簡(jiǎn)析空間太陽(yáng)能電站技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望論文
1引言
能源和環(huán)境問題是關(guān)系到國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)和安全的重大戰(zhàn)略問題。空間太陽(yáng)能電站作為一種能夠大規(guī)模穩(wěn)定利用太陽(yáng)能的方式，日益受到世界主要航天大國(guó)的高度關(guān)注。隨著空間技術(shù)和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的快速進(jìn)步，空間太陽(yáng)能電站有可能成為實(shí)現(xiàn)可再生能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重要手段。本文介紹了空間太陽(yáng)能電站的最新發(fā)展現(xiàn)狀，包括主要國(guó)家的相關(guān)政策、最新的概念方案，也介紹了我國(guó)近10年來(lái)的主要研究工作和成果，最后展望未來(lái)提出我國(guó)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展步驟建議。
空間太陽(yáng)能電站(SPS)，也稱為太空發(fā)電站，是指在空間將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)無(wú)線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)，也包括直接將太陽(yáng)光反射到地面、在地面進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)。
空間太陽(yáng)能電站在空間利用太陽(yáng)能，不受季節(jié)、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(shí)，它也不受大氣的影響，可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛妫浅＿m合于太陽(yáng)能的大規(guī)模開發(fā)利用。在地球同步軌道，99%的時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定地接收太陽(yáng)輻射，向地面進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳輸。同時(shí)在地面應(yīng)急供電、減災(zāi)、空間供電、行星探測(cè)等方面也具有重要的應(yīng)用前景。隨著世界能源供需矛盾和環(huán)境保護(hù)問題日益突出，國(guó)際上開展了廣泛的空間太陽(yáng)能電站技術(shù)的研究，目前已經(jīng)提出了幾十種概念方案，并且在無(wú)線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)方面開展了重點(diǎn)研究。近年來(lái)，太陽(yáng)能電池發(fā)電效率、微波轉(zhuǎn)化效率以及相關(guān)的空間技術(shù)取得了很大進(jìn)步，為未來(lái)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。雖然空間太陽(yáng)能電站沒有不可逾越的技術(shù)原理問題，但作為一個(gè)非常宏大的空間系統(tǒng)，其發(fā)展還存在許多核心技術(shù)難題，需要開展系統(tǒng)的研究工作，以取得突破性進(jìn)展。
2.國(guó)際空間太陽(yáng)能電站的最新進(jìn)展
2. 1國(guó)際發(fā)展概況
空間太陽(yáng)能電站的應(yīng)用前景引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注，以美國(guó)、日本等為代表的多個(gè)國(guó)家對(duì)于空間太陽(yáng)能電站開展了長(zhǎng)期的.研究工作。21世紀(jì)以來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)家、組織、企業(yè)和個(gè)人都開始關(guān)注空間太陽(yáng)能這種取之不盡的巨大空間能源。美國(guó)是在sps領(lǐng)域投入資金最多的國(guó)家，也是研究最長(zhǎng)的國(guó)家，推出了眾多創(chuàng)新性的概念方案和技術(shù)，雖然未列入正式的國(guó)家發(fā)展計(jì)劃，但得到了持續(xù)的關(guān)注和支持。日本是第一個(gè)將sps正式列入國(guó)家航天計(jì)劃的國(guó)家，提出了正式的發(fā)展路線圖，得到了長(zhǎng)期持續(xù)的關(guān)注和發(fā)展。雖然投入有限，但在無(wú)線能量傳輸?shù)阮I(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平。根據(jù)2013年日本最新公布的航天基本計(jì)劃，空間太陽(yáng)能發(fā)電研究開發(fā)項(xiàng)目列入七大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，并且作為國(guó)家三個(gè)長(zhǎng)期支持的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一(其它兩個(gè)為空間科學(xué)和深空探測(cè)領(lǐng)域、載人空間活動(dòng)領(lǐng)域)。2009年，日本宣布將在2030一2040年間建設(shè)世界第一個(gè)GW級(jí)商業(yè)SPS系統(tǒng)，總投資額將超過(guò)200億美元。歐空局、加拿大、俄羅斯等國(guó)及相關(guān)國(guó)際組織非常關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展，提出一些新概念，并重點(diǎn)在無(wú)線能量傳輸、超輕大型空間結(jié)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)方面開展研究工作。2007年，國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟( U RSI)正式發(fā)布“U RSI空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星(sps)白皮書”。2011年to月，國(guó)際宇航科學(xué)院組織的國(guó)際聯(lián)合工作組正式發(fā)表“空間太陽(yáng)能電站一一第一次國(guó)際評(píng)估:機(jī)遇、問題及可能的發(fā)展途徑”研究報(bào)告。
