簡析空間太陽能電站技術發展現狀及展望論文
簡析空間太陽能電站技術發展現狀及展望論文
1引言
能源和環境問題是關係到國家政治、經濟和安全的重大戰略問題。空間太陽能電站作為一種能夠大規模穩定利用太陽能的方式，日益受到世界主要航天大國的高度關注。隨著空間技術和相關技術領域的快速進步，空間太陽能電站有可能成為實現可再生能源戰略儲備的重要手段。本文介紹了空間太陽能電站的最新發展現狀，包括主要國家的相關政策、最新的概念方案，也介紹了我國近10年來的主要研究工作和成果，最後展望未來提出我國空間太陽能電站的發展步驟建議。
空間太陽能電站(SPS)，也稱為太空發電站，是指在空間將太陽能轉化為電能，再透過無線能量傳輸方式傳輸到地面的電力系統，也包括直接將太陽光反射到地面、在地面進行發電的系統。
空間太陽能電站在空間利用太陽能，不受季節、晝夜變化等的影響，接收的能量密度高，約為每平方米1353W左右。同時，它也不受大氣的影響，可以穩定地將能量傳輸到地面，非常適合於太陽能的大規模開發利用。在地球同步軌道，99%的時間內可以穩定地接收太陽輻射，向地面進行穩定的能量傳輸。同時在地面應急供電、減災、空間供電、行星探測等方面也具有重要的應用前景。隨著世界能源供需矛盾和環境保護問題日益突出，國際上開展了廣泛的空間太陽能電站技術的研究，目前已經提出了幾十種概念方案，並且在無線能量傳輸等關鍵技術方面開展了重點研究。近年來，太陽能電池發電效率、微波轉化效率以及相關的空間技術取得了很大進步，為未來空間太陽能電站的發展奠定了良好的基礎。雖然空間太陽能電站沒有不可逾越的技術原理問題，但作為一個非常宏大的空間系統，其發展還存在許多核心技術難題，需要開展系統的研究工作，以取得突破性進展。
2.國際空間太陽能電站的最新進展
2. 1國際發展概況
空間太陽能電站的應用前景引起了國際上的廣泛關注，以美國、日本等為代表的多個國家對於空間太陽能電站開展了長期的.研究工作。21世紀以來，越來越多的國家、組織、企業和個人都開始關注空間太陽能這種取之不盡的巨大空間能源。美國是在sps領域投入資金最多的國家，也是研究最長的國家，推出了眾多創新性的概念方案和技術，雖然未列入正式的國家發展計劃，但得到了持續的關注和支援。日本是第一個將sps正式列入國家航天計劃的國家，提出了正式的發展路線圖，得到了長期持續的關注和發展。雖然投入有限，但在無線能量傳輸等領域處於世界先進水平。根據2013年日本最新公佈的航天基本計劃，空間太陽能發電研究開發專案列入七大重點發展領域，並且作為國家三個長期支援的重點研究領域之一(其它兩個為空間科學和深空探測領域、載人空間活動領域)。2009年，日本宣佈將在2030一2040年間建設世界第一個GW級商業SPS系統，總投資額將超過200億美元。歐空局、加拿大、俄羅斯等國及相關國際組織非常關注該領域的發展，提出一些新概念，並重點在無線能量傳輸、超輕大型空間結構等先進技術方面開展研究工作。2007年，國際無線電科學聯盟( U RSI)正式釋出“U RSI空間太陽能發電衛星(sps)白皮書”。2011年to月，國際宇航科學院組織的國際聯合工作組正式發表“空間太陽能電站一一第一次國際評估:機遇、問題及可能的發展途徑”研究報告。
2.2最新創新概念
(1)任意相控陣空間太陽能電站(SPS-ALPHA )
在NASA創新概念專案支援下，由美國、日本和英國科學家於2012年共同提出了一種新的空間太陽能電站概念方案一一任意相控陣空間太陽能電站。該方案屬於聚光式空間太陽能電站，核心是採用了模組化的設計思想，從而降低了技術難度和研製成本，並且創新性地提出了無需控制的聚光系統概念(該聚光系統的有效性還有待進一步分析)，對控制系統的壓力大大減小。整個系統的質量約為10000一12000t 。
(2)俄羅斯空間太陽能電站概念( R-SPS)
俄羅斯專家於2012年提出一種基於鐳射無線能量傳輸的空間太陽能電站方案。主要思想是利用多個分離的太陽能發電衛星編隊飛行，由太陽能電池和半導體鐳射器組成三明治結構，利用鐳射無線能量傳輸( LpT)方式向由浮空器支撐的接收平臺進行能量傳輸，再透過電纜直接將電能傳輸到地面。該方案也包括多種可能的變化，如將鐳射直接傳輸到地面接收站(天氣良好的情況下)，或採用微波無線能量傳輸的方式將電力從浮空器傳輸到地面。
3.我國空間太陽能電站發展現狀
3. 1我國空間太陽能電站發展概況
