空間太陽能電站聚光模式研究

張興華,侯欣賓,王立,閆勇

1.中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室,北京100094 2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,長春130033

空間太陽能電站聚光模式研究

張興華1,*,侯欣賓1,王立1,閆勇2

1.中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室,北京100094 2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,長春130033

空間太陽能電站(Space Solar Power Station,SSPS),是指能夠在軌道上將太陽能通過工程技術手段有效采集、轉化并傳輸到地面,再轉化成為電能供地面使用的系統。聚光是空間太陽能收集的途徑之一,多種SSPS方案采用了聚光方式。文章介紹了聚光式SSPS的研究現狀,對現有SSPS方案中的不同聚光技術方案進行了綜述分析,將空間太陽能電站聚光技術劃分為3個層次,總結成4種模式,詳細分析了每種模式的優點與技術難點,并對聚光式空間太陽能電站的發展提出建議。

空間太陽能電站;太陽能;聚光;電力管理;姿態控制;熱控;太陽光泵浦激光

空間太陽能電站(Space Solar Power Station,SSPS),又稱太空發電站(Space Power Station,SPS)或太陽能發電衛星(Solar Power Satellite,SPS),是指能夠在軌道上將太陽能通過工程技術手段有效采集、轉化并傳輸到地面,再轉化成為電能供地面使用的系統[1]?？煞譃閮深?一類是在GEO軌道上將太陽能轉換為微波或激光,之后通過無線能量傳輸方式傳輸到地面,再轉化為電能進入電網的系統,這一類研究最多;另一類是在GEO軌道上將太陽光會聚后傳輸到地面,在地面進行熱電和光電轉化,并進入電網的系統。

國際上已提出幾十種概念方案[2-6],其中多種采用了聚光技術。然而,在每種方案中聚光技術的作用與導致的問題,在不同方案中聚光方案的異同,以及聚光式空間太陽能電站將來的發展方向,目前尚沒有一個系統而清晰的結論。聚光并非空間太陽能發電必須的環節,但卻是空間太陽能收集的一種可行的途徑。對于空間太陽能電站這樣一個尺寸千米級、質量萬噸級、功率吉瓦級的超大型空間系統,其聚光技術的應用和聚光方案設計也不同于現有航天器中的聚光電源系統和聚光推進系統。因此,聚光模式的研究對空間太陽能電站方案的設計有著重要意義。

本文擬對現有空間太陽能電站方案中的不同的聚光方案進行詳細的分析與研究,將空間太陽能電站可用的聚光方式總結成幾種模式并提煉出幾個層次,以期對聚光提供較為全面的認識,并對聚光技術的應用提出建議,為聚光式空間太陽能電站方案的設計提供參考。

1 聚光消除導電旋轉關節模式

以SSPS1979[7]為代表的平臺式空間太陽能電站存在吉瓦級導電旋轉關節的難題,因此空間太陽能電站采用聚光技術的主要目標之一是要消除大功率導電旋轉關節,以解決關鍵的電源管理與分配難題。因此,基于這一點,采用光學系統的旋轉代替電力傳輸系統的旋轉,未必需要高聚光比。目前提出的采用聚光消除導電旋轉關節模式的方案,根據聚光鏡對日跟蹤方式的不同可分為聚光鏡整體旋轉、模塊旋轉和無旋轉3種。在以下方案中,均采用微波無線能量傳輸方式,如果采用電能轉換為激光的方式,聚光系統構型保持不變。

