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  • 空间太阳能电站

    1968年格拉塞博士提出了空间太阳能发电站方案,这一设想是建立在一个极其巨大的太阳能电池阵的基础上,由它来聚集大量的阳光,利用光电转换原理达到发电的目的。所产生的电能将以微波形式传输到地球上,然后通过天线接收经整流转变成电能,送入全国供电网。在宇宙空间建立太阳能电站,能合理地充分利用空间资源。太阳能电站设置在赤道平面内的地球同步轨道上,位于西经123度和东经57度附近,使太阳能电池阵始终对太阳定向,并且发射天线的微波束必需指向地面的接收天线。需要克服的主要问题有空间站的组建、太阳能发电设备、电能的储存以及传输等。在固定轨道上利用宇宙中没有气候影响达到更高的利用率、应用空间优势集中设置极其巨大的太阳能电池阵的专门用于发电的宇宙空间站。中国五院“钱学森空间技术实验室”团队已开展太阳能电站具体研究工作,正处于研究试验阶段。但是随着地球消耗能量的越来越多,寄希望于一个空间太阳能发电站满足整个地球是不现实的。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 空间太阳能电站 英文名: Solar Power from Space
    别称: 空间太阳能发电站 核心: 太阳电池组件
    发电优势: 能合理地充分利用空间资源 设想提出: 1968年格拉塞提出

    目录

    技术/空间太阳能电站 编辑

    工作原理

    空间太阳能电站
空间太阳能电站
    空间太阳能电站的主要工作原理是:太阳能发电装置将太阳能转化成为电能;能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式,并利用发射装置向地面发送波束;地面接收系统接收空间传输的波束,通过转换装置将其转换成为电能接入电网。[1]

    技术原理

    太阳能发电

    太阳是太阳系的中心天体,它是一颗稳定的恒星,一个处于动态平衡的炽热的气体球。来自其中心产能区的巨大能流主要是电磁辐射,其次以粒子流的方式从太阳表层稳定地向外发射。太阳辐射能,是大气圈、水圈、生物圈运动,以及岩石圈作用的主要能源。人类生存活动更离不开太阳能,太阳离子流以及太阳活动对地球也有重大的影响。通过实测,推算出太阳辐射总功率为3.82×  千瓦,而地球仅仅能得到太阳总辐射能的22亿分之一。太阳每秒钟供给地球的能量是4.1×  千卡,相当于每秒钟燃烧500万吨优质煤所发出的能量。太阳能的能量非常巨大,但绝大部分在茫茫太空中白白地散失掉了。

    如何把太阳能收集和利用起来,为人类服务,已成为许多科学家研究的重大课题。20世纪中叶,科学家已在利用太阳能方面,取得了一项重大的突破,就是能够把太阳能直接变为电能。太阳能发电是将太阳能转换成电能的过程。太阳能发电可分为太阳热发电和太阳光发电两大类。利用太阳辐射产生的热能生产蒸汽,来推动汽轮发电机组发电的过程,被称为太阳热发电。利用光电效应原理,将太阳光直接转换成电能的过程,被称为太阳光发电,亦称光电池发电。

    空间站设定

    太阳光发电的核心是太阳电池组件。它是由硅单晶或砷化镓半导体材料制成,每个太阳能电池的面积只有几平方厘米。这种太阳能电池的应用十分广泛,在现代日常生活中随时都可以见到,比如太阳能电池计算器、太阳能电池手表和太阳能电池钟,只要太阳光一照射,这些计算器、手表和钟就能工作。由于航天技术的突飞猛进,如今人造卫星、宇宙飞船、空间站等航天器上的能源,大部分是采用太阳能供电,有些是将太阳能电池贴在卫星的表面上,有些则是贴在专门供给贴太阳能电池的翼板上,这种翼板好像是卫星向左右伸出的两扇翅膀。在翼板表面上贴有数以万计的太阳能电池,将它们并联或串联起来,在太阳光的照射下,便能供给几百瓦乃至几千瓦的电力。翼板面积越大,贴的太阳能电池越多,产生的电力就越大。1968年格拉塞博士提出了空间太用能发电站方案,这一设想是建立在一个极其巨大的太阳能电池阵的基础上,由它来聚集大量的阳光,利用光电转换原理达到发电的目的。所产生的电能将以微波形式传输到地球上,然后通过天线接收经整流转变成电能,送入全国供电网。

