空间太阳能电站聚光模式研究

张兴华,侯欣宾,王立,闫勇

1.中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室,北京100094 2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033

空间太阳能电站聚光模式研究

张兴华1,*,侯欣宾1,王立1,闫勇2

1.中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室,北京100094 2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033

空间太阳能电站(Space Solar Power Station,SSPS),是指能够在轨道上将太阳能通过工程技术手段有效采集、转化并传输到地面,再转化成为电能供地面使用的系统。聚光是空间太阳能收集的途径之一,多种SSPS方案采用了聚光方式。文章介绍了聚光式SSPS的研究现状,对现有SSPS方案中的不同聚光技术方案进行了综述分析,将空间太阳能电站聚光技术划分为3个层次,总结成4种模式,详细分析了每种模式的优点与技术难点,并对聚光式空间太阳能电站的发展提出建议。

空间太阳能电站;太阳能;聚光;电力管理;姿态控制;热控;太阳光泵浦激光

空间太阳能电站(Space Solar Power Station,SSPS),又称太空发电站(Space Power Station,SPS)或太阳能发电卫星(Solar Power Satellite,SPS),是指能够在轨道上将太阳能通过工程技术手段有效采集、转化并传输到地面,再转化成为电能供地面使用的系统[1]。可分为两类:一类是在GEO轨道上将太阳能转换为微波或激光,之后通过无线能量传输方式传输到地面,再转化为电能进入电网的系统,这一类研究最多;另一类是在GEO轨道上将太阳光会聚后传输到地面,在地面进行热电和光电转化,并进入电网的系统。

国际上已提出几十种概念方案[2-6],其中多种采用了聚光技术。然而,在每种方案中聚光技术的作用与导致的问题,在不同方案中聚光方案的异同,以及聚光式空间太阳能电站将来的发展方向,目前尚没有一个系统而清晰的结论。聚光并非空间太阳能发电必须的环节,但却是空间太阳能收集的一种可行的途径。对于空间太阳能电站这样一个尺寸千米级、质量万吨级、功率吉瓦级的超大型空间系统,其聚光技术的应用和聚光方案设计也不同于现有航天器中的聚光电源系统和聚光推进系统。因此,聚光模式的研究对空间太阳能电站方案的设计有着重要意义。

本文拟对现有空间太阳能电站方案中的不同的聚光方案进行详细的分析与研究,将空间太阳能电站可用的聚光方式总结成几种模式并提炼出几个层次,以期对聚光提供较为全面的认识,并对聚光技术的应用提出建议,为聚光式空间太阳能电站方案的设计提供参考。

1 聚光消除导电旋转关节模式

以SSPS1979[7]为代表的平台式空间太阳能电站存在吉瓦级导电旋转关节的难题,因此空间太阳能电站采用聚光技术的主要目标之一是要消除大功率导电旋转关节,以解决关键的电源管理与分配难题。因此,基于这一点,采用光学系统的旋转代替电力传输系统的旋转,未必需要高聚光比。目前提出的采用聚光消除导电旋转关节模式的方案,根据聚光镜对日跟踪方式的不同可分为聚光镜整体旋转、模块旋转和无旋转3种。在以下方案中,均采用微波无线能量传输方式,如果采用电能转换为激光的方式,聚光系统构型保持不变。

1.1 聚光镜整体旋转对日跟踪方案

(1)一次反射集成对称式

平台式空间太阳能电站需要吉瓦级导电旋转关节,对比国际空间站上的太阳阿尔法旋转节(The Solar Alpha Rotary Joint,SARJ)的功率等级60 k W[8],其技术难度极大,一次反射集成对称式SSPS创造性地提出用聚光镜旋转代替电池阵旋转。NASA提出的集成对称聚光系统(Integrated Symmetrical Concentrator, ISC)[9](见图1),主要包括两个聚光镜、两个光伏电池阵和一个天线阵。聚光镜为对称的两片蛤壳式结构,口径约为4 km,由24个或36个反射镜模块组成,聚光比为2∶1或4∶1。反射镜模块为直径约500 m的平面镜,与蛤壳式结构主镜方向成一定夹角。ISC不是一个光学成像系统,光线仅需要从每个反射镜模块反射到电池阵,采用10 km长焦距和0.5°平面度要求,可使电池阵列周围漏光最小、热斑最小。电池阵位于中央,聚光器焦点两侧附近,直径1 070～1 770 m。早期方案将天线阵放在电池阵背面,以减小电缆长度,但带来散热问题,因此后来设计成两个夹角成10°的分开的电池阵。天线阵位于两个电池阵的下方。聚光器、电池阵、天线阵之间通过桁架连接,电池阵和天线阵相对固定,两片聚光器整体旋转对日跟踪,将太阳光聚集到电池阵。