1.1 聚光鏡整體旋轉對日跟蹤方案

(1)一次反射集成對稱式

平臺式空間太陽能電站需要吉瓦級導電旋轉關節,對比國際空間站上的太陽阿爾法旋轉節(The Solar Alpha Rotary Joint,SARJ)的功率等級60 k W[8],其技術難度極大,一次反射集成對稱式SSPS創造性地提出用聚光鏡旋轉代替電池陣旋轉。NASA提出的集成對稱聚光系統(Integrated Symmetrical Concentrator, ISC)[9](見圖1),主要包括兩個聚光鏡、兩個光伏電池陣和一個天線陣。聚光鏡為對稱的兩片蛤殼式結構,口徑約為4 km,由24個或36個反射鏡模塊組成,聚光比為2∶1或4∶1。反射鏡模塊為直徑約500 m的平面鏡,與蛤殼式結構主鏡方向成一定夾角。ISC不是一個光學成像系統,光線僅需要從每個反射鏡模塊反射到電池陣,采用10 km長焦距和0.5°平面度要求,可使電池陣列周圍漏光最小、熱斑最小。電池陣位于中央,聚光器焦點兩側附近,直徑1 070～1 770 m。早期方案將天線陣放在電池陣背面,以減小電纜長度,但帶來散熱問題,因此后來設計成兩個夾角成10°的分開的電池陣。天線陣位于兩個電池陣的下方。聚光器、電池陣、天線陣之間通過桁架連接,電池陣和天線陣相對固定,兩片聚光器整體旋轉對日跟蹤,將太陽光聚集到電池陣。

圖1 ISC方案——一次反射式Fig.1 ISC concept:one stage reflector

該系統首次采用光學系統的旋轉取代了電池陣的轉動,從而避免了采用導電旋轉關節。系統對日跟蹤容差能力大,可允許最大跟蹤誤差的角度達23.5°;太陽光只需要經過一次反射,光能損失較少;電池陣與天線陣分離,有利于散熱;電池陣和天線陣之間距離較近,電力傳輸距離較短。這一方案仍存在兩個問題:需要集中式電力管理系統[10];兩個口徑約5 km的聚光鏡需要整體旋轉對日跟蹤,姿態控制代價較高。

(2)二次反射集成對稱式

為克服集中式電力管理的難題,發展了模塊化的三明治結構,形成了二次反射集成對稱聚光式SSPS。二次反射集成對稱聚光式空間太陽能電站有多種方案,典型代表有NASA的模塊化對稱三明治(Modular Symmetrical Sandwich, MSC)方案[11](見圖2)、美國海軍實驗室P.Jaffe等人的臺階模塊方案[12]、JAXA的SPS2001/SPS2002/SPS2003系列方案[13,14],以及Xianlong Meng等人提出的1GW SSPS方案[15]和閆勇等人提出的10MW SSPS方案[16]。各種方案基本構型相同,具體結構的構型上有所差異,主要體現在三明治結構的散熱改進、二級鏡的選擇及連接形式上。

圖2 MSC——二次反射式Fig.2 MSC concept:two stage reflector

二次反射集成對稱聚光式空間太陽能電站的基本構型包括兩個主反射鏡、兩個二級反射鏡和一個三明治結構。主反射鏡與ISC構型的聚光鏡相似,二級反射鏡為平面鏡,位于主反射鏡焦點兩側附近。電池陣和天線陣集成為一體的三明治結構,電池陣位于上方,接收二級鏡反射的聚光能流,天線陣位于下方并保持對地定向。聚光系統和三明治結構通過桁架連接。主反射鏡整體旋轉對日跟蹤,將入射光線聚集在二級反射平面處,利用平面鏡的散射作用將太陽能流均勻投射在電池陣上。根據主反射鏡對日指向的不同,二級鏡需要作相應的調節。相較于ISC方案,二次反射采用科勒混合照明原理,使得聚光能流分布均勻,但聚光系統對日跟蹤容差能力降低。三明治結構可以采用分布式電力管理,大大簡化電力傳輸與管理的難度。主反射鏡的對日跟蹤控制和三明治結構的熱控是此類系統的兩個較為突出的問題。

三明治結構將電池陣和天線陣集成在一起,帶來了嚴重的散熱問題。相較于ISC方案,三明治結構熱流密度增大,散熱面積減小,導致熱控難度大大增加,因此通常要求采用較低的聚光比,約2～5。針對熱控問題發展了多種構型。JAXA SPS2003方案中選用波長可選的薄膜以避免不需要的波長。JAXA的SPS2002方案,將電池陣與天線陣布置在同一面,背面安裝熱輻射器,散熱性能的改善有限。P.Jaffe等[12]提出了臺階模塊方案(見圖3),將平面的三明治結構改進為頂部開口圓錐形的臺階模塊,增大散熱面積,可將最高溫度降低63%。但由于電池陣和天線陣不在同一平面,改進光路設計保證臺階形的電池陣聚光能流均勻性,以及臺階形天線陣的微波波束合成,是兩個需要解決的問題。

