太陽光綜合利用技術及其在空間站應用的可行性分析

李中華，趙 琳，王志民，魏 杰

（1.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000；2.西安交通大學，西安 710049）

0 引言

我國空間站建設工程已全面展開，計劃到2022年前后完成在軌組裝并投入運營，開展較大規模的空間科學與技術實驗。從“和平號”空間站和國際空間站積累的經驗來看，宇航員在空間站長期工作和生活是非常艱苦的，在空間站內部模擬地球生活環境（要求同樣的陽光、空氣、水分以及綠色植物等）是一個復雜的系統工程。除了控制艙內大氣成分與壓力、溫度和濕度、處理人體代謝物、監控與處理有害氣體以及再生氧氣和水等技術外，對艙內照明光源的光譜分布和照度也有一定的要求。由于航天員處在特殊的狹小艙內空間中，艙內的照明對航天員身體和心理都有一定的影響?？臻g站艙內照明的相關技術參數主要包括：亮度分布、照度、眩光、方向性、光色特性、照明系統的效率、照明系統的可靠性與安全性等[1-2]。太陽光是最適合人類照明的自然光，但是目前空間站內部的照明光源依然采用傳統的人造光源（電燈）照明系統，人造光源不僅沒有自然光線舒適柔和，而且會消耗航天器極其有限的電力資源?？臻g站的電力資源主要由太陽能電池陣提供，因為光伏發電效率相對較低，造成空間站的發電能力有限。電燈照明產生大量的廢熱，需要由熱控系統排出，增加了熱控系統的負擔，進一步加重電能的消耗。另外，空間植物生長實驗是空間站科學實驗必不可少的組成部分，同樣需要可見光能源。因此，基于未來空間站宇航員長期駐留的空間飛行要求，迫切需要研發出一種新技術或一套新系統，將太陽光直接引入空間站飛行艙內加以利用，滿足空間站長期在軌飛行中對于艙內照明、植物生長光源、再生生命保障系統光源等多方面的需求，有效減輕空間站熱控系統的負擔。

1 太陽光綜合利用技術的基本原理

空間站表面能夠接受的外空間太陽光能量密度為1 353 W/m2，其中，可見光占整個太陽光譜能量的38%左右，其余為紅外和紫外光。人眼能夠感知的和植物光合作用能夠利用的光波大部分是太陽光譜中的可見光部分（380～780 nm），而紅外光波段（＞780 nm）、紫外光波段（＜380 nm）對艙內照明或大部分綠色植物生長是沒有利用價值的，甚至是有害的。如果能將空間太陽光中的可見光與其他波段的光進行分離利用，將可見光直接用于航天器艙內照明或植物光合作用，省去中間的光電轉換過程，可大幅降低照明系統對空間站傳統光伏電能的依賴，降低對空間站有限電力資源的消耗。同時，將分離出來的紅外和紫外光通過光電轉換系統轉換成電能儲存起來，以備在無太陽光照條件下的輔助照明。

太陽光綜合利用技術是近年來發展起來的一種綜合利用太陽光能量的新型技術[3-10]，聚光系統（如反射拋物面聚光鏡、菲涅爾聚光透鏡等）采集全光譜的太陽光能量，經過光譜分離（分光）系統（如帶通濾光片）將太陽光分解成可見光和紅外/紫外光兩部分?？梢姽馔ㄟ^集束光纖導入空間站的艙內，直接驅動發光平板進行艙內照明，而紅外光部分利用GaSb窄帶隙光伏電池進行光伏發電，電能被蓄電池儲存起來用于背光條件下驅動電燈照明，基本原理如圖1所示。

在太陽光綜合利用系統中，光波導系統（包括聚光采集系統和分光傳輸系統）是整個系統中的核心部件，也是表征太陽光綜合利用系統對于太陽光綜合利用效率的關鍵技術部件。目前，主流的光波導系統大都采用旋轉拋物面反射聚光鏡+分光濾光片組合的方式實現，如圖2所示[3]。

圖1 空間太陽光綜合利用系統原理圖Fig.1 The principles of multiple utilization of solar energy in space

圖2 光波導系統結構模示意圖Fig.2 The structure sketch of optical waveguide

衡量聚光能量轉換效率的最核心參數是一次聚光器的聚光比，其大小決定聚光器的類型選擇、材質選擇及結構參數的優化等[4]。以旋轉拋物面反射聚光器為例，幾何聚光比C的定義為：聚光器的開口面積與接收器的端面面積之比，如圖3所示。