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

该系统首次采用光学系统的旋转取代了电池阵的转动,从而避免了采用导电旋转关节。系统对日跟踪容差能力大,可允许最大跟踪误差的角度达23.5°;太阳光只需要经过一次反射,光能损失较少;电池阵与天线阵分离,有利于散热;电池阵和天线阵之间距离较近,电力传输距离较短。这一方案仍存在两个问题:需要集中式电力管理系统[10];两个口径约5 km的聚光镜需要整体旋转对日跟踪,姿态控制代价较高。

(2)二次反射集成对称式

为克服集中式电力管理的难题,发展了模块化的三明治结构,形成了二次反射集成对称聚光式SSPS。二次反射集成对称聚光式空间太阳能电站有多种方案,典型代表有NASA的模块化对称三明治(Modular Symmetrical Sandwich, MSC)方案[11](见图2)、美国海军实验室P.Jaffe等人的台阶模块方案[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]和闫勇等人提出的10MW SSPS方案[16]。各种方案基本构型相同,具体结构的构型上有所差异,主要体现在三明治结构的散热改进、二级镜的选择及连接形式上。

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

二次反射集成对称聚光式空间太阳能电站的基本构型包括两个主反射镜、两个二级反射镜和一个三明治结构。主反射镜与ISC构型的聚光镜相似,二级反射镜为平面镜,位于主反射镜焦点两侧附近。电池阵和天线阵集成为一体的三明治结构,电池阵位于上方,接收二级镜反射的聚光能流,天线阵位于下方并保持对地定向。聚光系统和三明治结构通过桁架连接。主反射镜整体旋转对日跟踪,将入射光线聚集在二级反射平面处,利用平面镜的散射作用将太阳能流均匀投射在电池阵上。根据主反射镜对日指向的不同,二级镜需要作相应的调节。相较于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匀,但聚光系统对日跟踪容差能力降低。三明治结构可以采用分布式电力管理,大大简化电力传输与管理的难度。主反射镜的对日跟踪控制和三明治结构的热控是此类系统的两个较为突出的问题。

三明治结构将电池阵和天线阵集成在一起,带来了严重的散热问题。相较于ISC方案,三明治结构热流密度增大,散热面积减小,导致热控难度大大增加,因此通常要求采用较低的聚光比,约2～5。针对热控问题发展了多种构型。JAXA SPS2003方案中选用波长可选的薄膜以避免不需要的波长。JAXA的SPS2002方案,将电池阵与天线阵布置在同一面,背面安装热辐射器,散热性能的改善有限。P.Jaffe等[12]提出了台阶模块方案(见图3),将平面的三明治结构改进为顶部开口圆锥形的台阶模块,增大散热面积,可将最高温度降低63%。但由于电池阵和天线阵不在同一平面,改进光路设计保证台阶形的电池阵聚光能流均匀性,以及台阶形天线阵的微波波束合成,是两个需要解决的问题。

为解决主反射镜与三明治结构的连接问题, JAXA SPS2003方案采取了分体式构型设计,主反射镜舍弃连接支架结构,三部分结构编队飞行,降低了转动连接机构的难度,但主反射镜的位置姿态控制难度更大。

图3 台阶形模块方案Fig.3 Step modules concept

1.2 聚光镜模块旋转对日跟踪方案

在聚光镜整体旋转对日跟踪方案中,尺寸5 km级的聚光镜整体旋转增加了姿态控制的难度。为此,John C.Mankins等人提出了任意相控阵空间太阳能电站SSPS-ALPHA方案[3,17],系统主要包括聚光镜和三明治结构两部分,两者通过桁架连接。聚光镜为酒杯状,其构型设计经历了多种版本,典型的3种构型见图4(a)。三明治结构和二次反射集成对称式相似,其中光伏电池位于上方,面向聚光镜一侧。系统平台整体尺寸约为Φ3 km×5 km,三明治结构直径1.2 km。聚光镜采用模块化设计思路,由上千块75～100 kg反射镜模块组成。对日跟踪过程中每个镜面模块单独调节以改变入射的太阳光的方向,使其集中到底部电池阵上,整个聚光镜保持静止,聚光原理如图4(b)所示。