為解決主反射鏡與三明治結構的連接問題, JAXA SPS2003方案采取了分體式構型設計,主反射鏡舍棄連接支架結構,三部分結構編隊飛行,降低了轉動連接機構的難度,但主反射鏡的位置姿態控制難度更大。

圖3 臺階形模塊方案Fig.3 Step modules concept

1.2 聚光鏡模塊旋轉對日跟蹤方案

在聚光鏡整體旋轉對日跟蹤方案中,尺寸5 km級的聚光鏡整體旋轉增加了姿態控制的難度。為此,John C.Mankins等人提出了任意相控陣空間太陽能電站SSPS-ALPHA方案[3,17],系統主要包括聚光鏡和三明治結構兩部分,兩者通過桁架連接。聚光鏡為酒杯狀,其構型設計經歷了多種版本,典型的3種構型見圖4(a)。三明治結構和二次反射集成對稱式相似,其中光伏電池位于上方,面向聚光鏡一側。系統平臺整體尺寸約為Φ3 km×5 km,三明治結構直徑1.2 km。聚光鏡采用模塊化設計思路,由上千塊75～100 kg反射鏡模塊組成。對日跟蹤過程中每個鏡面模塊單獨調節以改變入射的太陽光的方向,使其集中到底部電池陣上,整個聚光鏡保持靜止,聚光原理如圖4(b)所示。

圖4 SSPS-ALPHA方案(2011/2012/2013 Version)構型與聚光原理Fig.4 SSPS-ALPHA concept(2011/2012/2013 Version) configuration and concentrator principle

與ISC等方案相比,該系統最大的優點是無需整體旋轉控制對日跟蹤,采用調節反射鏡模塊的方式取代了聚光鏡整體的對日跟蹤,大大降低了姿態控制能耗。然而,眾多的聚光鏡模塊分別調整對日跟蹤,比較復雜;并且,由于同一時刻只有部分反射鏡起到聚光作用,因此該方案是以增加反射鏡的面積為代價來代替整個電站系統的對日跟蹤;此外,和二次反射集成對稱聚光系統同樣存在三明治結構的散熱問題。

1.3 聚光鏡無旋轉對日跟蹤方案

鑒于ALPHA方案聚光模塊調節的復雜性, 2014年楊陽等人提出了一種球反射面的線聚焦SSPS-OMEGA方案[18](見圖5),系統主要包括球面反射鏡、光伏電池陣和微波天線陣3部分。球面反射鏡去除南北極部分,直徑3 080 m,采用單向薄膜材料。光伏電池陣為柱狀體,長度約為球體半徑的1/2,位于球體底部。天線陣為直徑1.2 km的圓形平面陣列,位于球面中心,法向指向地面。電池陣與天線陣通過電纜及導電滑環連接,天線陣通過四根調整索連接于聚光鏡的南北極區域。電池陣相對于聚光鏡和天線陣作勻角速度的旋轉,旋轉周期為24 h。

圖5 OMEGA方案構型示意Fig.5 OMEGA 2014 Version

該方案具有幾個顯著的優點:整個聚光鏡不需要旋轉,單個聚光鏡模塊也不需要調節,聚光系統的控制難度降低;由于聚光鏡為球面,理論上電池陣接收的太陽能功率基本不變,聚光功率最為穩定;天線陣與聚光鏡之間采用調整索連接,連接結構質量低;天線陣和電池陣分離,天線陣散熱設計壓力降低。然而,該方案需要研制單向透光材料,電池陣熱控難度大,尤其是電池陣和天線陣之間的遠距離相對運動增大了電力傳輸難度,需要發展新的電力管理方案。

