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隨著(zhù)地球礦物資源的大量開(kāi)采，石油、煤炭資源日趨短缺，太陽(yáng)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、嚴重霧霆等天氣現象出現時(shí)，地面太陽(yáng)能電站的工作效率大大降低。
如果將太陽(yáng)能電站設置在地球同步軌道上，使太陽(yáng)能電池始終對太陽(yáng)定向，每年將有277天是全日照，僅在春分、秋分前后各有45天出現地球陰影，且最長(cháng)停電時(shí)間不超過(guò)75分鐘，即空間太陽(yáng)能電站全年99%的時(shí)間可以進(jìn)行發(fā)電?？梢?jiàn)，SSPS具有能流密度大、持續穩定、不受晝夜氣候影響、清潔、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，幾乎是一個(gè)可以無(wú)限開(kāi)采的能源礦，成為21世紀關(guān)注的重點(diǎn)。
空間太陽(yáng)能電站
1、SSPS發(fā)展情況
隨著(zhù)各國空間技術(shù)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。
據英國每日郵報報道，美國海軍工程師最新公布一項未來(lái)派計劃，即從太空獲得能量束，組建大型空間太陽(yáng)能模塊發(fā)送太陽(yáng)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(shí)驗室航天器工程師保羅˙杰斐博士現己建造和測試了兩種模塊類(lèi)型，用于捕捉并傳輸太陽(yáng)能。這一方案使用“三明治”模塊，即在兩個(gè)方形太陽(yáng)能板之間塞滿(mǎn)所有電子組件，頂側太陽(yáng)能板是一個(gè)光伏板，可以吸收太陽(yáng)光線(xiàn)；中間層電子系統可傳輸能量至無(wú)線(xiàn)頻率，底部是一個(gè)天線(xiàn)，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(jìn)行裝配，形成1公里直徑的人造衛星；②設計采用“梯級”打開(kāi)模塊的方式，在無(wú)需預加熱的情況下接收更多的陽(yáng)光，因此更加高效。
日本航空宇宙開(kāi)發(fā)中心也在研究類(lèi)似的宇宙太陽(yáng)能發(fā)電系統，有望于2030年前啟動(dòng)。其基本原理和美國類(lèi)似，與之不同的是日本科學(xué)家采用頻率為2.45GH：和5.8GHz的微波傳送，這項技術(shù)已經(jīng)應用于日本工業(yè)和醫療設備。在北海道的研究基地，使用直徑為2.4m的儀器裝置進(jìn)行地面接收太空微波的試驗。日本航空宇宙開(kāi)發(fā)中心的最終目標是建立一個(gè)距離地面3.6萬(wàn)米的高空巨大太陽(yáng)能電站，生產(chǎn)1000000kW的電力，給50萬(wàn)個(gè)家庭供電。
俄羅斯也正致力于該方向的研究，采用激光進(jìn)行能量傳輸，因為無(wú)線(xiàn)電波難以集中，且接收天線(xiàn)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(gè)激光發(fā)射站，可能對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負面影響，譬如存在燒掉臭氧層的風(fēng)險。不過(guò)，它可能會(huì )刺激產(chǎn)生新的技術(shù)解決方案，比如更有效率的激光器或太陽(yáng)能電池。
目前我國己具有成功發(fā)射衛星和空間飛船的技術(shù)基礎，未來(lái)10年將要建設的空間站給我國發(fā)展SSPS帶來(lái)很大機遇。另外新一代運載火箭和未來(lái)可能發(fā)展的重型運載將大幅提升我國進(jìn)入空間的能力，為建站提供技術(shù)條件。依據我國發(fā)展SSPS“四步走”的路線(xiàn)圖，2026~2040年我國將開(kāi)展地球同步軌道10MWSSPS系統方案在軌驗證技術(shù)研究的計劃。
2、基于分布式網(wǎng)絡(luò )的SSPS模型