图4 SSPS-ALPHA方案(2011/2012/2013 Version)构型与聚光原理Fig.4 SSPS-ALPHA concept(2011/2012/2013 Version) configuration and concentrator principle

与ISC等方案相比,该系统最大的优点是无需整体旋转控制对日跟踪,采用调节反射镜模块的方式取代了聚光镜整体的对日跟踪,大大降低了姿态控制能耗。然而,众多的聚光镜模块分别调整对日跟踪,比较复杂;并且,由于同一时刻只有部分反射镜起到聚光作用,因此该方案是以增加反射镜的面积为代价来代替整个电站系统的对日跟踪;此外,和二次反射集成对称聚光系统同样存在三明治结构的散热问题。

1.3 聚光镜无旋转对日跟踪方案

鉴于ALPHA方案聚光模块调节的复杂性, 2014年杨阳等人提出了一种球反射面的线聚焦SSPS-OMEGA方案[18](见图5),系统主要包括球面反射镜、光伏电池阵和微波天线阵3部分。球面反射镜去除南北极部分,直径3 080 m,采用单向薄膜材料。光伏电池阵为柱状体,长度约为球体半径的1/2,位于球体底部。天线阵为直径1.2 km的圆形平面阵列,位于球面中心,法向指向地面。电池阵与天线阵通过电缆及导电滑环连接,天线阵通过四根调整索连接于聚光镜的南北极区域。电池阵相对于聚光镜和天线阵作匀角速度的旋转,旋转周期为24 h。

图5 OMEGA方案构型示意Fig.5 OMEGA 2014 Version

该方案具有几个显著的优点:整个聚光镜不需要旋转,单个聚光镜模块也不需要调节,聚光系统的控制难度降低;由于聚光镜为球面,理论上电池阵接收的太阳能功率基本不变,聚光功率最为稳定;天线阵与聚光镜之间采用调整索连接,连接结构质量低;天线阵和电池阵分离,天线阵散热设计压力降低。然而,该方案需要研制单向透光材料,电池阵热控难度大,尤其是电池阵和天线阵之间的远距离相对运动增大了电力传输难度,需要发展新的电力管理方案。

2 聚光直接泵浦激光模式

在空间太阳能电站聚光直接泵浦激光模式中,采用抛物面反射镜或菲涅耳透镜进行太阳光高聚光比聚焦,聚集的太阳光发送到激光发生器(见图6),利用直接泵浦激光方式产生激光,激光扩束后传输到地面,地面采用光伏电池发电或直接用于制氢。将太阳光转换成激光的实质是辐射亮度的大幅度提高,高倍聚光是产生激光所必须的,比如使用钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet,YAG)晶体时,所需太阳光束聚光比至少达到数百以上,因此,基于激光的空间太阳能电站(L-SSPS)是一种高聚光比的空间太阳能电站。

图6 采用两级会聚的太阳光泵浦激光系统方案[19]Fig.6 Two staged concentrating solar pumped laser system[19]

日本提出的L-SSPS方案[2,20,21](见图7)中,一个吉瓦级的L-SSPS可由100个单元组成。每个单元包括太阳聚光镜、散热器、激光发生器、激光发射器和其他支持系统,尺寸为200 m×200 m×100 m。整个系统结构对称,太阳光压的干扰不影响系统的稳定性,所需姿态轨道控制系统质量较小。欧洲参考日本的方案作了进一步设想[2]。L-SSPS位于地球同步轨道,薄膜电池阵面积111 km2,输出53 GW电功率,馈入效率为50%红外激光发生系统,激光波长1.06μm,由于波束成型和大气衰减所造成平均损耗约为38%,位于北非的地面接收系统面积70 km2,最终输出7.9 GW的恒定功率。

图7 激光空间太阳能电站L-SSPSFig.7 Laser space solar power system

聚光直接泵浦激光模式,直接将太阳光转换为激光,不经过电能转换过程,能量转换环节少,有可能实现较高的系统效率。激光传输模块构建方式灵活,系统规模易于扩展。并且激光发散角小,更适合于轨道间远距离的无线能量传输,比如为航天器供电。