2 聚光直接泵浦激光模式

在空間太陽能電站聚光直接泵浦激光模式中,采用拋物面反射鏡或菲涅耳透鏡進行太陽光高聚光比聚焦,聚集的太陽光發送到激光發生器(見圖6),利用直接泵浦激光方式產生激光,激光擴束后傳輸到地面,地面采用光伏電池發電或直接用于制氫。將太陽光轉換成激光的實質是輻射亮度的大幅度提高,高倍聚光是產生激光所必須的,比如使用釔鋁石榴石(Yttrium Aluminum Garnet,YAG)晶體時,所需太陽光束聚光比至少達到數百以上,因此,基于激光的空間太陽能電站(L-SSPS)是一種高聚光比的空間太陽能電站。

圖6 采用兩級會聚的太陽光泵浦激光系統方案[19]Fig.6 Two staged concentrating solar pumped laser system[19]

日本提出的L-SSPS方案[2,20,21](見圖7)中,一個吉瓦級的L-SSPS可由100個單元組成。每個單元包括太陽聚光鏡、散熱器、激光發生器、激光發射器和其他支持系統,尺寸為200 m×200 m×100 m。整個系統結構對稱,太陽光壓的干擾不影響系統的穩定性,所需姿態軌道控制系統質量較小。歐洲參考日本的方案作了進一步設想[2]。L-SSPS位于地球同步軌道,薄膜電池陣面積111 km2,輸出53 GW電功率,饋入效率為50%紅外激光發生系統,激光波長1.06μm,由于波束成型和大氣衰減所造成平均損耗約為38%,位于北非的地面接收系統面積70 km2,最終輸出7.9 GW的恒定功率。

圖7 激光空間太陽能電站L-SSPSFig.7 Laser space solar power system

聚光直接泵浦激光模式,直接將太陽光轉換為激光,不經過電能轉換過程,能量轉換環節少,有可能實現較高的系統效率。激光傳輸模塊構建方式靈活,系統規模易于擴展。并且激光發散角小,更適合于軌道間遠距離的無線能量傳輸,比如為航天器供電。

目前太陽光-激光轉換效率還較低。根據Peng Xu等人2014年報導的試驗結果[22],菲涅爾透鏡有效面積1.03 m2,采用分腔水冷型金屬錐形泵浦腔,以預制螺紋的Nd:YAG晶棒作為激光工作物質,獲得了27 W的穩定激光輸出,斜效率達到9%,這是目前試驗得到的最高效率。主要原因是大口徑菲涅爾透鏡的匯聚效率較低、激光材料與太陽光的光譜匹配效率不理想等。為此還需要深入研究高效率太陽光泵浦固體激光器優化設計理論和方法,研制高匯聚效率大口徑菲涅爾透鏡與高光譜匹配效率激光材料,并解決相應的熱控問題[23]。此外,從L-SSPS系統總體角度,還需考慮大氣傳輸損耗和接收端光電轉化效率對波長選擇的限制,并解決聚光鏡對日跟蹤和激光對地定向帶來的光路相對運動問題。

3 聚光太陽電池模式

聚光太陽電池模式采用目前衛星上已有的聚光空間光伏電源系統。通過聚光器將大面積太陽光聚焦到電池片上,利用簡單、低成本的聚光器減少昂貴的電池用量,同時用高倍聚光比提高太陽電池效率,有望降低空間太陽能電站系統的成本并進一步提高系統效率。

3.1 典型的空間聚光光伏電源系統

目前,衛星聚光光伏電源系統中的太陽能聚光技術主要有反射式和折射式兩種。聚光方式又包括點聚焦和線聚焦兩種。點聚焦倍率高,可以達到數千倍,但是聚焦面積比較小。線聚焦倍率比較低,一般為數倍到十幾倍,但聚焦面積比較大,對太陽指向跟蹤精度要求比較低。拱形菲涅爾透鏡線聚焦聚光器是目前該領域的主流技術[24]。國外在聚光空間光伏電源系統方面已有多次空間驗證,部分取得了成功。

反射式聚光光伏電源系統采用拋物形[25]或槽形[26]反射結構。波音衛星系統公司的HS-702衛星平臺采用了槽形反射聚光陣(見圖8),將平面薄膜貼放在兩邊斜放的平板上,其斜板各與槽底基板傾斜60°,形成一個槽式結構聚光器,平板太陽電池位于凹槽底面,反射器寬度與太陽電池基板相等,有效聚光比約1.8,在1999年發射的Hughes Galaxy XI衛星中,聚光器長34 m,發電功率10 k W。然而,采用該平臺的Anik-F1、F2等多顆通信衛星入軌后均出現了相似的故障,太陽電池陣輸出功率突然出現了永久性的下降。資料推測有兩種原因[27,28]:反射器的高反射系數導致其與太陽電池陣間發生靜電放電,或聚光高密度熱流使材料出氣導致反光鏡和太陽電池片污染。