式中：W為旋轉拋物面反射鏡的開口直徑；D為管狀接收器的直徑。

如果從結構尺寸要求匯聚的可見光盡可能的被反射利用，則必須滿足：

圖3 拋物面反射鏡的光路設計示意圖Fig.3 The designing sketch of parabolic reflector

式中：L為光線入射點到拋物面焦點的距離；2θ為太陽光的張角（太陽光是非嚴格的平行光，具有一定張角2θ=32′）。其中，L可以通過求解聚光器的拋物線方程（x2=4fy）得到：

式中：ψ為入射點-焦點的連線與拋物面中軸線的夾角（位置角）；f為拋物面的焦距。

通過求解方程式（2）和式（3），可以得到接收器端面的最小直徑為：

在理想情況下，拋物面聚光鏡的幾何聚光比最終表達為：

其中，“相對光孔”N是用來衡量聚光影像的亮度或太陽光輻射的集中度（N=W/f）。

聚光比越大，聚光能量轉換效率越高，但是過高的聚光比會產生接收器斷面的熱效應及可靠性問題，必須對限制條件進行綜合分析。

2 太陽光綜合利用技術的發展歷史與研究現狀

太陽光綜合利用技術的研究歷史最早可以追溯到20世紀70年代。美國桑迪亞（Sandia）國家實驗室的Duguay等[5]提出了利用太陽光導入建筑物內直接照明的系統，如圖4所示。

圖4 太陽光導入系統光路傳輸示意圖Fig.4 The sketch of the light path in sunlight guidance system

研究者設想在高大建筑物房頂開一個小洞，由平面鏡（M1）和聚光鏡（M2）構成的太陽光收集系統將太陽光匯聚成束穿過房頂的小洞引入室內；經過一次透鏡（L1）還原為平行光照射到分光鏡（F）上，太陽光被分離成兩部分：紅外光用于光伏發電，可見光一部分經過凸面鏡（M3）反射到漫反射板用于辦公桌照明，另外一部分經過漫反射鏡M4投射到屋內天花板用于背景環境光源；多余的可見光再經過組合光路（平面反射鏡M5和二次透鏡M2）引入下一層房間內用于照明。

日本的La Foret工程公司推出了第一臺真正作為商品出售的太陽光采集照明系統“Himanwari（向日葵光纖照明系統）”，如圖5所示[6]。該系統是一個能自動跟蹤太陽光的照明系統，主要由太陽光聚光收集器（菲涅爾聚光透鏡）、太陽跟蹤裝置、傳輸光纜和室內照明終端等關鍵部件組成，另配有供夜間和陰雨天使用的人工照明光源裝置。

美國芝加哥大學費米研究所成功地設計了一種新型高效太陽能收集器（溫斯頓太陽能聚光裝置）[7]。溫斯頓聚光器采取兩級聚光：第一級是用一個直徑為40.6 cm的普通反射聚光鏡聚焦太陽光能量，并備有一套太陽跟蹤機構，使受光面始終接受太陽光的直射；第二級集光器位于第一級反射聚光鏡的焦面上，經第一級集中的太陽光通過凸透鏡進入到有特殊內表面高反光、充滿介質油的雙拋物面反射集光腔內進一步聚光。入射光口直徑約l cm，輸出光口直徑只有1 mm。

圖5 日本“向日葵”采光照明系統Fig.5 concentration system of Japan helianthus

美國物理科學公司（Physical Sciences Inc.）也是較早開展太陽能綜合應用技術的研究機構之一。該公司設計了一套太陽光聚光/分光裝置-光波導系統[8]，如圖6所示。

圖6 光波導系統結構示意圖Fig.6 The structure ketch of the optical waveguide

該裝置選用了一個直徑為50.8 cm的拋物面聚光鏡用于太陽光的聚光收集，在聚光鏡的焦點處放置了一個光纖耦合裝置，將匯聚的太陽光耦合到由石英光纖組成的光波導光纖束中，光波導光纜將高能量的匯聚太陽光直接引入室內照明。

美國3M公司、Sandia國家實驗室和Oak Ridge國家實驗室聯合開發了混合太陽光照明系統（Hy?brid Solar Lighting，HSL），如圖7所示。

圖7 HSL聚光裝置圖Fig.7 concentrator of HSL

HSL系統主要包括主動式太陽光采集器、二次聚光器、光纖傳輸、太陽光照明、太陽能電池等[10]，此項研究獲得美國能源部和聯邦資金的支持。目前，該系統已用于美國加州的Sacramento辦公建筑、德州的沃爾瑪超市商業建筑等項目中，其節能效果明顯。美國物理科學公司提出了一套空間太陽光綜合利用系統方案[11]，將全光譜的太陽光分離成可見光和紅外光兩部分，分別加以利用，從而實現了真正意義上的太陽光綜合利用，如圖8所示。

圖8 美國物理科學公司太陽光利用方案的光譜分布圖Fig.8 The spectral distribution of the solar energy utilization of Physical Sciences Inc.