目前太阳光-激光转换效率还较低。根据Peng Xu等人2014年报导的试验结果[22],菲涅尔透镜有效面积1.03 m2,采用分腔水冷型金属锥形泵浦腔,以预制螺纹的Nd:YAG晶棒作为激光工作物质,获得了27 W的稳定激光输出,斜效率达到9%,这是目前试验得到的最高效率。主要原因是大口径菲涅尔透镜的汇聚效率较低、激光材料与太阳光的光谱匹配效率不理想等。为此还需要深入研究高效率太阳光泵浦固体激光器优化设计理论和方法,研制高汇聚效率大口径菲涅尔透镜与高光谱匹配效率激光材料,并解决相应的热控问题[23]。此外,从L-SSPS系统总体角度,还需考虑大气传输损耗和接收端光电转化效率对波长选择的限制,并解决聚光镜对日跟踪和激光对地定向带来的光路相对运动问题。

3 聚光太阳电池模式

聚光太阳电池模式采用目前卫星上已有的聚光空间光伏电源系统。通过聚光器将大面积太阳光聚焦到电池片上,利用简单、低成本的聚光器减少昂贵的电池用量,同时用高倍聚光比提高太阳电池效率,有望降低空间太阳能电站系统的成本并进一步提高系统效率。

3.1 典型的空间聚光光伏电源系统

目前,卫星聚光光伏电源系统中的太阳能聚光技术主要有反射式和折射式两种。聚光方式又包括点聚焦和线聚焦两种。点聚焦倍率高,可以达到数千倍,但是聚焦面积比较小。线聚焦倍率比较低,一般为数倍到十几倍,但聚焦面积比较大,对太阳指向跟踪精度要求比较低。拱形菲涅尔透镜线聚焦聚光器是目前该领域的主流技术[24]。国外在聚光空间光伏电源系统方面已有多次空间验证,部分取得了成功。

反射式聚光光伏电源系统采用抛物形[25]或槽形[26]反射结构。波音卫星系统公司的HS-702卫星平台采用了槽形反射聚光阵(见图8),将平面薄膜贴放在两边斜放的平板上,其斜板各与槽底基板倾斜60°,形成一个槽式结构聚光器,平板太阳电池位于凹槽底面,反射器宽度与太阳电池基板相等,有效聚光比约1.8,在1999年发射的Hughes Galaxy XI卫星中,聚光器长34 m,发电功率10 k W。然而,采用该平台的Anik-F1、F2等多颗通信卫星入轨后均出现了相似的故障,太阳电池阵输出功率突然出现了永久性的下降。资料推测有两种原因[27,28]:反射器的高反射系数导致其与太阳电池阵间发生静电放电,或聚光高密度热流使材料出气导致反光镜和太阳电池片污染。

图8 HS702卫星反射式聚光太阳翼Fig.8 HS702 satellite solar array of reflecting solar concentration

折射式聚光光伏电源系统基于三棱镜折射聚光原理,其中线聚焦结构更具优势,太阳指向跟踪的精度要求低、单轴驱动并且透镜材料便宜[29]。1998年发射的深空1号[30-31](DS-1)航天器采用了折射式聚光电池阵,聚光器采用了线聚焦拱形结构(见图9),入射面是光滑的平面,出射面是三棱形结构,太阳阵输出功率1 300 W,成功作为主电源为离子推进器供电。

图9 拱形结构折射式聚光器太阳翼Fig.9 Refraction concentrator with convex outer Fresnel lens

聚光光伏电源系统用于空间太阳能电站,可以作为降低系统成本和提高系统效率的技术途径之一。薄膜槽形反射聚光器满足轻质量以及高收纳比等要求,并且方便与平台式或多旋转关节式SSPS的薄膜电池阵集成,其低倍聚光可将电池用量减少近50%。高聚光比的折射聚光器可与空间太阳能电站中刚度较大的三明治结构[12]集成,太阳电池用量大大减少,并能够大幅提高电池效率:研究表明,采用12.7倍聚光比节约86%太阳电池数量[32],而聚光多结太阳电池的实验室效率可达46%(AM1.5光谱,508倍聚光比)[33-34]。

