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空间太阳能发电

随着人口的急剧增长,地球人正面临着日益严重的能源危机。从航天技术的角度看,除了向月球要氦-3作能源外,空间太阳能发电成为另一条解决人类能源危机的有效途径。由此,建造太阳能发电卫星的计划被提上了日程。

目录
空间太阳能发电原理 苏联  
各国空间太阳能发电计划 国际组织  
  美国    
  日本    
  德国    

 

空间太阳能发电原理

开发太阳能发电卫星(Solar Power Satellite,简称SPS)或者空间太阳能发电(Space Solar Power,简称SSP),是寻求永久性能源的想法,它是1968年由美国工程师PGlaser首先提出的。其基本构想是在地球外层空间建立太阳能发电卫星基地,利用取之不尽的太阳能来发电,然后通过微波或激光将电能传输到地面的接收装置,再将所接收的微波或激光能束转变成电能供人类使用。这种构想的最大优点在于充分利用太阳发出的能量。

设想中的空间太阳能发电系统基本上由三部分组成:太阳能发电装置、空间微波或激光转换发射装置和地面接收转换装置。太阳能发电装置将太阳能转换为电能;空间转换装置将电能转换成微波或激光并利用天线向地面发送能束;地面接收转换系统通过天线接收空间发来的能束,将其转换成电能。整个过程是一个太阳能、电能、微波或激光、电能的能量转变过程。

为了提高能束传输效率,目前拟使用微波送电,将来也可能使用激光。

各国空间太阳能发电计划

自20世纪80年代以来,空间太阳能发电系统的工作受到了国际上的广泛重视。技术实力雄厚的美国和能源资源短缺的日本,大力开展了SPS的各项工作;德国、俄罗斯等也投入了相当的研究力量。

美国 

1977~1980年,美国能源部和宇航局共同组织研究,投入2000万美元对SPS计划进行了概念研究并得出结论:实施SPS计划不存在不可克服的技术困难。当时设计了一种称为“参考系”的空间太阳能发电卫星系统:由六十块太阳能面板组成,每块长10千米,宽5千米,输出电力500万千瓦,总发电量3亿千万,以便使用这样一颗发电卫星取代美国所有的地面发电设施。由于该系统过于庞大,需要巨额投资(约3000亿美元),1980年后中止了SPS计划有组织的研究;但是与SPS相关的一些研究工作仍在进行中。

1995年,美国政府又重新重视这一问题的研究,美国航宇局成立了专门的研究组又一次对这一设想进行研究。此次研究与20世纪70年代末的研究有很大的区别,更加侧重全面、细致、科学地分析了经济和技术的可行性,在方案上也有很大不同。以世界能源的储备、需求及能源技术的发展为背景,在分析了21世纪的能源构成和电力价格后,研究组提出:

(1)全球对电力的需求大于对其他能源的需求,尤其是占全球人口80%以上的发展中国家。随着经济的发展,电力的需求会越来越大,所以电力市场的前景看好。

(2)考虑到核聚变技术研究的现状和发展速度以及现行能源的使用对环境的影响,在21世纪,空间太阳能发电将是人类唯一可行的大规模生产电能技术。

在发展SPS的方案方面,对“参考系”模式做了很大的修改。不是一开始就把空间太阳能发电系统搞得很大,而是采用渐进的发展模式。首先发展一个25万千瓦规模的空间太阳能发电卫星(需要投资100~150亿美元),向国内外市场出售电力以回收资金和获取利润,然后再逐渐扩大太阳能空间发电卫星的规模。

据研究组的估计,在2010年以后,空间太阳能发电将实用化。研究组向美国政府提出建议:应当恢复对空间太阳能发电系统的研究。同时研究组还提出了六种较为可行的方案,如光伏电池发电的太阳塔;地球同步轨道发电,通过中轨道或低轨道中继卫星输电等。

日本

日本宇宙科学研究所于1987年成立SPS太阳能发电卫星研究组,在他们的SPS研究组下又分成13个专题小组开展系统和技术及对环境影响两个方面的研究。

在吸取美国SPS发电卫星的经验基础上,该研究组强调了发电卫星研究的实际性和应用性,提出了两个SPS空间发电卫星模型。一个是利用热动力机械发电的“可储存能源的轨道发电站”(ESOPS),功率为70兆瓦。另一个是利用太阳能电池发电的SPS 2000,功率为10兆瓦。1993年完成了SPS 2000卫星的模型设计。

SPS 2000卫星呈正三角形棱柱形状,象座窝棚。边长336米,柱长303米。三角柱的两侧布满太阳能电池,朝着地球的这一面的中央放置着边长为132米的正方形送电天线。其运行的轨道选择为距地1100千米,轨道倾角为0°。发电卫星的组成,除上述的发电、集电及送电部分外,还有通信、控制的部分,卫星骨架的结构部分,以及用于组装和维护用的机器人等,总重量约为240吨。准备采用大型火箭分16次发射,然后再在太空将其组装起来。

日本曾对建造空间太阳能发电系统过于乐观,原计划2000年以前就将SPS 2000卫星发射到太空。在20世纪90年代,日本建造了空间太阳能发电系统的地面配套设施,并先后与4个赤道国家(坦桑尼亚、巴布亚新几内亚、巴西和印度尼西亚)的政府签定了在这些国家建立地面微波接收站的协议。日本还和这些国家的一些科研机构、大学签定了合作协议,共同研究、开发空间太阳能发电技术。

1997年日本科学技术厅发表了“未来30年科学技术预测”的研究报告,对影响人类发展的一些重大科学技术事件进行了预测。其中讲到,到2020年,太阳能空间发电站将在太空建成。

德国 

德国提出了一项欧洲计划,称为GSEK,即全球太阳能方案。该计划将演示在太空轨道上组装可伸缩的大型结构的工作,为建造太阳能发电卫星做准备,同时考察能源定向发射对生物和大气环境造成的影响。计划在2005年将太阳能发电卫星系统发射至地球低轨道运行,系统的功率达到1兆瓦水平。该计划还提出了与此相配套的全球乡村电气化方案,以促进发展中国家使用来自空间的能源。

苏联 

苏联的SPS研究方案,包括建造一颗功率为250~500千瓦的小型太阳能发电卫星进行初步实验,然后在地球同步轨道上设置一座5兆瓦的发电卫星进一步实验。技术研究项目包括定向天线网和接收天线的研究等。同时还计划进行波束能源在空间使用及传输的各种实验。

国际组织 

由于SPS方案具有商业价值,可得到工业界的支持,因而国际上越来越重视SPS计划的发展。1991年在巴黎召开了太阳能空间发电卫星的国际会议。1992年在美国召开了太阳能发电卫星最重要的配套技术之一的微波输电的第一次会议。在欧洲,法国电力学会探讨了空间的电力输送问题。1997年8月,在加拿大蒙特利尔,举行了第四届国际空间能源利用会议(SPS’97)和第三届国际无线输电会议。

1995年夏季,来自16个国家的国际航天界知名人士在国际空间大学进行了题为“2020年发展远景”(Vision 2020)的研究,并撰写了研究报告。该研究得到了美国宇航局和加拿大空间局的支持,欧空局对研究结果也非常重视,并把部分内容吸收进欧空局的航天发展远景预测报告。该报告提出了四项基本计划,其中一项是发展SPS太阳能发电卫星系统,并预计2010~2020年太阳能发电卫星开始进入实用阶段。

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