2.2最新創(chuàng)新概念
(1)任意相控陣空間太陽(yáng)能電站(SPS-ALPHA )
在NASA創(chuàng)新概念項(xiàng)目支持下，由美國(guó)、日本和英國(guó)科學(xué)家于2012年共同提出了一種新的空間太陽(yáng)能電站概念方案一一任意相控陣空間太陽(yáng)能電站。該方案屬于聚光式空間太陽(yáng)能電站，核心是采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，從而降低了技術(shù)難度和研制成本，并且創(chuàng)新性地提出了無(wú)需控制的聚光系統(tǒng)概念(該聚光系統(tǒng)的有效性還有待進(jìn)一步分析)，對(duì)控制系統(tǒng)的壓力大大減小。整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量約為10000一12000t 。
(2)俄羅斯空間太陽(yáng)能電站概念( R-SPS)
俄羅斯專家于2012年提出一種基于激光無(wú)線能量傳輸?shù)目臻g太陽(yáng)能電站方案。主要思想是利用多個(gè)分離的太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星編隊(duì)飛行，由太陽(yáng)能電池和半導(dǎo)體激光器組成三明治結(jié)構(gòu)，利用激光無(wú)線能量傳輸( LpT)方式向由浮空器支撐的接收平臺(tái)進(jìn)行能量傳輸，再通過(guò)電纜直接將電能傳輸?shù)降孛妗Ｔ摲桨敢舶ǘ喾N可能的變化，如將激光直接傳輸?shù)降孛娼邮照?天氣良好的情況下)，或采用微波無(wú)線能量傳輸?shù)姆绞綄㈦娏母】掌鱾鬏數(shù)降孛妗?/p>
3.我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展現(xiàn)狀
3. 1我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展概況
2006年7月，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司組織進(jìn)行了“空間太陽(yáng)能電站發(fā)展必要性及概念研究”研討。2008年，國(guó)防科工局啟動(dòng)“我國(guó)空間太陽(yáng)能電站概念和發(fā)展思路研究”項(xiàng)目的研究工作。2010年，由中國(guó)空間技術(shù)研究院王希季、閡桂榮等七位院士牽頭開展中國(guó)科學(xué)院學(xué)部咨詢?cè)u(píng)議項(xiàng)目—空間太陽(yáng)能電站技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)和對(duì)策研究。2010年，中國(guó)空間技術(shù)研究院組織召開首次“全國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展技術(shù)研討會(huì)”，多位院士和近百位專家參加。2014年5月，“空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)”香山科學(xué)會(huì)議召開，多個(gè)領(lǐng)域的專家研討了發(fā)展空間太陽(yáng)能電站的重大科學(xué)問題和發(fā)展建議。國(guó)際上也非常關(guān)注中國(guó)在此領(lǐng)域的發(fā)展。利用國(guó)際會(huì)議和交流機(jī)會(huì)，我國(guó)與美國(guó)、日本、歐洲和俄羅斯的專家開展了廣泛深入的技術(shù)研討。2013年，國(guó)際宇航大會(huì)在北京召開，中國(guó)專家應(yīng)邀作了“21世紀(jì)人類的能源革命—空間太陽(yáng)能發(fā)電”的空間發(fā)電分會(huì)主旨發(fā)言，葛昌純?cè)菏孔鳛樘匮麑＜掖碇袊?guó)參加空間太陽(yáng)能發(fā)電論壇。
在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，“十二五”期間，在國(guó)防科工局等的支持下，國(guó)內(nèi)有更多的研究團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)研究工作。包括中國(guó)航天科技集團(tuán)公司、中國(guó)工程物理研究院、西安電子科技大學(xué)、重慶大學(xué)、四川大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)和中科院長(zhǎng)春光機(jī)所等單位，開展了空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)方案和多項(xiàng)與空間太陽(yáng)能電站相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究工作。在中國(guó)航天科技集團(tuán)公司原總經(jīng)理馬興瑞指示下，中國(guó)空間技術(shù)研究院于2013年6月論證形成《系統(tǒng)謀劃，加快推進(jìn)中國(guó)空間太陽(yáng)能電站領(lǐng)域發(fā)展》的研究報(bào)告，提出了我國(guó)SPS發(fā)展路線初步建議。2013年，楊士中院士和段寶巖院士向國(guó)家建議開展太空發(fā)電站關(guān)鍵技術(shù)研究，引起了相關(guān)部門的重視，正在組織開展其發(fā)展論證工作。
3. 2空間太陽(yáng)能電站概念方案及關(guān)鍵技術(shù)研究
以中國(guó)空間技術(shù)研究院為主的研究團(tuán)隊(duì)已開展了多種空間太陽(yáng)能電站概念方案研究，并提出了國(guó)際上創(chuàng)新的多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽(yáng)能電站(MR-SPS)方案。該方案采用模塊化太陽(yáng)電池陣結(jié)合分布式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的方式，將整體太陽(yáng)電池陣分解為多個(gè)獨(dú)立的電池子陣，將單一的導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槊恳粋�(gè)電池陣對(duì)應(yīng)兩個(gè)獨(dú)立導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，大幅降低了導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的導(dǎo)電功率，并消除了導(dǎo)電關(guān)節(jié)的單點(diǎn)問題，解決了制約空間太陽(yáng)能電站方案設(shè)計(jì)的最大難題之一，同時(shí)便于模塊化的擴(kuò)展和控制。
