太阳能发电与空间太阳能发电站

雷仕湛　毛书正　闫海生

2018年12月6日.我国在重庆璧山区启动建设首个空间太阳能发电站实验基地，在36000干米外的太空建兆瓦级太阳能发电站，为空间太阳能电站最终进入商业化迈出了重大一步。

太阳能是清洁能源，而且存储量巨大，可以说是用之不竭的能源。21世纪以来，随着世界能源价格的不断攀升和环境的日益恶化，越来越多的国家、组织、企业和个人，包括军方都开始关注太阳能。

太阳能源自太阳内部的热核聚变。太阳中心的温度高达1500万摄氏度，压力也十分巨大。在这种高温、高压条件下，太阳物质的氢原子结构会发生变化，结果发生如下的原子核聚合反应，同时释放出能量：

[1]D+D→'He+n，释放能量5.12x10-12焦耳

D+D→T+p，释放能量6.21x10-13焦耳

[2]D+T→'He+n，释放能量2.82x10-12焦耳

在，上述原子核聚合反应式中，字母D代表氢的同位素氘原子核，它由一个质子和一个中子组成，字母T代表氢的同位素氚原子核，它由一个质子和2个中子组成;n代表中子，p代表质子，'He和"He分别代表原子核中含有不同数量中子的氦原子核。如果所有的氘原子核都按方式[1]进行核聚合反应，1克氘原子核将产生3500亿焦耳能量，相当于12000吨标准煤燃烧产生的能量，或者相当于燃烧15吨汽油产生的能量;如果是按方式[2]进行聚合反应，即一个氘原子核与一个氚原子核发生核聚合反应，释放的能量还更大。所以太阳能够辐射出巨大的能量，每秒向四周空间辐射的能量高达3.8x1020焦耳，每年到达地球表面上的太阳辐射能量约相当于130万亿吨煤燃烧产生的能量，是现今世界上可以开发的最大能源。

同时，太阳有着巨大的质量。太阳的质量为1.98x1033克。在这巨大的质量中，有71%是氢气，根据太阳产生的能量速率估算，氢气的储量足够维持太阳发光、发热上百亿年，可以说太阳的能量是用之不竭的。

此外，太阳能还有2个特点：①广布性，太阳光普照大地，没有地域的限制，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿都可直接开发和利用，且无需开采和运输。②环保性，开发利用太陽能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

各种生产活动、生命活动都需要能量，如植物的生长、生存需要太阳能;人类本身的成长、健康也需要太阳能。在生活、生产中所需要的各种能量绝大部分都是直接或者间接地来自太阳能。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次性能源。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能更是将成为人类使用能源的重要组成部分。开发利用太阳能对于解决世界能源紧张和环境污染问题有着重大意义，并受到了世界各国的高度重视。

太阳能发电

科学家提出了各种太阳能利用技术，太阳能发电站是其中最重要的技术之一。

太阳能发电主要有两类：太阳能热力发电和太阳能光伏发电。

太阳能热力发电

这是太阳能光热应用最重要的形式，即利用太阳辐射所产生的热能进行发电，属于太阳能高温热利用技术。其工作基本原理是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电，前一过程为光一热转换，后一过程为热一电转换，或者说这是通过集热器代替了常规锅炉，用太阳能热力系统带动发电机发电，世界上现在已经先后建立了几十座太阳能热发电系统。大功率的太阳能热力发电系统常需要较大的占地面积，因此，太阳能热力发电特别适合于偏远地区和电力输送困难的地区，尤其适合于我国的西部地区。

太阳能热力发电系统要求集热温度高，这需采用聚焦型集热器，以提高太阳光光能流密度。根据使用的集热器类型，目前的热发电系统主要有3种类型：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。研究成果表明，其中的太阳能塔式热发电是最有可能实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一。

槽式太阳能热发电系统 这是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的太阳光接收器上，并将管内传热工质加热，在换热器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。抛物面可对太阳进行一维跟踪，聚光比在10～100之间，产生的温度可达400摄氏度。槽式太阳能热发电最大的优点是多聚光器集热器可以同步跟踪，故跟踪控制代价大为降低;缺点是能量在集中过程中依赖管道和泵管道系统，结构比塔式电站要复杂得多;此外热量损失较大，降低了系统的净输出功率和效率。