另一方面,聚光太阳电池模式还存在两个主要问题:1)聚光结构与电池阵集成为一体,大功率导电旋转关节这一难题仍然存在;2)虽然可减少光伏电池用量,但增加了大面积的聚光系统,带来了光学系统的高形位精度和高指向精度问题,以及电池阵高热流密度的热控问题,增加了系统的复杂程度和成本,聚光倍数越高,对太阳指向精度、控制精度、结构几何精度、光学参数精度、热控设计等指标的要求越严,因此需要权衡。

3.2 太阳塔方案

太阳塔[35]是聚光太阳电池模式的空间太阳能电站。太阳塔方案采用模块化和重力梯度稳定的方式,由发电模块、系绳构架和发射天线组成(见图10)。系绳构架长约15 km,发电模块沿系绳构架(包含了结构/电力传输设备)的长度方向对称布置,发射天线位于塔底,微波传输功率为100～300 MW。发电模块包括聚光器、光伏阵列、热辐射器和指向跟踪系统;模块对日跟踪,聚光器将太阳光聚集在光伏电池阵上,热辐射器用于对光伏阵列散热;聚光器采用卡塞格林体系,菲涅尔薄膜反射器或菲涅耳透镜直径50～60 m,每个模块输出功率1 MW。方案有三种轨道,低轨太阳同步轨道(1 000 km)、中轨(6 000 km和12 000 km)和地球同步轨道。太阳塔方案具有如下优点:1)采用高倍聚光比减少了电池的用量;2)模块化的聚光发电结构,组装和控制简单;3)如果部署在太阳同步轨道,则聚光器对日跟踪旋转角度为0°～23.4°,不需要导电旋转关节;如果部署在地球同步轨道,则需要导电旋转关节,但是由于每个发电模块上都有一个,传输电功率要小得多,面临的技术挑战也低。

该方案也存在两个明显的问题:1)对于部署在低轨的太阳塔,由于太阳塔和地面接收站的相对运动,需要单个太阳塔的波束控制范围大、多个塔之间接力传输,该方案中要求波束的控制能力达到60°(±30°);2)当部署在地球同步轨道时,聚光器转动跟踪太阳,始终保持与太阳光线垂直,但是太阳塔运行过程中各聚光器会周期性地相互遮挡,具体计算如下。

图10 太阳塔设想Fig.10 Sun tower concept

设聚光器半径为r,两聚光器中心距L,聚光器平面垂直于太阳光并与系绳构架夹角为θ(见图11)则只有符合下列条件时两者无相互遮挡:

1)当θ=0°时,即所有聚光器和系绳架构位于同一平面时,L≥2r即无相互遮挡;

2)当θ=90°时,即所有聚光器都垂直于系绳架构时,L→∞,即只有最前面一个聚光器能接收到光线,其他聚光器都被遮挡;

3)按照图10中系统设计参数,r=50 m、L=100 m,只要θ≠0°,即相互遮挡。

可见,各聚光器的相互遮挡成周期性变化,太阳塔电力输出成周期性波动,最低输出功率0 W,周期为1/2天。

图11 聚光镜遮挡示意Fig.11 Shelter of concentrators

4 空间聚光至地面模式

空间聚光至地面模式是在地球轨道布置巨大的轻型太阳光反射器,直接将太阳光反射到地面的光电或光热转换阵列。采用该聚光模式时,只需要在地面进行一次能量转换,空间段没有能量转换环节,航天器本身不需要能量转换、无线能量传输、电源管理以及热控系统等,理论上系统最为简单。但是,空间聚光传输至地面模式存在太阳发散角与大气传输两个问题。对于大气传输问题,聚光向地面传输过程中完全受天气影响,多云、雾霾和大气散射都影响聚光传输效率。对于太阳发散角导致的问题分析如下。

太阳是面光源,太阳光不是平行光,而是以一定锥角入射的,即聚光器镜面每一点受到的入射光线组成了一个以此点与太阳中心连线为中心轴的圆锥入射光束(见图12),太阳角δ为

式中:d0=1.392×109m为太阳直径;L0= 1.496×1011m为太阳与地球距离;θs为太阳半角。

因此可得θs≈4.65 mrad=16′。

图12 太阳锥角计算示意Fig.12 Sunlight tape angle

相应的,镜面反射器反射的太阳光的发散角也是16′。反射器位于某一轨道高度L时,地面光斑直径D如下,两者成正比关系:

为了在地面获得一个太阳常数,位于地球同步轨道的反射器需达到地面光斑同一尺寸。此外,考虑到太阳斜角的影响,即反射器卫星不在地面正上方而是成一定斜角时,地面光斑还会更大。

