空間太陽(yáng)能發(fā)電及其關(guān)鍵技術(shù)研究概況

日照市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 山東 日照 276826

1 空間太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)研究背景

能源問(wèn)題是人類社會(huì)生存和社會(huì)進(jìn)步的基本條件之一。進(jìn)入二十世紀(jì)下半葉以來(lái)，“能源危機(jī)”及化石燃料造成的嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題在全球范圍內(nèi)愈演愈烈。

目前人類能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)能源為主，如圖1、圖2所示，傳統(tǒng)能源在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比87.79%，而在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比更是達(dá)到92.65%。尤其對(duì)于我國(guó)嚴(yán)重依賴原油進(jìn)口，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年原油消耗量將達(dá)4.5億噸，其中60%依賴進(jìn)口，制約經(jīng)濟(jì)，威脅國(guó)家安全。不僅如此，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高碳能源大量消耗，面臨嚴(yán)峻環(huán)保形勢(shì)。

所以，大力開(kāi)發(fā)清潔、廉價(jià)、大量的可再生能源就迫在眉睫。作為一勞永逸地解決人類能源危機(jī)的終極能源，人們公認(rèn)的只有兩個(gè)：其一，是在地面上建立核聚變發(fā)電站；其二，是在空間建立太陽(yáng)能發(fā)電站(SPSS)。

2 空間太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢(shì)

空間太陽(yáng)能發(fā)電是 美國(guó)工程師Peter Glaser于1968年最先提出，其總體思路是向太空發(fā)射衛(wèi)星發(fā)電裝置，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)換為微波或激光而輸送至地面，由地面接收、轉(zhuǎn)換為電能。

首先，SSPS在技術(shù)相對(duì)地面上建立核聚變發(fā)電站可行性強(qiáng)，建立核聚變發(fā)電站能否在50年內(nèi)實(shí)現(xiàn)核聚變能發(fā)電商業(yè)化尚存在著爭(zhēng)論的情況下，而SSPS在技術(shù)上有可能在20-30年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的預(yù)測(cè)對(duì)人們有巨大的吸引力。

其次，空間發(fā)電相對(duì)地面太陽(yáng)能發(fā)電，光強(qiáng)達(dá)1.366kW/m2，而地面為1.0k W/m2；如太空發(fā)電裝置通過(guò)地球同步軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，將99%的時(shí)間接受陽(yáng)光，而地面發(fā)電受晝夜交替、天氣、氣候等隱私限制較大。所以空間發(fā)電技術(shù)效率高，在太空發(fā)電衛(wèi)星上，同等面積的太陽(yáng)能電池其發(fā)電量可達(dá)地面發(fā)電量的10倍以上。

3 發(fā)展SSP需解決的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高效光電或熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù) 致力于研發(fā)研發(fā)高效、無(wú)污染的新的能量轉(zhuǎn)化方式是利用空間太陽(yáng)能等新能源的核心技術(shù)，所以研究轉(zhuǎn)換材料已成為國(guó)際研發(fā)熱點(diǎn)。

3.1.1 光伏發(fā)電 目前地面太陽(yáng)能發(fā)電廣泛使用光伏發(fā)電方式，主要使用單晶硅、多晶硅、片狀硅、非晶技術(shù)硅、薄膜硅及砷化鎵等材料制作高效太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。但是，光伏發(fā)電太陽(yáng)能電池板的生產(chǎn)具有高污染、高能耗特點(diǎn)，同時(shí)光伏發(fā)電由于照射的能量分布密度小，導(dǎo)致其發(fā)電效率低，難以滿足空間太陽(yáng)能高效率發(fā)電。

3.1.2 太陽(yáng)能熱機(jī)發(fā)電 太陽(yáng)能熱機(jī)發(fā)電通常利用斯特林循環(huán)，以氣體作為工質(zhì)，利用氣體受熱膨脹對(duì)外做功，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能在轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的方式。其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械連接，無(wú)須潤(rùn)滑、密封簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)，相對(duì)光伏發(fā)電效率高等。

高科技的太陽(yáng)能斯特林熱機(jī)雖然在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)取得不少成果，但由于制造成本昂貴，目前未廣泛應(yīng)用。

3.1.3 熱電材料直接轉(zhuǎn)換技術(shù) 熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù)主要是半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等

熱電材料是利用固體內(nèi)部載流子和聲子的運(yùn)輸及其相互作用實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與電能的相互轉(zhuǎn)換得半導(dǎo)體功能材料。熱電材料熱電轉(zhuǎn)換效率，可用無(wú)量綱熱電優(yōu)值——Z來(lái)表示，ZT=S2Tσ/λ：

S是熱電系數(shù)，即seebeck系數(shù)

σ是材料的電導(dǎo)率(S2σ又稱為材料的功率因子，決定了材料的電學(xué)性能)

λ是材料的熱阻率

由Z的表達(dá)式可以看出，如提高材料的熱電轉(zhuǎn)換效率，需選擇具有較高seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率及較低熱阻率的材料。另外S、σ、λ又是絕對(duì)溫度T的函數(shù)，因此每種材料都有各自的適宜的溫度范圍。

熱電材料主要包含半導(dǎo)體金屬合金型、金屬硅化物型以及功能梯度材料、低維熱電材料等。

半導(dǎo)體金屬合金型熱電材料，目前研發(fā)較成熟的主要金屬化及其固溶體合金，該類材料屬于中低溫材料；金屬硅化物型材料是元素周期表中過(guò)渡元素與Si形成的化合物，是高溫材料，Si-Ge合金的ZT值1000k下可達(dá)到1，但是傳統(tǒng)Si的ZT值偏低，目前研究較多的高Si化物作為替代品，實(shí)驗(yàn)研究已達(dá)到較高的ZT值，具有廣泛的應(yīng)用前景。

功能梯度材料(FDM)分為載流子濃度梯度熱電材料與疊層梯度熱電材料。在不同溫度下，熱電材料具有不同的最佳載流子濃度值，利用梯度化技術(shù)，將適用于不同溫度區(qū)域的熱電材料復(fù)合成梯度材料，使單一材料在各自對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)域內(nèi)具有最佳的載流子濃度，從而保證整體材料在較寬的溫度范圍內(nèi)，均能保持最高的熱電轉(zhuǎn)化效率。另外，功能梯度材料的每層之間因結(jié)合界面的存在，會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率下降及熱導(dǎo)率升高問(wèn)題，疊層梯度熱電材料正式基于消除梯度層之間的界面效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)真正連續(xù)過(guò)渡而研發(fā)的新型熱電材料。目前載流子濃度梯度熱電材料與疊層梯度熱電材料組合系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高效的將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的最佳選擇。

低維熱電材料，近年來(lái)熱電工作者對(duì)熱電薄膜作了很多研究，量子阱、量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)的熱電材料可以較高的熱電優(yōu)值，其原因在于降低維數(shù)可以提高費(fèi)米能級(jí)附近的電子太密度，從而提高seebeck系數(shù)；同時(shí)由于量子約束、調(diào)制摻雜和古摻雜效應(yīng)，提高了載流子的遷移率。另外，基于降低熱電材料的熱導(dǎo)率，在熱電材料中摻入納米顆?；蛞爰{米尺寸空洞等雜質(zhì)相。納米顆粒(空洞)尺寸大約為聲子的平均自由程，聲子被散射的頻率增加，從而降低熱導(dǎo)率，另外在傳輸過(guò)程中電子平均自由程比納米顆粒(空洞)大的多，所以電導(dǎo)率影響很小。特種陶瓷與粉末冶金研究中心基于低維熱電材料(二維量子阱、一維量子線、零維量子點(diǎn))建立實(shí)-空結(jié)合量子效應(yīng)模型，經(jīng)理論計(jì)算能夠獲得較高ZT。

除此之外，還有方鈷礦熱點(diǎn)材料、氧化物型熱點(diǎn)材料、準(zhǔn)晶材料等等，均是熱電工作者研究的熱點(diǎn)，大力發(fā)展材料制備技術(shù)是研制新型熱電材料的基礎(chǔ)。

3.2 低成本的地面與軌道間的運(yùn)輸方案 如何通過(guò)大型運(yùn)載火箭將發(fā)電設(shè)備運(yùn)送至空間軌道并組裝發(fā)電是關(guān)鍵技術(shù)之一。衛(wèi)星發(fā)電裝置有3種空間軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，一是繞近地軌道(Low Earth Orbit，L E O)運(yùn)轉(zhuǎn)，軌道與地面距離小于2000km；二是中軌道(Medium Earth orbit，MEO)運(yùn)轉(zhuǎn)，軌道與地面距離小于2000-20000km；三是地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)運(yùn)轉(zhuǎn)，軌道傾角為0度，高度為35800公里，衛(wèi)星沿軌道自西向東飛行時(shí)，它的運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期(23小時(shí)56分4秒)相同，地球同步軌道衛(wèi)星每天在相同時(shí)刻經(jīng)過(guò)地球相同地方的上空。同步軌道相對(duì)近地軌道發(fā)射成本高，但具有發(fā)電效率高的優(yōu)勢(shì)。

在空間軌道的最佳運(yùn)輸方案，主要采取先將組件送入近地軌道(L EO)，然后通過(guò)電推進(jìn)系統(tǒng)，將其送入同步軌道(GEO)以提高發(fā)電效率。由于從地面至L EO的發(fā)射成本占一次發(fā)射至GEO總成本的5/6，采取這種方案既降低了直接將載荷送入GEO所需對(duì)運(yùn)載能力的高要求，又提高了有效凈載荷的比例，從而降低了運(yùn)輸成本。

3.3 無(wú)線電力傳輸(WPT)技術(shù) 如何將電能傳輸至地面，并保證設(shè)備安全與環(huán)境安全是另一關(guān)鍵技術(shù)。空間發(fā)電裝置至地面能量接受裝置間的無(wú)線電力傳輸有微波輸送和激光運(yùn)輸兩種方案。微波系統(tǒng)相對(duì)激光受天氣影響小，即使是壞天氣也可以供應(yīng)能源，但微波的整流天線要幾公里長(zhǎng)，而激光系統(tǒng)只需要＜100米的天線，更重要的是微波由于和離子球干擾，故有傳輸效率較低。

激光輸送傳輸密度大，為微波系統(tǒng)的100倍；方向性強(qiáng)，因而整流天線的限制面積要比微波系統(tǒng)小得多；另外還利于地面接收，既可以轉(zhuǎn)換成電能，也可以通過(guò)硫化物光催化半導(dǎo)體材料間接實(shí)現(xiàn)由水制氫。目前國(guó)際上傾向于激光輸運(yùn)方案。

3.4 太空機(jī)器人輔助半自主組裝技術(shù) 空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)(集熱器、熱電轉(zhuǎn)換裝置等)需要太空機(jī)器人配合地面控制系統(tǒng)進(jìn)行半自主組裝、檢測(cè)及維修操作。

另外，實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電，還需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)與部件的高度模塊化和批量生產(chǎn)、輕型且長(zhǎng)壽命的結(jié)構(gòu)及其部件、高比沖且長(zhǎng)壽命的電推進(jìn)以及空間和地面的能量貯存等技術(shù)的研發(fā)。

4 空間太陽(yáng)能發(fā)電國(guó)際研究進(jìn)展

目前，中國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家都提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展計(jì)劃，但均尚處于基礎(chǔ)研究階段。

美國(guó)于1979建立SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以硅或砷化鎵太陽(yáng)能光伏電池作為能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，但是由于耗資巨大，且相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)未解決，SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)未進(jìn)一步進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)相關(guān)工作，其性能如表1所示。

1995～1997美國(guó)又制定了太陽(yáng)塔(Sun Tower)與太陽(yáng)盤(Sun Disc)方案，其特點(diǎn)是將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模塊化，發(fā)電系統(tǒng)模塊化不僅利于批量生產(chǎn)、降低成本，還可用成熟運(yùn)載系統(tǒng)發(fā)射可及無(wú)人自主組裝，利于電站規(guī)模擴(kuò)展。

表1 美國(guó)SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)主要性能

我國(guó)科研人員對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電非常重視，尤其是熱電轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)及研發(fā)工作，同時(shí)，2018年啟動(dòng)了首個(gè)空間太陽(yáng)電站實(shí)驗(yàn)基地項(xiàng)目，并計(jì)劃于2025年后進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)相關(guān)工作，目前，該項(xiàng)目已完成一套高空系留錨定氦氣浮空平臺(tái)研制，可實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電站、無(wú)線微波傳能以及空間信息網(wǎng)等技術(shù)的前期模擬與驗(yàn)證。