碟式太阳能热发电 这是由许多镜子组成的抛物面反射镜，接收器在抛物面的焦点上，借助于双轴跟踪系统将接收的太阳能集中在其焦点的接收器上，接收器内的传热工质被加热到750摄氏度左右，并驱动热电转换装置，比如斯特林发动机或朗肯循环热机等，从而将热能转换成电能。单个碟式斯特林发电装置的容量范围在5～50千瓦之间。用氦气或氢气作为工质，工作温度可达800摄氏度。这种发电系统可以是单独的装置，也可以是由碟群构成以输出大容量电力。

塔式系统塔式 太阳能热发电系统的基本形式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的太阳能接收器上;接收器将采集的太阳能转化为热能，通过接收器的气体可被加热到1200摄氏度;热能由蓄热装置收集，并由装置内的工作流体通过热力循环将热能传输至动力设备（汽轮机或燃气轮机）并带动发电机发电。塔式太阳能热发电的特点是：采用高温熔融盐来蓄热储能，聚光比高，容易达到较高的工作温度，接收器散热面积相对较小，可以得到较高的光热转换效率，这种电站的运行参数与高温高压的常规热电站基本一致，因而不仅有较高的热机效率，而且容易获得配套设备。

太阳能光伏发电

这是太阳能光电利用的主要形式，根据光生伏特效应，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。从理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电能的场合，上至航天器，下至家用电器;大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。

太阳能光伏发电的关键部件之一是太阳能电池，现在已经开发了多种类型太阳能电池，主要有硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池、有机半导体太阳能电池、纳米晶体太阳能电池和薄膜太阳能电池等。

硅太阳能电池 这是以晶体硅为主要材料制备的太阳能电池，包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池，单晶硅太阳能电池是研究和开发最早的太阳能电池材料，并保持着目前最高太阳能电池转换效率纪录。上海一家薄膜公司采用在硅表面镀特殊薄膜层，并将电池板作适当布局能量转换效率高达60%。目前，制造这种太阳能电池的技术最为成熟。但是，单晶硅太阳能电池成本较高，为了降低成本，研发了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅和单晶硅的本质区别在于多晶硅内存在晶界，晶体颗粒很小。多晶硅太阳能电池成本低廉，但是转化效率比单晶硅电池低，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。通过在材料表面镀特殊膜层，并将电池板作适当布局，能量转换效率高达50%。

多元化合物太阳能电池 其材料为无机盐，主要包括砷化镓Ⅲ-V族化合物、硫化镉、铜钢硒电池等。

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，砷化镓（GaAs）Ⅲ-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但由于GaAs的成本较高，目前主要应用于航天领域。为了充分应用太阳能，还发明了叠层电池，GaAs的叠层电池转化率高达35%。

铜钢硒电池（CulnSe2）具有适合的光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是其材料来源，由于钢和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

有机半导体太阳能电池 这是含有碳一碳（C-C）键并且导电能力介于绝缘体和金属之间的太阳能电池。有机半导体可分为3类：高聚物P3HT;電荷转移物，如PCBM、芳烃一金属卤化物等;分子晶体，如酞花菁铜等。它们有可能在非常低的温度下，以低廉的价格进行大面积的光伏电池制备。有机半导体太阳能电池目前虽然光电转换效率低，但具备制备工艺简单、电池可以弯曲.柔韧性好等优点。

纳米晶体太阳能电池纳米TiO2晶体是新近发展的、非常热门的太阳能电池材料。其最大的优点在于导电机制建立在多数载流子的传输上，因此可允许使用纯度相对较低的原料，具有廉价的成本、简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10。寿命能达到20年。在空间太阳能发电站中，考虑到大型工程的施工成本，纳米TiO2是一个比较理想的选择。

薄膜太阳能电池 这是用单质元素薄膜、无机化合物薄膜或者有机材料薄膜等制作的太阳能电池，通常其厚度为1～2微米。这些薄膜通常用化学气相沉积、真空蒸镀、辉光放电、溅射等方法制得。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米晶体薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜太阳能电池，具有制备简单、光电转换效率高、成本不高、可制备柔性器件等一系列优点。

不过，太阳能在地面上的利用率不高，产生的电功率也并不稳定。因此科学家一直在研究在外太空建立太阳能发电站，并将发电产生的电能传输回地球的工作方案。近年来，空间太阳能电站技术已经成为中国、美国、日本等国家着力攻坚的未来新能源技术。

空间太阳能发电站

空间太阳能发电站也称太空太阳能电站，是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线能量传输方式传输到地面，并人电力系统，供用户使用。