在地球轨道太阳光反射器Solares概念[3]中,将反射聚光器置于地球同步轨道。根据式(2),反射器上任意一点所反射的光线在地面上所形成的光斑直径约为335 km。为了在地面获得一个太阳常数的光照强度,反射器尺寸需大于335 km。同时,反射器必须是一个光学平面,面形精度小于光波长的几分之一。在空间实现保证光学精度如此巨大的反射器,其技术挑战极大(可对照詹姆斯·韦伯空间望远镜[36],其镜面直径仅为6.5 m)。从根本上说,需要新的方法来实现大尺度空间聚光系统。

Ehricke提出的Power Soletta概念[37],选取高度4 200 km的轨道,采用3个面积约1 385 km2的反射器同时向地面反光,并在地面形成一个约1 200 km2的光斑。选择这个轨道高度,可以整夜连续为地面提供光照。但反射器直径约42 km,尺寸仍显较大,并且所选轨道位于范艾伦辐射带。

2011年Lewis提出了MiraSolar星座的概念[37-38]见图13,其中图13(b)中从左往右第2条曲线为正常白天8 h光照曲线,第1条和第3条曲线为MiraSolar星座在早晨和傍晚均为地面多提供3 h的光照曲线。系统工作在约1 000 km高度的太阳同步晨昏轨道,最佳的轨道周期是24h的整数倍,由此可以选择轨道高度1 250 km、900 km或600 km,对应的周期分别为13圈/天、14圈/天和15圈/天。三个轨道面间隔20°,每个轨道面18颗卫星,总计54颗卫星,每颗卫星直径10 km、面积78.5 km2,地面布设40个直径10 km的接收站,采用光伏电池阵发电。设想了两种反射器单元,直径250 m的圆形平面单元,采用厚度12.5μm的镀铝聚酯薄膜;边长3 0 7 m的三角形平面单元,采用厚度2.5μm太阳帆用薄膜。如此大的面积,要保持光学平面有相当的难度。除了正常的白天8 h外,在早晨和傍晚用电高峰期分别为地面多提供3 h的电力,共计每天提供14 h的电力。按照地面接收转换光伏电池效率20%、地面覆盖率50%计算,每个地面站发电量达5.5G W, 40个地面站共计发电220 GW。系统的发展建议分为3步:第1步发射一个包含4个直径250 m反射器的卫星单元,光照强度约为太阳常数的1/400或月光强度的100倍;第2步,在一条太阳同步轨道上布设18颗卫星形成星座;第3步,形成最终3条轨道的54颗卫星的星座。

可见,空间聚光至地面模式在理论上虽然简单,但实际上并不容易实现。在地球同步轨道上,实现尺寸超过300 km的光学反射器难度极大;在低轨可以将反射器尺寸减小至10 km,但带来的问题是卫星相对于地面被照射位置周期性相对运动,必须组成星座以增加对地面固定目标的覆盖时间。

图13 MiraSolar星座系统概念Fig.13 MiraSolar constellation concept

5 结束语

将空间太阳能电站聚光技术总结成4种模式并划分为3个层次,详细分析了每种模式的优点与技术难点,对聚光式空间太阳能电站的方案研究与技术发展提出建议。

(1)空间太阳能电站聚光模式

聚光是一种可行的空间太阳能收集方式,可简化空间太阳能电站系统的能量转化传输环节、解决电力管理难题、降低系统成本以及提供系统效率,聚光式SSPS是空间太阳能电站发展的一个重点方向。聚光技术的应用在改善系统性能的同时,也提出了新的问题。综述分析了可能用于空间太阳能电站的聚光技术,总结成四种聚光模式,详细分析了每种模式的特点及用途。

1)聚光消除导电旋转关节模式,目的在于解决超大功率导电旋转关节的难题,核心思想是用光学系统旋转代替电力传输系统旋转,发展思路是从聚光镜整体旋转到模块旋转和无旋转实现对日跟踪,并降低姿态控制、电力管理与热控的难度;

2)聚光直接泵浦激光模式,为提高辐射亮度,高倍聚光是必需的,该模式能量转换环节简单,重点是提高转换效率;

3)聚光太阳电池模式,目的是节约太阳电池用量和提高系统效率,从而降低系统成本,但不解决导电旋转关节问题,并且会带来散热的难题;