圖8 HS702衛星反射式聚光太陽翼Fig.8 HS702 satellite solar array of reflecting solar concentration

折射式聚光光伏電源系統基于三棱鏡折射聚光原理,其中線聚焦結構更具優勢,太陽指向跟蹤的精度要求低、單軸驅動并且透鏡材料便宜[29]。1998年發射的深空1號[30-31](DS-1)航天器采用了折射式聚光電池陣,聚光器采用了線聚焦拱形結構(見圖9),入射面是光滑的平面,出射面是三棱形結構,太陽陣輸出功率1 300 W,成功作為主電源為離子推進器供電。

圖9 拱形結構折射式聚光器太陽翼Fig.9 Refraction concentrator with convex outer Fresnel lens

聚光光伏電源系統用于空間太陽能電站,可以作為降低系統成本和提高系統效率的技術途徑之一。薄膜槽形反射聚光器滿足輕質量以及高收納比等要求,并且方便與平臺式或多旋轉關節式SSPS的薄膜電池陣集成,其低倍聚光可將電池用量減少近50%。高聚光比的折射聚光器可與空間太陽能電站中剛度較大的三明治結構[12]集成,太陽電池用量大大減少,并能夠大幅提高電池效率:研究表明,采用12.7倍聚光比節約86%太陽電池數量[32],而聚光多結太陽電池的實驗室效率可達46%(AM1.5光譜,508倍聚光比)[33-34]。

另一方面,聚光太陽電池模式還存在兩個主要問題:1)聚光結構與電池陣集成為一體,大功率導電旋轉關節這一難題仍然存在;2)雖然可減少光伏電池用量,但增加了大面積的聚光系統,帶來了光學系統的高形位精度和高指向精度問題,以及電池陣高熱流密度的熱控問題,增加了系統的復雜程度和成本,聚光倍數越高,對太陽指向精度、控制精度、結構幾何精度、光學參數精度、熱控設計等指標的要求越嚴,因此需要權衡。

3.2 太陽塔方案

太陽塔[35]是聚光太陽電池模式的空間太陽能電站。太陽塔方案采用模塊化和重力梯度穩定的方式,由發電模塊、系繩構架和發射天線組成(見圖10)。系繩構架長約15 km,發電模塊沿系繩構架(包含了結構/電力傳輸設備)的長度方向對稱布置,發射天線位于塔底,微波傳輸功率為100～300 MW。發電模塊包括聚光器、光伏陣列、熱輻射器和指向跟蹤系統;模塊對日跟蹤,聚光器將太陽光聚集在光伏電池陣上,熱輻射器用于對光伏陣列散熱;聚光器采用卡塞格林體系,菲涅爾薄膜反射器或菲涅耳透鏡直徑50～60 m,每個模塊輸出功率1 MW。方案有三種軌道,低軌太陽同步軌道(1 000 km)、中軌(6 000 km和12 000 km)和地球同步軌道。太陽塔方案具有如下優點:1)采用高倍聚光比減少了電池的用量;2)模塊化的聚光發電結構,組裝和控制簡單;3)如果部署在太陽同步軌道,則聚光器對日跟蹤旋轉角度為0°～23.4°,不需要導電旋轉關節;如果部署在地球同步軌道,則需要導電旋轉關節,但是由于每個發電模塊上都有一個,傳輸電功率要小得多,面臨的技術挑戰也低。

該方案也存在兩個明顯的問題:1)對于部署在低軌的太陽塔,由于太陽塔和地面接收站的相對運動,需要單個太陽塔的波束控制范圍大、多個塔之間接力傳輸,該方案中要求波束的控制能力達到60°(±30°);2)當部署在地球同步軌道時,聚光器轉動跟蹤太陽,始終保持與太陽光線垂直,但是太陽塔運行過程中各聚光器會周期性地相互遮擋,具體計算如下。