在太空建立太阳能电站的最大优势在于，它几乎可以不间断地为地面提供清洁的可再生能源。如果能够有效地利用空间太阳能，将可以为人类提供巨大的、无尽的清洁能源储备。假设在空间地球静止轨道上每间隔0.5°（间距约为360千米）布置一.个太空发电站，每个太空发电站的发电功率为5吉瓦，则可以为地面连续提供约3.6x10°千瓦的电力。同时巨大的空间供电还可以用于地面的海水淡化、制氢等，即可以用于制造其他的清洁能源。同时，太空发电站作为一种大型的空间供电基础设施，覆盖面非常宽，可以灵活地用于地面移动目标的供电和紧急情况下的供电，包括偏远地区、海岛、灾区等。此外，太空发电站可以实现对可视范围内的低轨、中轨和高轨航天器供电，未来也可以利用太空发电站直接进行空间燃料生产.为空间加工生产制造提供动力，使得未来的空间工业发展变成现实。

太空中的太阳能没有受到大气层的阻隔，接受太阳光的强度是地球上的8～10倍，同样面积的太阳能电池获得的太阳能量将比在地面上多许多倍。安装在太空中的太阳能发电站，因为不受雨天、云层和夜晚的影响，在太空可以24小时持续不断地接收太阳光能量，解决了地面太阳能发电站的间断性和稳定性的问题。在太空是微重力区域，不受重力影响，所以，在太空建造的太阳能发电装置可以做得很大，相应地也就能够获得很大的太阳能电能，而且设备使用寿命还很长。

科学家还在太空发电站的基础上提出了另外一种可能的大功率空间电站，即月球太阳能发电站，这是利用月球的资源建立月表太阳能发电站，并向地球输电。月表环境非常适合于建造大面积太阳能发电站。月表太阳光照条件稳定，不存在空气和水汽的影响，不会影响大面积薄膜太阳能装置的性能。采用转化效率为10%的太阳电池，就可以让面积1平方千米的太阳能电池板产生130兆瓦的电能;而且月球的星体力学条件稳定，不受天气.地震活动和生物过程的影响。同时，月球矿物质十分丰富，月尘和岩石材料包含了至少20%的硅、40%的氧、10%的金属，可以直接进行月球原位资源生产建造太阳能电站所需的各种部件。

太空太阳能发电站的关鍵技术主要有电能无线传输技术、电能存储技术。

电能无线传输

只有实现电能的远距离无线传输，才能真正使将太阳能电站搬到太空成为可能。电能无线传输技术按传输机理的不同可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式、电场耦合式及超声波方式等;按电磁场距离场源的远近可分为近场耦合式和远场辐射式。其中，磁感应耦合式、磁耦合谐振式和电场耦合式为近距离传输，微波辐射式和激光方式为远距离传输。

微波辐射无线电能传输系统 所谓微波输电能，就是通过微波源把电能转变为微波，然后由天线发射出去;大功率的微波束通过自由空间后被地面的接收天线收集，经微波整流器重新转变为电能，或者说这种电能传输实质上就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间把电能从空间一个地方输送到另一个地方。

微波无线电能传输是空间太阳能电站研究较多的电能传输方式，它具有较高的转化和传输效率。微波在特定频段上在大气、云层穿透性非常好，技术也相对成熟;微波束的功率密度低，又可对波束进行高精度指向控制，具有较高的使用安全性。不过，由于微波波束宽，发射和接收天线的规模都会非常大，工程实现具有较大的难度。所以，这种无线电能传输方式比较适合用于超大功率空间太阳能电站系统。

由于微波的穿透性比较好，使得微波可以穿透某些障碍物，可以适用于远距离的电能传输。但是大气中的空气介质有不稳定性，使得微波传输有不定向性，并且空气中的杂质和水蒸气会造成能量的大量损失，生物体吸收大量的微波也会影响生物体的发育和生长。

激光无线传输电能 这种电能传输基本原理是，电站上产生的电能泵浦激光器发射出特定波长的激光，激光束通过光学系统（称为光学发射天线）进行集中、准直整形处理后往地面发射，并通过自由空间传输到达地面接收端，地面上的光学系统（称光学接收天线）接收后聚集在光伏器件，它把激光转换成电能。这种无线能量传输技术主要特点是传输的激光束宽度比较窄、光学发射天线和光学接收天线尺寸可以做得比较小，同时应用更为灵活;通过合理选择激光波长，可以减小大气能量损耗。传输控制模块控制激光光束发射方向，使激光光束能够实现最高的光电转换效率。这种传能方式比较适合于中小功率的空间太阳能电站系统。