4)空间聚光至地面模式,能量转换环节最少,但在地球同步轨道上聚光器超大,光能难以会聚,低轨采用星座模式以保证连续发电。

(2)空间太阳能电站聚光技术层次

根据聚光模式影响空间太阳能电站系统链路中能量转化传输环节的不同,可分为3个层次:

1)空间聚光至地面模式为第1层次,影响到太阳能收集至地面接收整个环节;

2)聚光消除导电旋转关节模式和聚光直接泵浦激光模式为第2层次,影响太阳光收集与电力传输两个环节,这也是通常意义上讲的聚光式空间太阳能电站;

3)聚光太阳电池模式为第3层次,只对太阳能收集环节有影响。

(3)聚光式空间太阳能电站方案研究建议

空间太阳能电站的核心应用目标是为地面提供商业化、大规模的电力供给,解决人类长期对于稳定的可再生能源的需求问题。同时,对于地面偏远地区供电、紧急供电、航天器供电、调节环境等方面都具有重要的应用前景[1]。针对聚光式空间太阳能电站方案的研究提出如下建议:

1)多种模式共同发展。四种聚光模式各有优长,针对不同的应用目标发展不同的聚光式SSPS。比如:聚光消除导电旋转关节模式,用于为地面提供商业化电力供给;聚光直接泵浦激光模式,用于轨道间航天器等的灵活供电;空间聚光至地面模式,采用低轨星座为地面照明或延长地面光伏发电时间。

2)重点发展聚光消除导电旋转关节模式。四种聚光模式中,只有该模式能够实现对地面不间断的电力供给,因此从长远需求角度最具发展动力;同时该模式能够避免平台式电站存在的技术难题,具有发展潜力。

3)研究新的聚光模式或发展组合模式。在已有模式的基础上,发展新的聚光模式,或将已有模式加以组合(比如将聚光太阳电池模式应用于聚光消除导电旋转关节模式的电池阵),满足聚光式空间太阳能电站对于高效率低成本的要求,以及满足可能出现的新的需求。应与平台式空间太阳能电站对照发展,解决其难以解决的问题,实现其难以实现的功能。

(4)聚光式空间太阳能电站关键技术研究建议

空间太阳能电站的核心问题是效率、成本与安全,提高功率质量比,降低电力管理和热管理的难度,减小在轨运行姿态控制代价,降低在轨构建与运载发射难度等是系统方案设计中应着重考虑的问题。因此,空间太阳能电站采用聚光技术时,应解决伴随出现的新问题,要考虑是否有助于提高系统的效率,是否能够降低系统的设计、构建与运行控制成本等。聚光式空间太阳能电站关键技术研究建议如下:

1)结构机构技术:从空间太阳能电站轻量化的角度,应发展薄膜聚光结构,重点研究大尺寸薄膜聚光器的折叠展开、高精度聚光镜的形面保持以及与电池阵的组装集成等问题。

2)聚光镜材料:研究空间聚光用高反射率或高透射率聚光镜材料,以提高聚光系统效率;聚光镜材料或基底材料通常采用聚酰亚胺、硅酮等聚合物,研究空间辐射环境的改性处理,实现长寿命;控制真空下材料出气与分解,避免对太阳电池等的污染。

3)姿态控制技术:聚光镜的指向精度对于光斑位置和聚光能流均匀性有重要影响,研究适用于超大型薄膜聚光镜的姿态控制技术,满足聚光系统对于精确对日跟踪的需求。

4)热控技术:聚光条件下太阳电池和激光器的散热问题尤为严重,研究低倍聚光与高倍聚光下的热控技术,维持聚光太阳电池或激光器等的长期高效能量转换。

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(编辑:车晓玲)

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;录用日期:2016-02-26;< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2016-04-19 14:57:42

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

国家自然科学基金(11402282);钱学森空间技术实验室自主研发基金

*

:张兴华(1980-),男,博士,高工,zxhroad@163.com,主要研究方向为冲击动力学、空间太阳能电站总体方案

张兴华,侯欣宾,王立,等.空间太阳能电站聚光模式研究[J].中国空间科学技术,2016,36(2):1-12. ZHANGXH,HOUXB,WANGL,etal.InvestigationoflightconcentratingmodeforSSPS[J].ChineseSpace ScienceandTechnology,2016,36(2):1-12(inChinese).

http:∥zgkj.cast.cn