SSPS的發(fā)電過(guò)程可概括為：在空間將太陽(yáng)能轉化為電能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式傳輸到地面的電力系統，主要由太陽(yáng)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。根據我國建設10MWSSPS的預期，綜合以上國外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，提出了一種基于分布式網(wǎng)絡(luò )的SSPS構想。該系統簡(jiǎn)圖如圖2所示。將10MW空間太陽(yáng)能基站分割為10個(gè)1MW的分布式子站，每個(gè)子站都包含1MW太陽(yáng)能光伏電池陣和無(wú)線(xiàn)微波發(fā)生器(子發(fā)射器)，每個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電站均采用獨立夾層結構，太陽(yáng)能電池板位于頂層始終朝向太陽(yáng)，下層平面是一個(gè)微波發(fā)生天線(xiàn)，將能量通過(guò)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(yáng)能電池的直流轉換為微波。主發(fā)射器再通過(guò)微波將能量傳回地球，考慮到系統風(fēng)險，可將該主發(fā)射器進(jìn)行1+1備份。
由于采用了分布式結構，每個(gè)子站可以各自獨立，可以獨立發(fā)射升空然后通過(guò)物理連接與主發(fā)射器固定在一起，并且每個(gè)子站可以進(jìn)行姿態(tài)調整。按照1MW子站進(jìn)行估計，太陽(yáng)能電池陣若集成為一體其直徑也較龐大，可以進(jìn)一步進(jìn)行分解，將其細化為幾部分，這樣就可以通過(guò)廉價(jià)衛星將其送入預定地球同步軌道，通過(guò)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(jìn)行安裝大型太陽(yáng)能電池陣，當然不可避免的是發(fā)射衛星的個(gè)數也較多。
3、空間無(wú)線(xiàn)能傳輸技術(shù)
無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)是太陽(yáng)能傳輸系統的基礎，也是實(shí)現SSPS運行的核心關(guān)鍵技術(shù)。國際無(wú)線(xiàn)電科學(xué)聯(lián)盟于2007年正式發(fā)表了《空間太陽(yáng)能電站白皮書(shū)》，對于SSPS的發(fā)展進(jìn)行了廣泛的分析，并重點(diǎn)從無(wú)線(xiàn)傳輸的角度對空間太陽(yáng)能電站的可行性和可能造成的影響進(jìn)行了評估。
在DOE/NASA衛星動(dòng)力系統方案研究和論證計劃中，太陽(yáng)能發(fā)電衛星將電力通過(guò)微波波束傳輸到地面的硅整流二極管天線(xiàn)。此計劃提出后許多國家開(kāi)始驗證微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)。2012年，NASA的SPS-ALPHA計劃再次將微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)作為空間太陽(yáng)能的傳輸方式。
對于提出的分布式網(wǎng)絡(luò )太陽(yáng)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(jìn)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(shù)。
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(yáng)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(yáng)能陣的間距大致為35m。由于微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)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(xiàn)時(shí)，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(jìn)行控制，可進(jìn)行子系統發(fā)電調度，而且分布式網(wǎng)絡(luò )結構有助于降低部件損壞導致整個(gè)系統癱瘓的風(fēng)險，提高系統冗余度。
4、系統效率評估
將太陽(yáng)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%，這樣該系統整體效率在50%左右，隨著(zhù)技術(shù)和器件材料的進(jìn)步以及系統優(yōu)化，該分布式網(wǎng)絡(luò )太陽(yáng)能電站的效率還有進(jìn)一步提升的空間。
5、結論與展望
空間太陽(yáng)能的利用可以最大限度避免外部因素，提高太陽(yáng)能利用效率，而無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)是空間太陽(yáng)能利用的必經(jīng)途徑，兩者結合是發(fā)展SSPS的核心關(guān)鍵技術(shù)。
此處結合當前國外研究現狀和我國國情，討論了分布式網(wǎng)絡(luò )結構的SSPS實(shí)施構想，該結構可降低目前SSPS太空組裝難度及發(fā)射難度，系統效率可接受，對我國發(fā)展SSPS具有借鑒意義。