圖10 太陽塔設想Fig.10 Sun tower concept

設聚光器半徑為r,兩聚光器中心距L,聚光器平面垂直于太陽光并與系繩構架夾角為θ(見圖11)則只有符合下列條件時兩者無相互遮擋:

1)當θ=0°時,即所有聚光器和系繩架構位于同一平面時,L≥2r即無相互遮擋;

2)當θ=90°時,即所有聚光器都垂直于系繩架構時,L→∞,即只有最前面一個聚光器能接收到光線,其他聚光器都被遮擋;

3)按照圖10中系統設計參數,r=50 m、L=100 m,只要θ≠0°,即相互遮擋。

可見,各聚光器的相互遮擋成周期性變化,太陽塔電力輸出成周期性波動,最低輸出功率0 W,周期為1/2天。

圖11 聚光鏡遮擋示意Fig.11 Shelter of concentrators

4 空間聚光至地面模式

空間聚光至地面模式是在地球軌道布置巨大的輕型太陽光反射器,直接將太陽光反射到地面的光電或光熱轉換陣列。采用該聚光模式時,只需要在地面進行一次能量轉換,空間段沒有能量轉換環節,航天器本身不需要能量轉換、無線能量傳輸、電源管理以及熱控系統等,理論上系統最為簡單。但是,空間聚光傳輸至地面模式存在太陽發散角與大氣傳輸兩個問題。對于大氣傳輸問題,聚光向地面傳輸過程中完全受天氣影響,多云、霧霾和大氣散射都影響聚光傳輸效率。對于太陽發散角導致的問題分析如下。

太陽是面光源,太陽光不是平行光,而是以一定錐角入射的,即聚光器鏡面每一點受到的入射光線組成了一個以此點與太陽中心連線為中心軸的圓錐入射光束(見圖12),太陽角δ為

式中:d0=1.392×109m為太陽直徑;L0= 1.496×1011m為太陽與地球距離;θs為太陽半角。

因此可得θs≈4.65 mrad=16′。

圖12 太陽錐角計算示意Fig.12 Sunlight tape angle

相應的,鏡面反射器反射的太陽光的發散角也是16′。反射器位于某一軌道高度L時,地面光斑直徑D如下,兩者成正比關系:

為了在地面獲得一個太陽常數,位于地球同步軌道的反射器需達到地面光斑同一尺寸。此外,考慮到太陽斜角的影響,即反射器衛星不在地面正上方而是成一定斜角時,地面光斑還會更大。

在地球軌道太陽光反射器Solares概念[3]中,將反射聚光器置于地球同步軌道。根據式(2),反射器上任意一點所反射的光線在地面上所形成的光斑直徑約為335 km。為了在地面獲得一個太陽常數的光照強度,反射器尺寸需大于335 km。同時,反射器必須是一個光學平面,面形精度小于光波長的幾分之一。在空間實現保證光學精度如此巨大的反射器,其技術挑戰極大(可對照詹姆斯·韋伯空間望遠鏡[36],其鏡面直徑僅為6.5 m)。從根本上說,需要新的方法來實現大尺度空間聚光系統。

Ehricke提出的Power Soletta概念[37],選取高度4 200 km的軌道,采用3個面積約1 385 km2的反射器同時向地面反光,并在地面形成一個約1 200 km2的光斑。選擇這個軌道高度,可以整夜連續為地面提供光照。但反射器直徑約42 km,尺寸仍顯較大,并且所選軌道位于范艾倫輻射帶。

