空間太陽能電站發(fā)展綜述及對構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的影響(完整版)
【正文】 國家、組織、企業(yè)和個人都開始關(guān)注空間太陽能這種取之不盡的巨大空間能源。 一、空間太陽能電站概述 空間太陽能電站（ SPS），也稱為太空發(fā)電站，是指在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)（圖1），也包括直接將太陽光反射到地面、在地面進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)。 圖 1 空間太陽能電站示意圖 相對于地面太陽能光伏發(fā)電，空間太陽能發(fā)電具有明顯的效率優(yōu)勢。 （ 1）美國 美國是在 SPS 領(lǐng)域投入資金最多的國家，也是研究最長的國家，推出了眾多創(chuàng)新性的概念方案和技術(shù)，雖然未列入正式的國家發(fā)展計劃，但得到了持續(xù)的關(guān)注和支持。雖然投入有限，但在無線能量傳輸?shù)阮I(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平。 第二階段 : 研發(fā)階段， 2030 年前 選擇無線能量傳輸方式，開展 100kW 系統(tǒng)驗(yàn)證，預(yù)期地面接收能量為 10kW。 我國發(fā)展概況 2022 年 7 月，中國航天科技集團(tuán)公司 組織進(jìn)行了“空間太陽能電站發(fā)展必要性及概念研究”研討。 在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，“十二五”期間，在國防科工局等的支持下，國內(nèi)有更多的研究團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)研究工作。 低地球軌道的優(yōu)點(diǎn)是軌道高度較低、發(fā)射或接收天線面積較小、運(yùn)輸成本較低、可利用空間站進(jìn)行組裝維護(hù) 。 缺點(diǎn)是距離地球遠(yuǎn) ( 約 150 萬 km) ，發(fā)射天線面積大、運(yùn)輸成本高、維 護(hù)困難，且地面需多個接收站與之配合。系統(tǒng)配置相對簡單，易于擴(kuò)展功率水平，但也存在一些難題，特別是高功率傳輸和電源管理的挑戰(zhàn)。 ③采用高效率聚光電池，減小電池陣的面積 。 空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)追求較高的光電轉(zhuǎn)化效率和 較高的功率 /質(zhì)量比。激光無線能量傳輸是指將太陽光直接泵浦激光或太陽光發(fā)電后再轉(zhuǎn)化成的激光傳輸?shù)降孛?，利用光電轉(zhuǎn)換裝置將接收到的激光轉(zhuǎn)換為電力或直接分解海水制造氫氣。 集中式 PMAD 是指 由太陽電池陣發(fā)出的電能需集中到一個連接點(diǎn) ( 如高功率旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖 3) ，然后集中的電能根據(jù)需求進(jìn)行變換并分配到微波裝置，該技術(shù)適合于非聚光空間太陽能電站概念。 圖 4 分布式電源管理與分配方式 分布式 PMAD 的優(yōu)點(diǎn)是無需采用大功率旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，解決了空間太陽能電站最大的技術(shù)難題之一 。據(jù)其介紹，目前最大的在軌物體為美國的國際空間站，其重量也不過 400噸左右；而中國目前的火箭發(fā)射重量也不大，按照 4000噸的重量，則需要發(fā)送 50次以上，之后的空間組裝技術(shù)也是一大難題。 空間太陽能電站運(yùn)行中還有許多問題，其中包括 需采取相應(yīng)措施對波束進(jìn)行安全控制問題、對于飛行器的影響、空間碎片可能對空間太陽能電站造成局部損害、易攻擊性、可能成為空間垃圾等。 五、空間太陽能電站對構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的影響 空間太陽能電站 采用無線方式從太空向地面?zhèn)鬏斈芰浚瑥慕?jīng)濟(jì)角度來看，接收端必將建設(shè)在負(fù)荷中心附近，稍微調(diào)整太空能量束的發(fā)射角度即可實(shí)現(xiàn)能量在地面的遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移，因此， 空間太陽能電站 一旦投運(yùn)將 削弱地面遠(yuǎn)距離輸電的必要性，不利于 特高壓電網(wǎng) 建設(shè)。 有專家估算，目前地球同步軌道每 公斤的發(fā)射成本高達(dá) 10萬元左右 ， 建設(shè)一個天基太陽能發(fā)電站需要耗資 3000億至 10000億美元。 太陽電池陣發(fā)出的電能經(jīng)很短的距離即可實(shí)現(xiàn)電力調(diào)節(jié)和為微波裝置供電，電力損耗小，所需導(dǎo)線大大減少。 圖 3 集中式電源管理與分配方式 集中式 PMAD 的優(yōu)點(diǎn)是通過大功率旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)集中供電，便于實(shí)現(xiàn)太陽電池陣的對日定向，可保證整個系統(tǒng)較高的效率 。微波無線能量傳輸技術(shù)具有較高的轉(zhuǎn)化傳輸效率，最大的優(yōu)勢是大氣、云層穿透性好且安全性較好，但其波束寬、天線尺寸較大。 另一種是適用于聚光空間太陽能電站系統(tǒng)的聚
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