空間運(yùn)輸、航天器設(shè)計(jì)、微波技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)等許多重要的技術(shù)領(lǐng)域。”在他看來，我國空