    技术特点

    在宇宙空间建立太阳能电站,能合理地充分利用空间资源。太阳能电站最好设置在赤道平面内的地球同步轨道上,位于西经123度和东经57度附近,使太阳能电池阵始终对太阳定向,并且发射天线的微波束必需指向地面的接收天线。由于处在赤道平面的同步轨道上,因此空间太阳能电站与地面任何地方的相对位置都保持不变。电站上需带有少量推进剂,以便克服由太阳和月球重力作用、太阳光压和地球偏心率等因素造成的轨道漂移。不过当空间太阳能电站绕地球运动时,总有一部分时间内被地球遮挡住阳光。但由于该站设置在静止轨道上,每年有277天是全日照,仅每年的春分、秋分前后各有45天时间,轨道上的发电设施才出现地球阴影(亦称星食期),最长的停电时间也只不过75分钟,而停电时间又是可以正确预测的,照此算来,空间太阳能电站平均每天有99%的时间,可向地上接收设备输电。在外层空间,太阳能的利用绝不会受到天气、尘埃和有害气体的影响,再加上日照时间长,因此空间太阳能电站与同一规模的地面太阳能电站相比,接收的太阳能要高出6~15倍。

    技术分析

    目前看来在太空中建立太阳能发电站的最主要技术瓶颈在于远距离高密度的能量发送和接收,一旦实现则建立空间太阳能发电站并不困难。

    此外,航天技术的发展也会对电站的建站带了积极的影响,缩短建设周期和成本,保证空间站更稳定的工作等。而太阳能发电技术的研究、转化率的提高也可以使得基站更小型化,发电功率更高,从而降低空间站建设的难度和成本。

    一旦技术上取得突破,那么人类对太阳能的利用必将变成现实。[2]

    需克服的问题

    随着地球消耗能量的越来越多,寄希望于一个空间太阳能发电站满足整个地球是不现实的。目前看来,一个5Km*10Km的大型太阳能板的功率在500MW左右。

    太空中的小型陨石、太空垃圾等对任何航天设备都是严重的威胁,一旦空间站遭到碰撞等,短时间内难以修复。考虑到太空的环境、安全性以及工程难度等种种因素,建设一个超大型空间发电站并不实际。因此要采取众多小型电站的集群化建设,这样可大大提高电站的安全系数。此外,当有新的技术和设备时,也可以方便的更换和维护。因此,一个GW级或更高的电站要由众多个100MW级或更高的基站组成。

    工程建设/空间太阳能电站 编辑

    空间太阳能电站
空间太阳能电站
    在太空中建立太阳能发电站的工程中遇到的主要问题有空间站的组建、太阳能发电设备、电能的储存以及传输等。

    空间站的建设

    建设空间太阳能发电站必然需要建设相应的空间站,这其中包括了发电站的控制系统、维护系统、人员临时或永久的居住系统等。

    空间站的理想轨道应选择在地球上空3.6万Km的地球同步轨道,由于相对于地面静止、且距地球较近,控制和传输电能都相对方便很多,而且可以随时传输。但是由于地球同步轨道离地球较近,空间紧张,各种通讯卫星等都需要占用这个轨道。因此这个轨道资源比较珍贵,在这里建立大型的空间太阳能发电站可能会对其他航天领域造成影响。

    另外一个可选的轨道是绕地球的月球轨道,距地球30万公里。虽然这里距地球较远,工程建设难度会相应增大,但是考虑到可以建立月球前沿基地等因素,加上这个轨道受地球阴影的影响比同步轨道小许多,可以有效的延长发电时间,因此月球轨道是个不错的选择。而且由于这个轨道较大,可以考虑建立多个空间太阳能发电站以满足地球日益增长的能量需求。

    空间太阳能发电站的发电采用分基站、小规模、大集群的建设方式,即发电站可以分为数个小型基站,每个基站的规模都不需要太大,考虑100MW级即可。可以分批分期的建设各个基站,从而减少工程的难度。

    每个基站都有相应的发电、储能和传输全套设备。太阳能板的规格预计为3*5Km,以满足100MW级的发电要求。整个空间站可以根据规模建设数十个甚至更多基站,以实现超大规模的发电需求。