2011年Lewis提出了MiraSolar星座的概念[37-38]見圖13,其中圖13(b)中從左往右第2條曲線為正常白天8 h光照曲線,第1條和第3條曲線為MiraSolar星座在早晨和傍晚均為地面多提供3 h的光照曲線。系統工作在約1 000 km高度的太陽同步晨昏軌道,最佳的軌道周期是24h的整數倍,由此可以選擇軌道高度1 250 km、900 km或600 km,對應的周期分別為13圈/天、14圈/天和15圈/天。三個軌道面間隔20°,每個軌道面18顆衛星,總計54顆衛星,每顆衛星直徑10 km、面積78.5 km2,地面布設40個直徑10 km的接收站,采用光伏電池陣發電。設想了兩種反射器單元,直徑250 m的圓形平面單元,采用厚度12.5μm的鍍鋁聚酯薄膜;邊長3 0 7 m的三角形平面單元,采用厚度2.5μm太陽帆用薄膜。如此大的面積,要保持光學平面有相當的難度。除了正常的白天8 h外,在早晨和傍晚用電高峰期分別為地面多提供3 h的電力,共計每天提供14 h的電力。按照地面接收轉換光伏電池效率20%、地面覆蓋率50%計算,每個地面站發電量達5.5G W, 40個地面站共計發電220 GW。系統的發展建議分為3步:第1步發射一個包含4個直徑250 m反射器的衛星單元,光照強度約為太陽常數的1/400或月光強度的100倍;第2步,在一條太陽同步軌道上布設18顆衛星形成星座;第3步,形成最終3條軌道的54顆衛星的星座。

可見,空間聚光至地面模式在理論上雖然簡單,但實際上并不容易實現。在地球同步軌道上,實現尺寸超過300 km的光學反射器難度極大;在低軌可以將反射器尺寸減小至10 km,但帶來的問題是衛星相對于地面被照射位置周期性相對運動,必須組成星座以增加對地面固定目標的覆蓋時間。

圖13 MiraSolar星座系統概念Fig.13 MiraSolar constellation concept

5 結束語

將空間太陽能電站聚光技術總結成4種模式并劃分為3個層次,詳細分析了每種模式的優點與技術難點,對聚光式空間太陽能電站的方案研究與技術發展提出建議。

(1)空間太陽能電站聚光模式

聚光是一種可行的空間太陽能收集方式,可簡化空間太陽能電站系統的能量轉化傳輸環節、解決電力管理難題、降低系統成本以及提供系統效率,聚光式SSPS是空間太陽能電站發展的一個重點方向。聚光技術的應用在改善系統性能的同時,也提出了新的問題。綜述分析了可能用于空間太陽能電站的聚光技術,總結成四種聚光模式,詳細分析了每種模式的特點及用途。

1)聚光消除導電旋轉關節模式,目的在于解決超大功率導電旋轉關節的難題,核心思想是用光學系統旋轉代替電力傳輸系統旋轉,發展思路是從聚光鏡整體旋轉到模塊旋轉和無旋轉實現對日跟蹤,并降低姿態控制、電力管理與熱控的難度;

2)聚光直接泵浦激光模式,為提高輻射亮度,高倍聚光是必需的,該模式能量轉換環節簡單,重點是提高轉換效率;

3)聚光太陽電池模式,目的是節約太陽電池用量和提高系統效率,從而降低系統成本,但不解決導電旋轉關節問題,并且會帶來散熱的難題;

4)空間聚光至地面模式,能量轉換環節最少,但在地球同步軌道上聚光器超大,光能難以會聚,低軌采用星座模式以保證連續發電。

(2)空間太陽能電站聚光技術層次

根據聚光模式影響空間太陽能電站系統鏈路中能量轉化傳輸環節的不同,可分為3個層次:

1)空間聚光至地面模式為第1層次,影響到太陽能收集至地面接收整個環節;

2)聚光消除導電旋轉關節模式和聚光直接泵浦激光模式為第2層次,影響太陽光收集與電力傳輸兩個環節,這也是通常意義上講的聚光式空間太陽能電站;

3)聚光太陽電池模式為第3層次,只對太陽能收集環節有影響。

(3)聚光式空間太陽能電站方案研究建議

空間太陽能電站的核心應用目標是為地面提供商業化、大規模的電力供給,解決人類長期對于穩定的可再生能源的需求問題。同時,對于地面偏遠地區供電、緊急供電、航天器供電、調節環境等方面都具有重要的應用前景[1]。針對聚光式空間太陽能電站方案的研究提出如下建議:

1)多種模式共同發展。四種聚光模式各有優長,針對不同的應用目標發展不同的聚光式SSPS。比如:聚光消除導電旋轉關節模式,用于為地面提供商業化電力供給;聚光直接泵浦激光模式,用于軌道間航天器等的靈活供電;空間聚光至地面模式,采用低軌星座為地面照明或延長地面光伏發電時間。

2)重點發展聚光消除導電旋轉關節模式。四種聚光模式中,只有該模式能夠實現對地面不間斷的電力供給,因此從長遠需求角度最具發展動力;同時該模式能夠避免平臺式電站存在的技術難題,具有發展潛力。

3)研究新的聚光模式或發展組合模式。在已有模式的基礎上,發展新的聚光模式,或將已有模式加以組合(比如將聚光太陽電池模式應用于聚光消除導電旋轉關節模式的電池陣),滿足聚光式空間太陽能電站對于高效率低成本的要求,以及滿足可能出現的新的需求。應與平臺式空間太陽能電站對照發展,解決其難以解決的問題,實現其難以實現的功能。

(4)聚光式空間太陽能電站關鍵技術研究建議

空間太陽能電站的核心問題是效率、成本與安全,提高功率質量比,降低電力管理和熱管理的難度,減小在軌運行姿態控制代價,降低在軌構建與運載發射難度等是系統方案設計中應著重考慮的問題。因此,空間太陽能電站采用聚光技術時,應解決伴隨出現的新問題,要考慮是否有助于提高系統的效率,是否能夠降低系統的設計、構建與運行控制成本等。聚光式空間太陽能電站關鍵技術研究建議如下:

1)結構機構技術:從空間太陽能電站輕量化的角度,應發展薄膜聚光結構,重點研究大尺寸薄膜聚光器的折疊展開、高精度聚光鏡的形面保持以及與電池陣的組裝集成等問題。

2)聚光鏡材料:研究空間聚光用高反射率或高透射率聚光鏡材料,以提高聚光系統效率;聚光鏡材料或基底材料通常采用聚酰亞胺、硅酮等聚合物,研究空間輻射環境的改性處理,實現長壽命;控制真空下材料出氣與分解,避免對太陽電池等的污染。

3)姿態控制技術:聚光鏡的指向精度對于光斑位置和聚光能流均勻性有重要影響,研究適用于超大型薄膜聚光鏡的姿態控制技術,滿足聚光系統對于精確對日跟蹤的需求。

4)熱控技術:聚光條件下太陽電池和激光器的散熱問題尤為嚴重,研究低倍聚光與高倍聚光下的熱控技術,維持聚光太陽電池或激光器等的長期高效能量轉換。

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(編輯:車曉玲)

lnvestigation of light concentrating mode for SSPS

ZHANG Xinghua1,*,HOU Xinbin1,WANG Li1,YAN Yong2
1.QianXuesenLaboratoryofSpaceTechnology,ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094,China 2.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun 130033,China

Space solar power station(SSPS)is a space system collecting and transforming solar energy into microwave or laser in the orbit and wirelessly transmitting the power to the ground station,where the power is changed into electricity.Solar concentration is a method of collecting space solar energy,and is applied to many SSPS concepts.After reviewing the progress of the solar-concentrating SSPS,and summarizing the concepts and technologies of solar concentration related to the SSPS,the solar concentration is divided into four modes corresponding to three levels,and both the advantages and disadvantages of each mode were analyzed.The development of the solar-concentrating SSPS was proposed.

SSPS;solar energy;solar concentration;power management;attitude control; thermal control;solar pumped laser

TM615

:A

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0019

2015-08-26;

:2015-11-18;錄用日期:2016-02-26;< class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2016-04-19 14:57:42

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160419.1457.004.html

國家自然科學基金(11402282);錢學森空間技術實驗室自主研發基金

*

:張興華(1980-),男,博士,高工,zxhroad@163.com,主要研究方向為沖擊動力學、空間太陽能電站總體方案

張興華,侯欣賓,王立,等.空間太陽能電站聚光模式研究[J].中國空間科學技術,2016,36(2):1-12. ZHANGXH,HOUXB,WANGL,etal.InvestigationoflightconcentratingmodeforSSPS[J].ChineseSpace ScienceandTechnology,2016,36(2):1-12(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn