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空间太阳能电站的发展与未来
航空航天
2018-04-20 11:01
作者  王立 张兴华 侯欣宾

空间太阳能电站是航天技术服务国民经济和国家安全战略的宏大工程。从概念提出至今已有40余年,由于技术难度巨大,其真正实现仍需要较长时间。经过近年的跟踪研究,目前中国在空间太阳能电站方面的研究已进入世界前列,如能保持并进一步加大研发力度,中国将有望成为世界首个建成有实用价值空间太阳能电站的国家。

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可再生清洁能源是人类社会赖以生存和持续发展的主要物质基础。21世纪以来,经济飞速发展带来的能源、环境问题日益严重,寻求新的清洁能源逐步替代传统化石能源已成为全世界的共识。然而,地面太阳能、风能、水能、核能、海洋能、地热能和生物能等新能源都存在总量受限且不稳定等问题,还难以大规模替代传统化石能源的地位。

空间太阳能电站(SSPS),也称太空发电站,是指在空间将太阳能转化为电能,再通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统。空间太阳能电站在空间利用太阳能,不受季节、昼夜变化等的影响,接收的能量密度高,约为1353瓦/平方米,是地面平均光照功率的7~12倍;同时,也基本不受大气的影响,可以稳定地将能量传输到地面,非常适合于太阳能的大规模开发利用。在地球同步轨道,99%的时间内可以稳定接收太阳辐射,向地面固定区域进行稳定的能量传输。

空间太阳能电站也是一项庞大的创新性系统工程,美国智库称之为航天和能源领域的“曼哈顿工程”,其技术突破将直接应用于社会经济发展的各个方面,特别是远距离无线能量传输技术(WPT)的突破将大大改变人类获取能源的方式,从而推动新的产业革命。空间太阳能电站基于自身的大功率,以及能量多种方式传输的灵活性等特点,不仅有望成为未来持续稳定的电力来源,而且在电网调度、气象科学研究、应急救灾、空间飞行器供电、行星探测等多个领域中具有重要的潜在应用。

空间太阳能发电具有质和量兼备的特点,从提出之日起就受到国际上的广泛关注。21世纪以来,在能源、环境问题日益严重的背景下,越来越多的国家、组织、企业和个人开始关注空间太阳能电站的发展。但由于其系统规模巨大、技术难度高,目前国际上尚未能建成一个完整的空间试验电站。目前已提出多个空间太阳能电站发展规划,设计了几十种概念方案,在高效太阳能发电、无线能量传输等关键技术方面开展了重点研究。美国和日本在空间太阳能发电技术领域具有较好的研发基础,欧洲航天局,加拿大、俄罗斯等国以及相关国际组织也在积极关注并推动此领域的发展。

日本2017年更新的空间太阳能电站发展路线图.jpg

我国自20世纪末开展空间太阳能电站方案及技术研究。2006年,中国航天科技集团有限公司组织进行了“空间太阳能电站发展必要性及概念研究”研讨。2010年,中国空间技术研究院王希季、闵桂荣等7位院士牵头开展中国科学院学部咨询评议项目——空间太阳能电站技术发展预测和对策研究。2010年,中国空间技术研究院组织召开第一届“全国空间太阳能电站发展技术研讨会”,多位院士和近百位专家参加。2014年,以“空间太阳能电站发展的机遇与挑战”为主题的第499次香山会议在京召开,会议围绕空间太阳能电站发展的关键技术、高功率能量转换与传输中的科学与技术问题、空间太阳能电站发展的环境与政策分析等议题,对我国开发空间太阳能电站研究的必要性、可行性及技术路线和政策进行了充分研讨并提出了具体意见。2017年,“第二届全国空间太阳能电站发展技术研讨会”在北京成功召开,10余位院士和200余位会议代表深入交流了我国空间太阳能电站发展规划、系统方案和关键技术研究进展。中国空间技术研究院、上海航天技术研究院、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、重庆大学、四川大学、北京理工大学等科研院校和机构,近年来针对空间太阳能电站总体、结构、控制、微波输能、激光输能等相关技术进行了研究,提出了几种独特的空间太阳能电站总体方案,在无线能量传输技术方面也已达到国际先进水平。

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传统意义上的空间太阳能电站主要由三大部分组成:太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置。空间太阳能电站功率高、质量大、尺寸大,一个典型的吉瓦(GW)级空间太阳能电站质量在万吨级、尺寸在千米级,其规模远远超过目前最大的航天器——国际空间站,技术难度也远超现有空间技术水平。空间太阳能电站的发展,有赖于发展规划的科学制定、总体方案的合理设计以及各项关键技术的持续突破。

空间太阳能电站系统组成示意图.jpg

经过近年的持续努力,中国空间太阳能电站研究领域初步形成了以航天科技集团钱学森空间技术实验室为总体单位,国内优势研究所、高校等参与的产学研用科研群体,在空间太阳能电站发展规划、总体方案设计、关键技术研究等方面都取得了重要的突破。

2014至2015年,国家国防科技工业局联合国家发改委、科学技术部、工业和信息化部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员会等部委,组织开展了空间太阳能电站发展规划及关键技术体系论证工作。系统阐述了我国开展空间太阳能电站项目研究的意义和必要性,立足我国国情,结合国家对空间太阳能电站的不同应用需求与技术发展能力,提出了“两大步、三小步”的发展战略和实现我国空间太阳能电站目标的技术路线图:2030年后建设兆瓦(MW)级试验空间太阳能电站、2050年后建设吉瓦级商业空间太阳能电站,其中2015一2030年分为3个五年计划分别开展相关关键技术的攻关和演示验证,实现空间太阳能电站的应急供电应用。

中国空间太阳能电站分阶段发展建议路线图.jpg

自“1979 SPS基准系统”被提出之后,已有近20种不同的空间太阳能电站概念被相继提出。不同方案之间的主要区别体现在4个方面:

  1. 1.无线能量传输形式选择微波还是激光?

  2. 2.选用通过聚光系统连接对日定向和对地定向部件来实现本地低压电力管理,还是选用长距离的高压电力管理模式?

  3. 3.采用集成式结构还是分布式结构?结构集成为一个大型平台,还是由多个独立的系统组成?

  4. 4.是否需要转动关节来实现能量转化装置的对日定向和天线的对地定向?

近年来,对地无线能量传输主流逐渐固定在微波能量传输技术上,而结构则向模块化结构集成大型平台方向发展。但对于其他技术路线,目前还没有统一的认识。

在空间太阳能电站的构建任务中,由于运载能力、空间环境、经济性等限制,将模块发射至低轨后,轨道转移至高轨进行在轨组装为普遍共识。面临的主要问题包括发射状态模块组合体积质量协调问题、轨道转移规划和智能化在轨组装等。专家认为主要约束点在于轨道转移的难度以及对机器人的高性能要求,可通过未来的在轨服务和3D打印等新技术手段来降低技术难度。

钱学森空间技术实验室研究团队在空间太阳能电站系统总体设计方面,通过比较国内外多种空间电站方案,重点研究了非聚光型和二次对称聚光型空间太阳能电站,提出了创新的多旋转关节空间太阳能电站(MR-SSPS)方案。该方案将太阳电池阵分解为多个电池子阵,并将传统非聚光型太阳能电站单一导电旋转关节转化为多个较小功率导电旋转关节,不仅解决了极大功率导电旋转关节和单点失效的技术难题,同时更易于实现系统的组装构建。方案得到国际该领域顶级专家的认同。

西安电子科技大学研究人员提出了一种球反射面的线聚焦OMEGA-SSPS方案,不需要旋转调节聚光镜,从而降低了聚光系统的控制难度。

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能量收集与转化技术研究主要集中在高功质比薄膜光伏发电阵和薄膜反射聚光系统两大部分,目前的主要现状是:

能量收集转化与轻量化模块结构.jpg

  1. 1.光伏电池尤其是薄膜光伏电池效率有待提高,提高光-电转化效率对提高系统效率,降低散热负担都具有极大意义。而系统在   轨寿命对空间环境中光伏电池的性能退化问题提出了很大挑战,在光电转换技术创新方面具有广阔空间。

  2. 2.聚光系统构型设计应该以对日跟踪定向、聚光能流分布均匀为目标,核心问题为薄膜反射镜系统的高精度智能控制。

  3. 3.能量转化环节面临的散热问题非常严峻,尤其是采用聚光方式后系统热流密度更高,热控问题更为突出。

国内近年来重点针对超大型太阳能收集与转化单元的折叠展开技术、超轻桁架展开机构技术进行研究,并在薄膜结构设计和折叠展开技术研究方面取得重要进展,设计优化结合地面原理样机试验,重点解决了大面质比薄膜结构空间航天器结构姿态轨道耦合技术、折叠展开技术。同时针对大面积薄膜电池阵的汇流、大功率电力管理的拓扑设计及系统优化、抗辐射加固等方面开展了研究。

微波 激光无线能量传输.jpg

无线能量传输包括微波和激光两种方式,目前研究以微波方式为主,主要研究方向包括:

  1. 1.微波源效率、寿命和功质比的提升,优化大口径天线上的功率分布以实现高效微波功率合成,高精度波束控制中考虑整个结   构的构型和实时形状位置状态等因素对波束指向的影响,从机电热综合的角度发展一体化超轻天线模块。

  2. 2.电离层对无线能量传输的影响需要深入考虑,一是电离层对波束导引信号和能量波束的折射差异问题,二是对电离层加热效   应的影响分析。

  3. 3.无线能量传输频段和地球静止轨道轨位,是需要政府和行业协会积极争取的两个重要资源。

      地面接收系统需要从与空间发射端匹配、系统集成、生物安全等方面进行重点研究。

在空间无线能量传输技术领域,国内重点针对磁控管、固态微波源、高效功率合成和高效微波整流技术开展研究,四川大学和重庆大学进行了千米距离上的较大功率微波传输试验以及浮空器供电试验。北京理工大学建立了地面太阳光泵浦激光实验系统,实现了25瓦/平方米的激光输出。

空间太阳能电站技术突破对于空间探索、商业和国防等领域具有重要的战略意义,“两弹一星”功勋奖章获得者王希季院士认为:发展空间太阳能电站将带来前所未有的、影响深远的并改造客观世界的重大变革。一是人类利用和获取能源的地方从地面(含海洋)和地下(含水下)转变为太空;二是能源的利用方式从化石能源为主转变为以太阳能为主;三是电力传输的方式从有线传输转变为无线传输。

空间太阳能电站在各个领域的潜在应用.jpg

空间太阳能电站的推进将牵引基础科学研究和众多新技术的发展,并在关键技术达到一定成熟度后,实现在轨演示验证,最终用于兆瓦级空间太阳能电站的建造和运行。

空间太阳能电站研发过程对航天技术的牵引主要体现在3个方面:

  1. 1.大大提升空间能力,包括在轨道上建造大型结构、大型天线或大型电力系统的能力,在空间机动、操作能力和进入空间的能   力,以及在空间制造和空间原位资源利用方面的能力。

  2. 2.在发展空间太阳能电站系统中获得的专门新技术将应用于成像、实时地面和空间目标定位,以及高带宽通信、高清晰电视和   广播、移动广播服务;基于空间太阳能电站系统产生的新结构(如电力平台)将为多个载荷提供服务,包括自动构建结构、   无线协作编队。

  3. 3.长距离的无线电力传输将可以降低应用卫星的质量,并且扩展地球和空间的无线电力传输应用。真正成熟的空间太阳能电站   设施将使得多种概念成为可能,包括彗星/小行星保护系统、空间碎片的离轨、空间-空间电力利用,甚至包括可用于远期的   星际探测概念的波束推进。

空间太阳能电站作为一种重要的战略基础设施,是航天技术服务国民经济和国家安全亟需的宏大工程,其发展对航天领域具有重要的战略意义,是各航天大国关注的重点领域之一。我国空间技术和空间工业基础的快速发展,将为我国进一步利用和开发空间资源开辟新的空间。空间太阳能电站的发展面临良好的机遇,也面临着巨大的挑战。在各方努力下,创新投资机制,形成国家投入和市场推动的新模式,在国际上首先实现空间高效能量收集转化与传输关键技术试验验证,我国空间太阳能电站的发展完全可以达到世界领先水平,空间太阳能电站的发展也将进一步推动我国航天梦的实现。 

作者:王立、张兴华、侯欣宾

(王立,研究员,就职于钱学森空间技术实验室。张兴华,副研究员,就职于钱学森空间技术实验室。侯欣宾,研究员,就职于钱学森空间技术实验室。)

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