2006年7月，中國航天科技集團公司組織進行了“空間太陽能電站發展必要性及概念研究”研討。2008年，國防科工局啟動“我國空間太陽能電站概念和發展思路研究”專案的研究工作。2010年，由中國空間技術研究院王希季、閡桂榮等七位院士牽頭開展中國科學院學部諮詢評議專案—空間太陽能電站技術發展預測和對策研究。2010年，中國空間技術研究院組織召開首次“全國空間太陽能電站發展技術研討會”，多位院士和近百位專家參加。2014年5月，“空間太陽能電站發展的機遇與挑戰”香山科學會議召開，多個領域的專家研討了發展空間太陽能電站的重大科學問題和發展建議。國際上也非常關注中國在此領域的發展。利用國際會議和交流機會，我國與美國、日本、歐洲和俄羅斯的專家開展了廣泛深入的技術研討。2013年，國際宇航大會在北京召開，中國專家應邀作了“21世紀人類的能源革命—空間太陽能發電”的空間發電分會主旨發言，葛昌純院士作為特邀專家代表中國參加空間太陽能發電論壇。
在相關研究的基礎上，“十二五”期間，在國防科工局等的支援下，國內有更多的研究團隊開展了相關研究工作。包括中國航天科技集團公司、中國工程物理研究院、西安電子科技大學、重慶大學、四川大學、北京理工大學、哈爾濱工業大學、北京科技大學和中科院長春光機所等單位，開展了空間太陽能電站系統方案和多項與空間太陽能電站相關的關鍵技術研究工作。在中國航天科技集團公司原總經理馬興瑞指示下，中國空間技術研究院於2013年6月論證形成《系統謀劃，加快推進中國空間太陽能電站領域發展》的研究報告，提出了我國SPS發展路線初步建議。2013年，楊士中院士和段寶巖院士向國家建議開展太空發電站關鍵技術研究，引起了相關部門的重視，正在組織開展其發展論證工作。
3. 2空間太陽能電站概念方案及關鍵技術研究
以中國空間技術研究院為主的研究團隊已開展了多種空間太陽能電站概念方案研究，並提出了國際上創新的多旋轉關節空間太陽能電站(MR-SPS)方案。該方案採用模組化太陽電池陣結合分散式導電旋轉關節的方式，將整體太陽電池陣分解為多個獨立的電池子陣，將單一的導電旋轉關節轉變為每一個電池陣對應兩個獨立導電旋轉關節，大幅降低了導電旋轉關節的導電功率，並消除了導電關節的單點問題，解決了制約空間太陽能電站方案設計的最大難題之一，同時便於模組化的擴充套件和控制。
在關鍵技術研究方面，國內相關研究團隊在無線能量傳輸技術和超大型結構等方面已經取得了一定的進展，主要包括:解決多個微波源的高效功率合成和高效微波整流技術，實現千米距離上微波能量傳輸接收試驗;完成40m2的展開式柔性太陽電池陣原理驗證;建立地面太陽光泵浦鐳射實驗系統，實現30W的鐳射輸出，並開展了1 00m距離的能量傳輸試驗等。
4.空間太陽能電站未來發展展望
空間太陽能電站是一個宏偉的航天和能源工程，其建設將是國家經濟和科技實力的充分體現，其發展將可能引發諸多技術領域的科技革命，從根本上改變人類利用和獲取能源的方式，改變電力傳輸的方式。空間太陽能電站的發展特別將帶動航天領域技術的全面進步，對國家進入空間的能力將產生革命性的影響，並極大地提升空間建造和原位資源利用的能力，其發展具有重要的現實意義。而隨著國際上相關運載技術、空間技術的快速發展，以及相關的高效光電轉化技術、輕型結構材料、微波器件、電力電子技術、微電子及控制等技術的快速進步，試驗驗證型的空間太陽能電站系統有可能在未來20年左右實現，GW級商業化電站有可能在本世紀中葉左右實現。
據此，我們初步提出我國空間太陽能電站發展步驟建議，將我國空間太陽能電站的發展分為兩大階段。
第一階段:2015一2030年，關鍵技術攻關及驗證階段。
該階段的主要目標是開展全系統詳細方案設計和系統模擬、完成空間太陽能電站核心關鍵技術攻關，在地面和空間利用多種途徑開展關鍵技術驗證，在此基礎上，初步建立空間構建及支援系統，啟動建設MW級空間太陽能電站系統。
第二階段:2030一2050年，工程建設及商業化執行階段。
該階段的主要目標是在空間太陽能電站關鍵技術攻關和MW級系統驗證基礎上，以應用為牽引，依託商業資本，面向商業電站開展創新技術的持續研發，完善空間支援系統，開展空間太陽能電站工程建設，建設業務執行空間太陽能電站，為後續產業化規模的擴大並逐漸將發電成本下降到具有商業價值的階段奠定基礎。
5.結論
空間太陽能資源巨大，有可能成為未來可再生能源的重要組成之一，國際上主要航天大國都非常關注並且在此領域持續開展研究。我國空間技術和空間工業基礎的快速發展，為我們進一步利用、開發空間資源開闢了新的空間。研究並開展空間太陽能電站相關基礎問題研究和關鍵技術攻關，對於我國未來能源和環境安全具有重要的戰略意義。在國家有關部門的支援下，我國空間太陽能電站研究已經取得了一定的進展，在今後的發展中應進一步加強頂層規劃，加大研究力度，加強國際合作，促進我國空間太陽能電站發展目標的實現。