400～780 nm的可見光線全部反射，用于艙內照明；780 nm以上紅外部分全部透過，用于光伏發電。對于紅外線光伏發電部分，該研究團隊考察了窄帶隙半導體光伏材料，如單晶硅、GaSb和InGaAs電池等。單晶硅電池的禁帶寬度為1.2eV左右，可以吸收1 000 nm以下的太陽光；InGaAs電池的禁帶寬度為0.8 eV，可以吸收1 550 nm以下的太陽光；GaSb電池的禁帶寬度為0.7 eV，可以吸收1 800 nm以下的太陽光。單從吸收帶寬來看，GaSb電池可以吸收更多的紅外光能量。紅外光伏組件被安裝在拋物面反射聚光器的焦點處，分光鏡的背面，經過分光鏡透過的紅外光直接照射到GaSb電池上進行光伏發電，如圖9所示。

圖9 GaSb電池片安裝位置示意圖Fig.9 Setting sketch of GaSb cells

歐盟于1990-2000年期間，用于太陽能供暖研究和發展的經費預算85%轉向日光照明技術的研究。瑞士日光巴士（Heliobus）公司和俄羅斯Aizen?berg教授合作開發太陽光室內照明系統，該系統由定日鏡（一種異形凹面鏡）采集太陽光，通過棱鏡光管將太陽光傳入室內。另外，由德國、意大利、瑞典的建筑師和研究人員共同研制了被稱為“人造日光（Arthelio）”的太陽光和硫燈組合照明系統[9]。

目前，國外的太陽光綜合利用技術在地面建筑方面的應用較多，技術相對成熟，并且已經有成熟化的商業設備投入實際應用。對于太陽能綜合應用技術在航天器上的應用，目前文獻報道較少，主要是美國物理科學公司在從事相關研究，而且主要是研制地面實驗樣機以及進行相關地面性能測試，還沒有在空間應用的報道，這說明空間太陽光綜合利用技術的研究在國外航天技術發達國家（主要是美國）也是處于剛剛起步的階段。中國的太陽能采光或照明技術，過去雖然也有所研究，但是進展緩慢。相關單位主要針對太陽光照明的地面應用開展了一些基礎性研究工作，而空間太陽光綜合利用技術研究還未開展。

3 太陽光綜合利用技術在空間站應用的可行性分析

從結構設計、能源轉換效率、應用成本以及技術成熟度等方面對比分析“太陽光綜合利用技術”與“傳統太陽電池陣發電技術”兩種方案的優缺點，探索太陽光綜合利用技術在空間站應用的可行性。

3.1 結構設計的對比分析

目前航天器普遍采用太陽能電池陣列提供所需電力，為了保證航天器各電力驅動部件和電子儀器設備的電力供應，航天器采用的太陽能電池陣列通常具有很大的尺寸。特別是空間站這種超大型航天器（如圖10所示），其太陽能電池帆板通常是由成千上萬個太陽能電池單元組成的陣列，如國際空間站單幅電池陣的長為73 m、寬為12 m，質量達1 000 kg以上。結構復雜，質量較大，發射成本較高。太陽光綜合利用技術由聚光鏡、分光鏡、光纖等組成，單個系統的結構相對簡單，產生同樣光照度的太陽光綜合利用系統的尺寸和質量不到用于空間站艙內照明的太陽電池帆板的五分之一。

圖10 國際空間站外景圖Fig.10 Aspect of ISS

傳統太陽電池陣結構的主要優點是技術相對成熟，性能穩定，使用壽命長達15 a之久，平時的維護相對簡單；主要缺點是尺寸過大，質量過重，造價較高。在保證同樣功率輸出的條件下，太陽光綜合利用系統的尺寸可以大幅減小，同時也會大幅降低整套系統的質量，從而降低發射成本?？梢姡柟饩C合利用技術方案在結構方面具有高能量密度、體積小、質量輕以及應用安全系數高等優點，主要缺點是對光路設計精度要求較高，空間展開、安裝比較復雜。

