太空超级太阳能发电站的设计.doc

太空超级太阳能发电站的设计本文仅就新能源中的太阳能发电技术的动向做一个预测其一，关键光伏器件的价格将进一步降低，从上世纪 50 年代初的 1500 美元/W 降至 1 美元/W 左右(现行价格为 4 美元/W);其二，是将太空技术、微波技术和光伏技术结合;其三，是我国将加大新能源发展的力度，在 GDP 增长的城市规划中会单列一块，即“新能源在 GDP 增长中的贡献”，且逐步解决分布式供电网问题1 太阳能发电与微波输电计划1.1 宇宙太阳能发电太阳表面的温度约为 2 伊 107 益，它所释放的能量为 1 伊 1024kW其中，地球有可能利用的能量为 1.8 伊 1014kW，若以地球表面来平均，则可利用的能量达 183W/m2(日照总量为 1400W/m2)除上述在地表可获取的能量外，人们还可以从空中捕获太阳能量，SSPS 计划就是基于此为出发点的最初的设想是从 1973 年到 1984 年底为基础研究阶段，到 1992 年底试制概念样机，并开始试制实用装置，到 1998 年给出可投入实际运行的太阳能光伏发电和微波发送接收装置作为 21 世纪的新能源系统，核聚变发电系统和软能源系统是有希望的。

在软能源系统中，宇宙太阳能发电系统(SSPS)非常引人注目1.2 SSPS 计划概述若干年前就有人设想过从遥远的地方利用微波来输电，1969 年美国雷神公司的布朗(W.C.Brown)从地面向天空发射微波，通过接收天线将接收的电能返回到一架直升飞机上，使装有天线的直升飞机带着接收的电功率在空中飞行，这是最早的成功的开拓性试验到 20 世纪 70 年代各国相继研制微波输送、接收电力的试验电功率一般均在2450MHz、10kW 左右1974 年，美国迈阿密大学发表了论文《大规模从宇宙发电与输电计划》，其概念装置模型如图 1 所示，简称 SSPS(SatelliteSolarPowerStation)计划，该计划第一次把太阳能光伏发电和微波传输两种最新概念结合了起来　　 图 1 中，重要部分之一是太阳能光伏电池传输中的电池板其占用宇宙站面积大约为6km 伊 26km，可发出 8GW(1GW=109W=106kW)的功率然后将其变为微波送至地球，除去损耗，到达地面取得的功率约为 5GWSSPS 计划系统结构及系统各部分的成本分析如图 2 所示首先是把太阳能电池及微波发生器等设备送上宇宙的发射费用占了较大份额，预计会占 1/2 以上;其次是太阳能电池光伏发电的费用也占很大比例;最后是微波发射和天线等的费用，预计不会超过 16%。

图 2 中太阳电池的效率为 12.3%，若不考虑从太阳光到电力的变换则发电 5GW，而太阳电池发电功率需 8.85GW，因此计算得出系统综合效率为 56%1.3 送电(发射)系统送电系统的好坏将影响整个发电系统的综合效率，此系统包括如下四大变换：1)太阳光寅电功率;2)直流电功率寅高频微波电功率;3)微波电功率(卫星)寅微波电功率(地球);4)微波寅商用电力在此将对员)的太阳能发电的叙述略去，圆)耀源)部分的概念如图 3 所示由图 3 可知，控制电功率全部是在地球上进行，一方面是要控制宇宙发电，另一方面还要兼顾微波发射和接收的控制该系统中技术含量最高的部件是把太阳能光伏发电出来的电功率变换为微波研究初期，曾试用以单个超大功率的微波管作为微波发送器，所以对各种形式微波管的性能进行了比较最初认为速调管比较适合用于大功率发射，但发现其效率低;后又改用超高频功率放大管(CFA)，但其缺点是价格高，散热困难;最后采用的是多个小功率的磁控管进行并联的方案众所周知，磁控管是家用微波炉最常用的微波管，其优点是价格低，并可通过控制相位从而改变输出功率最后采用磁控管与散热天线结合构成一个单元，以若干个单元组成微波发射阵列。

1.4 接收系统接收系统的概念图如图 4 所示若在地面设置一个参考定向点 RB(ReferenceBeam)，由此与卫星输电进行通信联系，并控制卫星的发射方向和强度将微波发射点(卫星上)的电力密度合成后，定向点的电力密度的宽度为 1km(用高斯表示中心部分的高斯量为23kW/m2)，故地面上定向点 RB 周围的电力密度可相应为：　　 输电 (发射 )定向参考点 RB 和受电(接收)RB 的电力密度分布图如图 5 所示在宇宙上空的发射点虽然密度大，但只对飞机(引起燃料箱放电)有所影响，而地面的电力密度却很低，还不致超过美国规定的微波泄露功率允许值 10mW/cm2当然，发射和接收二者的配合十分重要，若空中的阵列定向点设置稍有不当，则会影响输电效率，使地面上的天线无法捕捉到全部电力，因而会使某些地面电场强度过高而产生危险信号传输时经图 4 的磁控管传感器系统检测后，才由指令系统(CommandLink)对发射定向点进行控制接收天线阵列布置的设想图如图 6 和图 7 所示从远处看接收天线阵列设置好像是一组一组的屋顶，但平面部分做成网状的帘棚，可以完全阻断微波这种屋脊式构造的目的是使微波不致穿过网的下方，同时也可使阳光和雨水由网眼流出，这样，网下方非常安全。

当然，网眼的大小孔需经多次实地试验才能确定，最好是完全地阻断微波射线，这样不致对生物造成损害如果能做到这一点，当然就可以将微波接收站设置在城市近郊了1.5 SSPS 计划试验结果宇宙发电输电计划(即 SSPS)各个不同的部件已在地面上进行了小功率的模拟试验，取得了初步的成果考虑得最多的是成本，现正不断的改进中，以尽可能降低系统造价造价预算分类如下　　 2 太空太阳能发电的最新进展2.1 美国私营太阳能公司介入太空太阳能电站20 世纪 60 年代由美国国家航空航天局(NASA)和五角大楼制定的 SSPS 计划，因为费用昂贵而进展较慢源园年后的今天，许多私营太阳能公司纷纷介入此项研究例如：美国太平洋煤气电力公司(PC&E)已经于近期宣布，将与一个宣称可在太空中有效摄取能量的加州太阳能公司(SolarEnCorp)合作并向其购买电力由此，他们迈出了在外太空开发太阳能的第一步———在环绕地球的太空轨道上设立太阳能电池板，然后将直流电能转化为无线电波传送回地球，再由地面的电力储备站接收，转化为低频交流电能后供应给千家万户这个项目计划在 2016 年前提供 200MW 的电力，在 15 年内满足 25 万个家庭的用电。

如果进展顺利，苑年内可梦想成真很明显，这些私营公司的计划和源园年前的构想极为相似，先要把载有光伏电池板的卫星发射到距赤道 22000 英里(约 35400km)的轨道上，并保持与地球位置相对不变太阳能板宽度将达若干 km，系统在采集太阳能后将其转变为电能，然后再转变为无线电波返回到地球上地面的接收站准备建在美国加州费雷斯诺市的郊外据太平洋煤气电力公司粗略估计，该项目需要花费约 20 亿美元，主要用于地球太阳能基地建设和发射卫星美国加州大学伯克利分校能源和资源教授丹尼尔·卡门认为，眼下太空太阳能发电面临最严峻的挑战是实施的成本问题，尤其在当前全球经济衰退之际这个计划需要几十亿美元的资金投入，远远高于目前同等规模其他可再生能源项目所需的 1亿耀 2 亿美元但 SolarEn 公司执行总裁加里对完成该项目信心十足，他表示公司有能力提供 12 亿耀48 亿瓦的电力，能够在未来七年内实现供电商业化，太空太阳能的电力价格也能与其他可再生能源价格基本持平2.2 日本的太空太阳能市场无独有偶，日本航空宇宙开发中心(JAXA)也在研究类似的宇宙太阳能发电系统(SSPS)，有望于 2030 年前启动其基本原理和美国类似，但日本科学家采用频率为 2.45GHz 和5.8GHz 微波传送，这项技术在日本已经应用于工业和医疗设备。

在北海道的研究基地，日本科学家用直径 2.4m 的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验JAXA 的最终目标是要建立一个约猿平方公里的地面接收站，生产 100 万 kW 的电力，给 50 万个家庭供电但是，太空太阳能发电也并非完美，高强度的辐射很可能带来另一个环境污染问题但是支持者认为，只要地面太阳能接收站的面积足够大，就不会对人类及动植物构成伤害因此地面接收站应该选人烟稀少、地域广阔的地方，而且还要配套有效的电力传输系统虽然现在看来这些构想似乎有些不切合实际，但无论是美国还是日本，哪个项目的成功，都意味着人类在可再生能源领域中的一项重大突破3 日本岩木市以太阳能发电为中心的 10 年(1999—2010 年)新能源规划岩木市是日本使用大规模太阳能发展新能源的领先城市之一在启用太阳能发电方面该市具有地理优势，因为年日照时间高达 2100h，超过东京等地3.1 10 年计划的总目标10 年计划的目标是新装太阳能发电 21000kW(21MW)，此外还有风力发电、太阳能热利用、废弃物燃烧发电、汽轮机的废热供热等折算为原油发电可节约 82195kL/gCO2 减排量为 31130t/g提出的两个口号是“清洁能源循环利用的城市”、“21 世纪新型都市———岩木市”。

3.2 前期工作根据员怨怨苑年日本交通省的新能源规划已将岩木市作为试点，具体是在学校、公园、道路、公共场所等引入太阳能发电装置约 300kW，并形成新能源管理网络该设计已在1997—圆园园源年期间实现，系统的概要图如图 8 所示图中，每一设施均应用太阳能电池板供电，系统之间用直流 300V 母线连接，并经逆变器变换为交流 200V交流电经升压变压器升至 6600V，以构成交流供电网络交流网络一方面可与市电电网联系进行能量的双向流动;另一方面将信号送至 PV 管理中心，进行电力的集中管理、分配、信息储存，以便系统安全、连续运行当市电停电时，可由预先储备的 300A·h 蓄电池组供电，大约可以维持一天的基本用电因此，该系统同时具备了城市防灾功能　　 上述工程费用概算为 8 亿圆 000 万日元(折算人民币为 5 亿元)，由国家、市政府、地区开发振兴公司三方各负担 1/33.3 新能源概要根据 10 年计划走资源循环的路，建立全新的岩木市的总目标，具体的实施和阶段分解如下3.3.1 制定政策的背景1)世界性的能源紧缺能源消耗逐年增大;对石油依赖过高;节省能源意识淡薄2)依靠新能源解决问题太阳能发电;太阳能热利用;风力发电;废弃物燃烧发电;利用汽轮机产生的废热来供热。

3)建立能源循环式都市的设想解决地球环保问题，环保意识不断增强;抗灾能力增强;未来成为能源供给长期稳定的城市3.3.2 各种新能源经济技术指标评价1)从节能减排效果相比较太阳能发电寅风力发电寅电动汽车寅太阳能热利用寅废弃物发电2)从投资大小相比太阳能热利用寅废弃物发电寅电动汽车寅太阳能发电3)从能源获取开采量相比较太阳能热利用寅太阳能发电寅风力发电寅废弃物发电4)综合评价太阳能发电寅太阳能热利用寅电动汽车寅废弃物发电寅风力发电3.3.3 节能减排指标1)新能源发展新增功率和机台数太阳能发电 21000kW;太阳能热利用 15100kt;风力发电3500kW;废弃物热利用 760kt;清洁能源或电动汽车 12300 台;汽轮机废气供热 24690kW2)CO2 减排量太阳能发电 3820t;太阳能热利用 10910t;风力发电 280t;废弃物发电及热利用 5430t;电动汽车 36000t;汽轮机废气供热 7090t;合计 31130t3)节省原油(折算后)太阳能发电 5285kL;太阳能热利用 15100kL;风力发电 380kL;废弃物发电及热利用 7510kL;汽轮机废气供热43690kL;合计之后为 82195kL;占原油总消耗量的 19.2%。

　　3.3.4 全市多部门分工1)政府、行政部门形象工程和示范工程展示，提供信息、提供后援开发顺序为太阳能发电寅热利用寅风力发电寅废弃物处理寅电动(或清洁能源)汽车等2)市民。