在關(guān)鍵技術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在無(wú)線能量傳輸技術(shù)和超大型結(jié)構(gòu)等方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，主要包括:解決多個(gè)微波源的高效功率合成和高效微波整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)千米距離上微波能量傳輸接收試驗(yàn);完成40m2的展開式柔性太陽(yáng)電池陣原理驗(yàn)證;建立地面太陽(yáng)光泵浦激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)30W的激光輸出，并開展了1 00m距離的能量傳輸試驗(yàn)等。
4.空間太陽(yáng)能電站未來(lái)發(fā)展展望
空間太陽(yáng)能電站是一個(gè)宏偉的航天和能源工程，其建設(shè)將是國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的充分體現(xiàn)，其發(fā)展將可能引發(fā)諸多技術(shù)領(lǐng)域的科技革命，從根本上改變?nèi)祟惱煤瞳@取能源的方式，改變電力傳輸?shù)姆绞健？臻g太陽(yáng)能電站的發(fā)展特別將帶動(dòng)航天領(lǐng)域技術(shù)的全面進(jìn)步，對(duì)國(guó)家進(jìn)入空間的能力將產(chǎn)生革命性的影響，并極大地提升空間建造和原位資源利用的能力，其發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而隨著國(guó)際上相關(guān)運(yùn)載技術(shù)、空間技術(shù)的快速發(fā)展，以及相關(guān)的高效光電轉(zhuǎn)化技術(shù)、輕型結(jié)構(gòu)材料、微波器件、電力電子技術(shù)、微電子及控制等技術(shù)的快速進(jìn)步，試驗(yàn)驗(yàn)證型的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)有可能在未來(lái)20年左右實(shí)現(xiàn)，GW級(jí)商業(yè)化電站有可能在本世紀(jì)中葉左右實(shí)現(xiàn)。
據(jù)此，我們初步提出我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展步驟建議，將我國(guó)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展分為兩大階段。
第一階段:2015一2030年，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及驗(yàn)證階段。
該階段的主要目標(biāo)是開展全系統(tǒng)詳細(xì)方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真、完成空間太陽(yáng)能電站核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在地面和空間利用多種途徑開展關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，初步建立空間構(gòu)建及支持系統(tǒng)，啟動(dòng)建設(shè)MW級(jí)空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)。
第二階段:2030一2050年，工程建設(shè)及商業(yè)化運(yùn)行階段。
該階段的主要目標(biāo)是在空間太陽(yáng)能電站關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和MW級(jí)系統(tǒng)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，以應(yīng)用為牽引，依托商業(yè)資本，面向商業(yè)電站開展創(chuàng)新技術(shù)的持續(xù)研發(fā)，完善空間支持系統(tǒng)，開展空間太陽(yáng)能電站工程建設(shè)，建設(shè)業(yè)務(wù)運(yùn)行空間太陽(yáng)能電站，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大并逐漸將發(fā)電成本下降到具有商業(yè)價(jià)值的階段奠定基礎(chǔ)。
5.結(jié)論
空間太陽(yáng)能資源巨大，有可能成為未來(lái)可再生能源的重要組成之一，國(guó)際上主要航天大國(guó)都非常關(guān)注并且在此領(lǐng)域持續(xù)開展研究。我國(guó)空間技術(shù)和空間工業(yè)基礎(chǔ)的快速發(fā)展，為我們進(jìn)一步利用、開發(fā)空間資源開辟了新的空間。研究并開展空間太陽(yáng)能電站相關(guān)基礎(chǔ)問題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，對(duì)于我國(guó)未來(lái)能源和環(huán)境安全具有重要的戰(zhàn)略意義。在國(guó)家有關(guān)部門的支持下，我國(guó)空間太陽(yáng)能電站研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，在今后的發(fā)展中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)頂層規(guī)劃，加大研究力度，加強(qiáng)國(guó)際合作，促進(jìn)我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
【簡(jiǎn)析空間太陽(yáng)能電站技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望論文】相關(guān)文章：
簡(jiǎn)析水利施工管理現(xiàn)狀及改進(jìn)措施的論文10-20
簡(jiǎn)析小兒計(jì)劃免疫現(xiàn)狀及對(duì)策研究論文01-11
簡(jiǎn)析私人銀行設(shè)計(jì)論文04-21
簡(jiǎn)析城市中臨時(shí)性邊界空間重構(gòu)研究論文04-14
地方語(yǔ)言學(xué)派簡(jiǎn)析論文04-28
《祝福》簡(jiǎn)析12-05