    主空间站负责各个基站之间的管理、联系以及维护等,电站人员一般只需要在主空间站空居住即可。空间站更主要任务则是负责电站和地面的电能传输。同时为了避免因为空间站建设在月球轨道而带来的电能传输时间受限制的问题,考虑将地面接收站建立在南极或者北极地区。这样还可以避免了高密度能量传输时对周边的影响。

    太阳能发电设备

    空间太阳能发电站的核心便是太阳能发电设备了,利用众多太阳能板收集太阳能并最终将其转化为电能。太阳能电池种类包括了目前应用广泛的半导体太阳能电池和正在研究中的光化学电池。

    半导体太阳能电池的主要结构是一个p-n结半导体材料,太阳光照在半导体p-n结上,半导体吸收光子后产生空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。

    半导体太阳能电池根据所用材料的不同,可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类。

    1.硅太阳能电池

    硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

    单晶硅是研究和开发最早的太阳能电池材料,保持着目前最高的太阳能电池转换效率,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.4,商业模件为12~16%。但是单晶硅太阳能电池成本价格高,为了降低成本,研发了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。

    多晶硅和单晶硅的本质区别在于多晶硅内存在晶界,晶体颗粒很小。多晶硅太阳能电池成本低廉,但是转化效率比单晶硅电池低,其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

    非晶硅太阳能电池是利用硅氢合金材料,其成本低、重量轻,转换效率较高,便于大规模生产。但是目前其转换效率还比较低。[3]

    2.多元化合物太阳能电池

    多元化合物太阳能电池材料为无机盐,其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜铟硒电池等。

    硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

    砷化镓(GaAs)III-V化合物电池的转换效率可达28%,GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感,适合于制造高效单结电池。但由于GaAS的成本较高,目前主要应用于航天领域。为了充分应用太阳能,还发明了叠层电池,GaAs的叠层电池转化率高达35%。

    铜铟硒电池(CuInSe2)适合光电转换,不存在光致衰退问题,转换效率和多晶硅一样,具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源,由于铟和硒都是比较稀有的元素,因此,这类电池的发展又必然受到限制。

    3.有机半导体太阳能电池

    共轭高分子聚合物材料由于沿着其化学链的每格点轨道交叠形成了非定域化的导带和价带有机材料,因而呈现出半导体性质。通过适当的化学掺杂可以达到高电子迁移率,禁带宽度为几个电子伏特。该类材料有可能在非常低的温度下,以低廉的价格进行大面积的光伏电池制备。

    4.纳米晶体太阳能电池

    纳米晶体是新近发展的,非常热门的太阳能电池材料。最大的优点在于其导电机制建立在多数载流子的传输上,因此允许使用相对不纯的原料,从来带来了廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10.寿命能达到20年以上。

    在空间太阳能发电站中,考虑到大型工程的施工成本,纳米  是一个非常理想的选择,此外,考虑到太空低温的环境,有机半导体材料也可以作为空间太阳能发电站的另一选择。

    因此,在发电设备方面,可以根据技术来确定最佳选择。又由于空间太阳能发电站采用了,在建成之后,更换和维护发电设备都相对简单,在新型太阳能电池材料应用之后,也可以简单的更换的。

    电能的储存

    在太阳能发电站中,另一重要的设备是电能的储存设备,由于建立的空间电站规模较大,所以对电能的储存也提出了较高的要求。由于传统的储电设备都不能完全符合太空高密度储能的需求,同时由于太空的超低温特点,可以考虑采用超导体储电技术。

    某些金属、合金和化合物,在温度降到绝对零度附近某一特定温度时,它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象,能够发生超导现象的物质叫做超导体,这一特定的温度成为该物质的临界超导温度。1911年,荷兰科学家昂内斯(Ones)首次发现了这个现象,他用液氦冷却汞,当温度下降到4.2K时,水银的电阻完全消。后来又陆续发现了临界温度更高的材料。

    由于超导体的内阻为零,因此用超导体做成一个线圈,如果线圈内有电流,则其将一直维持而不会衰减。利用超导体的此特性,不仅可以达到无耗储电的目的,还可以实现电能的长时间存储。

    宇宙的背景辐射大约为4K,完全可以达到许多超导体的临界超导温度,是使用超导材料的理想之地。利用超导体材料制作线圈,由于对储能要求较高,为了避免线圈电流过大,需要采用较多线圈的并联。充电时依次向每个线圈注入电流即可,放电时控制同时放电的线圈的数目即可控制放电电流。

    对于此空间电站来说,可以选择集中存储,即专门建立存储电能的空间设施,这样的好处是设计简单,便于管理。缺点是危险系数较大,全电站的电能全部集中在一起,对储能设备的要求较高,而且一旦出问题,整个电站都将无法工作。因此更倾向于采用分散存储,即为每个基站设计相应的储能设备,虽然设计起来会比较复杂、维护的成本也会较高。但是每个基站建立之后,设备的更新会变得相对容易,而最大的又是便是安全性较高,某个基站的储能设备出问题不会影响到整个电站的电能供应。[4]

    电能的传输

    这是此项工程最重要的一项,只有实现电能的远距离无线传输,才能真正将太阳能电站搬到太空变为可能。

    能量的无线传输并不是异想天开,电磁波是载有能量的,利用电磁波传输能量已经被广泛使用了。RF射频卡——即所谓的非接触式IC卡,相信大家都不陌生,读卡器发出的信号中包括了电源信号,与卡本身的L/C震荡电路发生谐振,从而产生能量来供芯片工作。

    但是对于电站来说,以上技术还远远不够。从太空向地面传回电能需要极高的能量密度以及精确的定向传输。

    激光的极高相干性的特点使得其成为远距离传输能量的首选,为了能更好的穿越大气层,选择波长更长的红外线或者微波。不选在可见光区域是为了避免能量传输时对人的视觉造成太大影响。

    工程的最大难题在于激光的接收以及转换为电能。因为工程需要传输的能量很大,高密度的能量会对周围的电场磁场造成影响,因此地面接收站选在了南极或者北极。需要接收的是高密度的能量信号而非载信息信号,需要极高灵敏度的半导体器件将其转化为电能并将其输送到全球。[5]

    国际情况/空间太阳能电站 编辑

    中国

    空间太阳能电站
空间太阳能电站
    起点晚

    “我国已经超越美国成为全球第一能源消费大国,然而空间能源技术不论是在科技界还是政策制定者那里,都没得到应有的重视。”葛昌纯担心,我国空间太阳能发电研究本身就起步晚,如果再不将优势科研力量集中起来,跟国际先进水平的差距将进一步拉大。

    据了解,美国在卡特总统当政时,对空间太阳能发电技术的支持达到高峰,几十年来一直没有间断。美国宇航局启动的“空间太阳能探索性研究和技术计划”提出了该国的发展路线图,为2030年的商业系统研制奠定了基础。

    日本在2003年提出了“促进空间能利用”国家计划,目标是在20到30年后实现空间太阳能发电商业化。“2009年,日本航天开发局宣布已开始开发太空太阳能发电系统,该系统将从离地球表面以外3.6万千米、与地球旋转同步的卫星上的大型太阳能收集能源。”葛昌纯告诉记者。

    “我国上世纪就有科学家注意到这一技术,但由于缺乏足够的支持,研究进展很慢。”葛昌纯感慨,“2012年3月份召开的国际空间太阳能电站工作组第一次会议上,13名科学家没有一名是来自中国的,足见我们跟国外的差距有多大,而且这个差距还在不断拉大。”[6]

    高期待

    在一次空间太阳能技术研讨会上,一位四川发展改革委的官员对葛昌纯说:“欧洲已将空间太阳能发的电卖到四川,还给我们很多的优惠,我们却连这种电怎么来的都不知道。”

    “如果我们再不奋起直追、加大对空间太阳能发电技术的研究,这一战略新兴产业与国外的差距将进一步拉大,市场早晚会成为别人的。”葛昌纯表示。

    作为一名航天专家,余梦伦更加专注空间太阳能发电设备的空间运输问题。“要实现空间太阳能发电与地面太阳能发电的成本持平,运用火箭的运输费用至少要降至每公斤1千元人民币。”余梦伦告诉记者,运输的费用是每公斤五六万元,未来能实现每公斤1千元的目标,“但前提是要加大研究的投入,没科研就不可能有进展”。

    “空间太阳能发电是一个宏伟的空间和地面工程,涉及到许多重要的技术领域,如空间运输、航天器设计、微波技术、激光技术、材料技术等。”葛昌纯表示,对于我国而言,空间太阳能电站发展的战略机遇已经来临。

    据葛昌纯介绍,目前我国在空间太阳能发电技术方面尚没有重大项目。“我们期待国家将其尽快列为科学发展规划重大专项和国际合作重大项目,增大项目支持,早日实现空间太阳能发电的商业化。” (2012年3月,中科院在《空间太阳能电站技术发展预测和对策研究报告》中提出了“四步走”战略,认为2030—2050年我国有可能研发出第一个商业化空间太阳能发电站系统,实现空间太阳能发电站商业运行。)

    试验阶段

    中国航天科技集团五院载人飞船系统总设计师张柏楠代表2016年3月6日向科技日报记者透露,五院“钱学森空间技术实验室”团队已开展太阳能电站具体研究工作,目前正处于研究试验阶段。 

    有望率先建成

    2008年,我国将空间太阳能电站研发工作纳入国家先期研究规划,近年来提出了平台非聚光型、二次对称聚光型、多旋转关节以及球型能量收集阵列等方案,同时在无线能量传输等关键技术方面取得了重要进展。当前,我国在空间太阳能电站研究方面初步实现从“跟跑”到“并跑”,成为国际上推动空间太阳能电站发展的重要力量。
    中国航天科技集团公司五院科技委主任李明曾向记者表示,如能保持并进一步加大研发力度,我国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。[1]

    日本

    2009年6月,日本公布了其最新太空太阳能发电站计划。该项目预计耗资210亿美金,发电量能达到十亿瓦特,能供29.4万个家庭使用。三菱电机公司石川岛播磨重工业集团已宣布加入该计划,三菱电机公司和石川岛播磨重工业集团加入了一个共有15个国家的研究人员组成的研究小组,这个研究小组的目标是在未来30年中将日本的面积达4平方公里的太空太阳能发电站送入太空并使之正常工作。日本政府希望到2015年可以发射一枚安装了太阳能板的小型卫星,以测试将电能通过电束传回地球的有效性。

    日本航空宇宙开发中心(JAXA)也在研究类似的宇宙太阳能发电系统(SSPS),有望于2030年前启动。其基本原理和美国类似,但日本科学家采用频率为2.45GHz和5.8GHz微波传送,这项技术在日本已经应用于工业和医疗设备。在北海道的研究基地,日本科学家用直径2.4m的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验。JAXA的最终目标是要建立一个约猿平方公里的地面接收站,生产100万kW的电力,给50万个家庭供电。

    但是,太空太阳能发电也并非完美,高强度的辐射很可能带来另一个环境污染问题。但是支持者认为,只要地面太阳能接收站的面积足够大,就不会对人类及动植物构成伤害。因此地面接收站应该选人烟稀少、地域广阔的地方,而且还要配套有效的电力传输系统。

    虽然现在看来这些构想似乎有些不切合实际,但无论是美国还是日本,哪个项目的成功,都意味着人类在可再生能源领域中的一项重大突破。

    美国

    日本并不是唯一致力于发展空间太阳能的国家。美国太平洋天然气和电力公司和加州太阳能公司也在共同致力于一项发电量达200兆瓦特的太空发电站项目,该项目预计从2015年开始,将持续15年。

    美国私营太阳能公司介入太空太阳能电站

    20世纪60年代由美国国家航空航天局(NASA)和五角大楼制定的SSPS计划,因为费用昂贵而进展较慢。今天,许多私营太阳能公司纷纷介入此项研究。例如:美国太平洋煤气电力公司(PC&E)已经于近期宣布,将与一个宣称可在太空中有效摄取能量的加州太阳能公司(SolarEnCorp)合作并向其购买电力。由此,他们迈出了在外太空开发太阳能的第一步———在环绕地球的太空轨道上设立太阳能电池板,然后将直流电能转化为无线电波传送回地球,再由地面的电力储备站接收,转化为低频交流电能后供应给千家万户。

    这个项目计划在2016年前提供200MW的电力,在15年内满足25万个家庭的用电。如果进展顺利,15年内可梦想成真。很明显,这些私营公司的计划和源园年前的构想极为相似,先要把载有光伏电池板的卫星发射到距赤道22000英里(约35400km)的轨道上,并保持与地球位置相对不变。太阳能板宽度将达若干km,系统在采集太阳能后将其转变为电能,然后再转变为无线电波返回到地球上。地面的接收站准备建在美国加州费雷斯诺市的郊外。据太平洋煤气电力公司粗略估计,该项目需要花费约20亿美元,主要用于地球太阳能基地建设和发射卫星。美国加州大学伯克利分校能源和资源教授丹尼尔·卡门认为,眼下太空太阳能发电面临最严峻的挑战是实施的成本问题,尤其在当前全球经济衰退之际。这个计划需要几十亿美元的资金投入,远远高于目前同等规模其他可再生能源项目所需的1亿到2亿美元。但SolarEn公司执行总裁加里对完成该项目信心十足,他表示公司有能力提供12亿耀48亿瓦的电力,能够在未来七年内实现供电商业化,太空太阳能的电力价格也能与其他可再生能源价格基本持平。

    SSPS计划/空间太阳能电站 编辑

    空间太阳能电站
空间太阳能电站
    发展历史

    最初的设想是从1973年到1984年底为基础研究阶段,到1992年底试制概念样机,并开始试制实用装置,到1998年给出可投入实际运行的太阳能光伏发电和微波发送接收装置。

    作为21世纪的新能源系统,核聚变发电系统和软能源系统是有希望的。在软能源系统中,宇宙太阳能发电系统( SSPS)非常引人注目。

    如果把宇宙太阳能发电系统的发展过程进行分类,大致可分为五个阶段。

    第一阶段是设想时期。美国空军雷神公司在1967年成功地进行了通过微波向模拟直升机提供电力的试验,这一试验连续进行了10h,成功地使直升机维持了18m的高度。这是世界上首次进行的电力微波传输试验。

    第二阶段是美国航天局开始对宇宙太阳能发电系统进行立项。美国航天局同能源部在从20世纪70年代后半期到20世纪80年代前半期的10年左右的时间里,正式进行了宇宙太阳能发电系统的开发与研究。代表这一研究成果的系统是1979年研制的宇宙太阳能发电系统。这一系统是在高度为3.6伊104km的卫星静止轨道上建设装有宽5km、长10km的巨大太阳能电池的太空站,并把产生的电力变换成微波后传输到地面。据说,预计该宇宙太阳能发电系统的发电能力为5GW。

    第三阶段是美国继续研究能否实现比较经济的宇宙太阳能发电系统的问题,并每隔10年做一次报告。

    第四阶段是用新概念、新思路研究宇宙太阳能发电系统的时期。其中,具有代表性的、高度为6000km的“太阳塔型宇宙太阳能发电系统”受到好评。其传输微波的频率为2.45到3.5GHz,这满足了家用微波炉所需要的微波条件。

    第五阶段是概念设计时期,美国航天局根据国会的要求,在1998年3月到9月,基于以前的研究成果,实施了宇宙太阳能发电系统的概念设计。

    日本宇宙开发事业团、欧洲航天局和加拿大航天局也提出了应通过国际合作尽快解决的事项:研究主要的核心技术;进行大气中的无线供电试验;调查微波发射对生态系统所产生的长期影响;通过国际空间站进行宇宙太阳能发电系统试验;以宇宙太阳能发电系统为契机,制定旨在开展新能源开发的国际合作。

    宇宙开发事业团计划在今后25年内投入约800亿美元,进行宇宙太阳能发电系统研究与开发工作。根据这一计划,拟在2010年到2020年构筑发电能力为1GW级的实用型宇宙太阳能发电系统。此外,不仅进行上述基础技术和核心技术的研究与开发,而且将向围绕地球运行的轨道发射发电能力为6GW的宇宙太阳能发电系统卫星,并通过微波从太空向地面传输电力,还将进行电离层和大气层的同传播特性有关的试验性研究。

    如果计划进展顺利,那就等于是构筑了比快中子增殖反应堆和核聚变反应堆更能迅速实用化的技术,因而值得关注。

    SSPS计划概述

    若干年前就有人设想过从遥远的地方利用微波来输电,1969年美国雷神公司的布朗(W.C.Brown)从地面向天空发射微波,通过接收天线将接收的电能返回到一架直升飞机上,使装有天线的直升飞机带着接收的电功率在空中飞行,这是最早的成功的开拓性试验。到20世纪70年代各国相继研制微波输送、接收电力的试验。电功率一般均在2450MHz、10kW左右。1974年,美国迈阿密大学发表了论文《大规模从宇宙发电与输电计划》,简称SSPS(SatelliteSolarPowerStation)计划,该计划第一次把太阳能光伏发电和微波传输两种最新概念结合了起来。

    重要部分之一是太阳能光伏电池传输中的电池板。其占用宇宙站面积大约为6km伊26km,可发出8GW(1GW=  W= kW)的功率。然后将其变为微波送至地球,除去损耗,到达地面取得的功率约为5GW。首先是把太阳能电池及微波发生器等设备送上宇宙的发射费用占了较大份额,预计会占1/2以上;其次是太阳能电池光伏发电的费用也占很大比例;最后是微波发射和天线等的费用,预计不会超过16%。

    太阳电池的效率为12.3%,若不考虑从太阳光到电力的变换则发电5GW,而太阳电池发电功率需8.85GW,因此计算得出系统综合效率为56%。

    送电(发射)系统

    送电系统的好坏将影响整个发电系统的综合效率,此系统包括如下四大变换:

    1)太阳光寅电功率;

    2)直流电功率寅高频微波电功率;

    3)微波电功率(卫星)寅微波电功率(地球);

    4)微波寅商用电力。

    控制电功率全部是在地球上进行,一方面是要控制宇宙发电,另一方面还要兼顾微波发射和接收的控制。该系统中技术含量最高的部件是把太阳能光伏发电出来的电功率变换为微波。研究初期,曾试用以单个超大功率的微波管作为微波发送器,所以对各种形式微波管的性能进行了比较。最初认为速调管比较适合用于大功率发射,但发现其效率低;后又改用超高频功率放大管(CFA),但其缺点是价格高,散热困难;最后采用的是多个小功率的磁控管进行并联的方案。众所周知,磁控管是家用微波炉最常用的微波管,其优点是价格低,并可通过控制相位从而改变输出功率。最后采用磁控管与散热天线结合构成一个单元,以若干个单元组成微波发射阵列。

    接收系统

    若在地面设置一个参考定向点RB(ReferenceBeam),由此与卫星输电进行通信联系,并控制卫星的发射方向和强度。将微波发射点(卫星上)的电力密度合成后,定向点的电力密度的宽度为1km(用高斯表示中心部分的高斯量为23kW/m2),故地面上定向点RB周围的电力密度可相应为:输电(发射)定向参考点RB和受电(接收)RB的电力密度分布图如图5所示。在宇宙上空的发射点虽然密度大,但只对飞机(引起燃料箱放电)有所影响,而地面的电力密度却很低,还不致超过美国规定的微波泄露功率允许值10mW/cm2。当然,发射和接收二者的配合十分重要,若空中的阵列定向点设置稍有不当,则会影响输电效率,使地面上的天线无法捕捉到全部电力,因而会使某些地面电场强度过高而产生危险。信号传输时经磁控管传感器系统检测后,才由指令系统(CommandLink)对发射定向点进行控制。

    接收天线阵列布置从远处看接收天线阵列设置好像是一组一组的屋顶,但平面部分做成网状的帘棚,可以完全阻断微波。

    这种屋脊式构造的目的是使微波不致穿过网的下方,同时也可使阳光和雨水由网眼流出,这样,网下方非常安全。当然,网眼的大小孔需经多次实地试验才能确定,最好是完全地阻断微波射线,这样不致对生物造成损害。如果能做到这一点,当然就可以将微波接收站设置在城市近郊了。

    SSPS计划试验结果

    宇宙发电输电计划(即SSPS)各个不同的部件已在地面上进行了小功率的模拟试验,取得了初步的成果。考虑得最多的是成本,现正不断的改进中,以尽可能降低系统造价。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2019-02-14
    [2]^引用日期:2019-02-14
    [3]^引用日期:2019-02-14
    [4]^引用日期:2019-02-14
    [5]^引用日期:2019-02-14
    [6]^引用日期:2019-02-14
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    太空科技

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