这种传输电能系统中的核心部件是激光器，对激光器的选择需要考虑两个因素，一个是其激光能量转换效率，即把电能转换成激光的效率高，相同激光输出功率的激光器，其体积、重量会比较小，这对建造空间站更有利;另外一个因素是激光波长，激光从空间站传输到地面需要经过大气层，不同波长的激光通过大气时的能量损失是不一样;此外，如果激光束传输到地面后采用的光电转换器是光伏电池，那么就需要考虑它们之间的波长匹配，以获得最佳能量转换效率。

激光束在大气中传播时大气对激光的吸收会导致大气温度发生变化，相应地影响大气的折射率.这也将使激光的传播方向和能量空间分布发生变化。为减小激光束对大气的影响，也减小大气对其的传输影响，要求激光光束口径不能太小，可以考虑以多光束的形式传输。

此外，为降低地面接收激光束的接收口径、增大传输距离，要求激光光束要有小的发射角。在激光发射系统中通常需要通过光束成形技术对待发射的激光进行会聚，这也能够改善达到系统的准直性要求。

据有关测试结果显示，波长为800纳米左右波段的激光较为适合无线能量传输。在这个波段大功率的激光器有固体激光器和半导体激光器，在转换效率上，固体激光器的转换效率约为40%，而半导体激光器阵列则为55%～60%，如铝镓砷（AlGaAs）半导体激光器，其电一光转换效率已达到70%;而且半导体激光器具有电一光转换效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，发射天线可以设计成接近衍射极限，尽可能地获得最小的接收光斑。

不同材料的光伏器件将激光转换成电能的转换.效率是不同的，为达到更高的激光功率转换效率，使用GaAs材料光伏器件做接收器件更好。

在光伏器件材料一定的情况下，光波长对功率转换效率也有较大的影响。同样的，照射在光伏器件上的激光功率密度对功率转换效率也有影响。选择的激光波长位于光伏材料的光谱响应峰值附近，可以达到较高的光电转换效率;选择合适的激光功率密度，也将使得光伏器件输出功率和光电转换效率更高。有关研究结果显示，光电转换效率随激光功率密度的变化呈单峰特性。不过，研究结果也表明：激光照射下光伏电池温度会快速上升，且其光电转换效率随温度的升高而线性下降，甚至损坏器件，因此需要控制光伏器件的温度。通

过选择与光伏器件材料相匹配的波长，并采取了较高效的冷却措施，GaAs光电池最终的能量转换效率能够达到61.2%。

此外，由于光伏器件表面会产生激光反射，所以不宜直接使用普通太阳能光伏电池进行能量转换，需要开发具有特定表面限光结构的激光一电能转换器件。

电能存储

把由光伏电池通过光一电转换得到的电能快速存储下来，并进行合理的分配，使得整个发电系统的电能利用率尽可能高。给负载供电时，需要保证有稳定的输出电压，使得负载能够正常工作。在各种电能储存方式中，超导储能系统具有效率高、功率密度高、响应速度快、循环次数无限等优点。对于空间太阳能电站，对电能储存器还提出了较高的要求。光伏发电的特性与太空电能通过大气传输特性和光伏模块温度有密切关系，急剧的环境变化会造成太阳能发电功率剧烈波动。通过仿真研究表明：光伏发电采用超导体储电技术，可以有效地平抑电功率波动并稳定电网电压;同时，太空有超低温的特点，因，此，空间太阳能发电站可考虑采用超导体储电技术。

某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫作超导现象，能够发生超导现象的物质叫作超导体，这一特定的温度成为该物质的临界超导温度。1911年，荷兰科学家昂内斯（Ones）首次发现了这个现象，他用液氦冷却汞，当温度下降到4.2开时，水银的电阻完全消失。后来又陆续发现了临界温度更高的材料。

超导体储电能的基本原理是，把超导体制成线圈，在其中输入电流，超导线圈可产生很强的磁场，电能就以磁场形式无损耗地储存起来。超导磁体可得到很高的电流密度和磁通密度，因而可达到极高的能量密度，储能密度约为10*焦/立方米。由于超导体的内阻为零，因此用超导体做成的线圈，如果线圈内有电流，则其将一直维持而不会衰减，即它能长时间无损耗地储能。在需要的时候通过功率调节系统释放出来，重复次数一般为千次。也就是说利用超导体的特性做成的储电器，不仅可以达到无耗储电的目的，还可以实现电能的长时间存储。

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[3]范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用.中国电机工程学报，2015.35（10）：2584-2600.

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关键词：太阳能发电 空间太阳能电站 无线电能传输 电能储存