3.2 能源轉換效率對比分析

目前國際空間站太陽能電池帆板單晶硅的光電轉化效率在20%左右，單晶硅電池的禁帶寬度約為1.2 eV，可以吸收50%左右（波長1 000 nm以下）的太陽光能量，最終將電能再轉化為照明光源的能量，利用率普遍在10%～50%之間。因而利用傳統光伏發電驅動人造光源照明，其最后的照明終端綜合使用效率不超過5%，其余大部分能量是以廢熱的形式排放到空間站艙內，額外增加了航天器內部熱控系統的負擔，消耗航天器有限的電力資源。利用空間站太陽光綜合利用系統分離的可見光進行照明，不僅沒有廢熱產生，而且其照明終端使用效率可以高達30%左右，如圖11所示。

圖11 兩種照明方案效率對比圖Fig.11 Efficiency contrast of two schemes

顯而易見，僅就終端照明的能量利用效率來看，“空間站太陽光綜合利用系統”提供的可見光照明具有明顯的優勢。

3.3 生物適應性對比分析

太陽光作為照明光源的突出優勢是人和地球上的生物已經適應了這種天然的光源。圖12所示為幾種光源的光譜分布，可以看出：太陽光是一種復合光，光頻連續分布，而其他光源中只有白熾燈或鹵素燈具有連續的光頻分布，接近于太陽光。這種光源的發光效率最低，而且產生大量的廢熱。目前，商用光源以節能熒光燈和LED燈泡為主，這類光源的突出優點是節能效果顯著，但是光頻分布不連續，顯然不如自然的太陽光更適合于人類環境的照明或植物的生長。另外，太陽光綜合利用系統中采用光纖導入照明的好處并不僅僅局限于節能，其更重要的意義在于對人體健康有益。眾所周知，太陽光對于人體健康是非常重要的，可以促進人體鈣質吸收、提高人體免疫機能、殺滅室內有害細菌、促進人體新陳代謝。

圖12 幾種光源的光譜分布對比圖Fig.12 Spectrum distributing contrast of several kinds of lamps

3.4 成本對比分析

可見光照明是空間站太陽光綜合利用技術的核心，也是未來替代傳統電力驅動電燈照明的優勢所在。以日本“向日葵”光纖照明系統為例，一套24鏡光機系統的平均售價在1.5萬美元左右，提供的可見光照明照度在3 800 Lx左右，相當于1 500 W（30個50 W的白熾燈泡）的電燈亮度，可以滿足150 m2的照明需求，與10 m2太陽電池陣產生的電能提供的照度相當?？臻g太陽電池陣按照350萬美元/m2建造成本計算，10 m2的電池陣成本約為3 500萬美元。如果將類似“向日葵”光纖照明系統在空間使用，即使建造成本上升100倍，總價僅約150萬美元，大幅低于電池陣的建造成本。

3.5 技術成熟度對比分析

光伏發電技術經歷了半個多世紀的研究與發展，已經成為目前太陽能直接利用中最有效，也是最主流的應用技術。太陽能電池材料的發展經歷了從第一代硅基半導體、第二代多組分薄膜太陽能電池，到目前以有機鈣鈦礦太陽能電池為代表的第三代光伏電池的過程。其中，第一代硅基太陽能電池技術最為成熟，其比例約占整個太陽電池產量的90%以上，目前已經被廣泛應用到空間和地面的光伏發電系統中。航天器的電力供應從第一代單晶硅太陽能電池陣列發電發展到第二代GaAs薄膜電池，這種光伏發電技術的技術成熟度很高，設備設計與構造相對簡單，后期的檢修維護容易。“太陽光綜合利用技術”在地面的應用已經有成熟化的商業產品出售，節能效果明顯，綜合成本低廉。在航天器的應用方面，只有美國開展了原理性樣機的前期研發工作，還沒有進入空間實際應用階段，屬于前沿性的航天科研技術，而我國目前尚沒有相關研究報道。因而，“空間站太陽光綜合利用技術方案”的技術成熟度與“傳統太陽電池陣方案”相比，略顯不足。

4 結論

本文闡述了太陽光綜合利用技術的基本原理，回顧了太陽光綜合利用技術的發展歷史與研究現狀；從結構設計、能源轉化效率、應用成本以及技術成熟度等方面，分析了“太陽光綜合利用技術”與“傳統太陽電池陣技術”兩種空間站應用方案的優缺點，在結構設計、能源轉化效率、生物適應性以及建造成本等方面，“空間站太陽光綜合利用技術方案”相對于“傳統太陽電池陣方案”具有巨大的優勢。隨著技術研發的不斷深入，太陽光綜合利用技術必將在空間站或深空探測等空間活動中得到應用。特別是在空間站的艙內照明和植物生長實驗光源方面，“空間站太陽光綜合利用技術”可以作為“傳統太陽電池陣技術”的一種有益補充，為空間站能源提供一種新的光源。