閆 勇，金 光

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，能源需求增長迅速，然而，礦物資源的過度開采造成了常規(guī)能源的日益短缺。為應對人類對能源需求日益增加和現(xiàn)有煤炭、石油等資源過度消耗造成地球生態(tài)環(huán)境不斷惡化的現(xiàn)狀，人們開始積極地尋找和開發(fā)新能源和各種可再生能源。

1968年美國彼得·格拉賽提出空間太陽能電站(SPS)概念后，其作為一種前景廣闊的可再生能源系統(tǒng)受到各發(fā)達國家的廣泛關注，但由于當時科技水平不成熟，僅側重于概念性研究。

目前，隨著空間技術的迅速發(fā)展，特別是空間運載技術、航天器技術及太陽能電池技術等的日臻成熟，SPS因其具有不受晝夜和氣候的影響，可實現(xiàn)連續(xù)工作，能量利用率高等諸多優(yōu)點，備受美、日、歐等發(fā)達國家的關注，并相繼進行了大量的研究工作［1-3］。

當前，我國能源日趨短缺的現(xiàn)狀與經(jīng)濟迅速發(fā)展的矛盾也非常突出，從世界范圍內(nèi)能源開發(fā)利用的研究現(xiàn)狀看，發(fā)展SPS，優(yōu)化能源結構同樣將是解決我國能源需求切實可行的途徑。本文結合當前國際SPS研究現(xiàn)狀和我國國情，在對SPS技術現(xiàn)狀分析總結的基礎上，結合我國當前的技術水平和未來科技發(fā)展的進步，初步提出一種新型SPS系統(tǒng)，旨在為未來我國SPS的發(fā)展提供有益的補充和借鑒。

2 SPS的發(fā)展

2.1 組成及原理

SPS指在空間將太陽能轉化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)，主要由太陽能發(fā)電裝置、能量轉換/發(fā)射裝置和地面接收/轉換裝置3部分組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 SPS工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of space SPS

2.2 軌道選擇

太陽表面輻射通量中90%以上是可見光與紅外線，太陽輻射強度在大氣層外地球軌道處約為1 367 W/m2。空間太陽能不受地磁場及大氣層性質的影響，其照射時間長、利用效率高、能量總量大，是未來可持續(xù)發(fā)展的重要能源之一。

目前，SPS最佳工作軌道主要有地球同步軌道和月球軌道，其具體情況如下:

(1)地球同步軌道:3.6×104km的地球同步軌道相對地面靜止且距地較近，便于SPS的控制和電能的實時傳輸，且位于該軌道的SPS全年有99%的時間都能接收到太陽光的照射;

(2)月球軌道:距地球約38.4×104km，該軌道受地球陰影的影響比同步軌道小許多，可有效的延長發(fā)電時間，且該軌道較大，可建立多個SPS以滿足地球日益增長的能量需求。

2.3 發(fā)展現(xiàn)狀

由于空間太陽能具有能流密度大、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜氣候影響、潔凈、無污染等優(yōu)點，利用空間太陽能發(fā)電已越來越受世界各國的關注，為了加快實現(xiàn)空間發(fā)電的構想，美、日、歐等先后進行了SPS的可行性論證工作。

美國自20世紀70年代起開始進行SPS系統(tǒng)及其關鍵技術研究，先后提出“1979 SPS基準系統(tǒng)”方案和“集成對稱聚光系統(tǒng)”方案，如圖2所示。開展了SPS系統(tǒng)探索性研究，提出了美國SPS系統(tǒng)未來20年的發(fā)展技術路線，并計劃在2030年實現(xiàn)1GW商業(yè)系統(tǒng)的運行。

圖2 集成對稱聚光系統(tǒng)Fig.2 Integrated symmetric condenser system

日本基礎能源極端貧乏，特別重視開發(fā)空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)。自20世紀80年代起開始進行SPS概念和關鍵技術研究，以現(xiàn)實性和應用性為指導原則，2003年提出了“促進空間太陽能利用”計劃，并制定了SPS發(fā)展路線圖，計劃2030年前后實現(xiàn)商業(yè)化運行，其典型結構為SPS系統(tǒng)模型和分布式繩系系統(tǒng)模型。圖3所示為日本SPS 2003系統(tǒng)模型，該方案將太陽電池、微波換轉裝置和發(fā)射天線進行了一體化集成設計，大大簡化了結構設計和空間裝配難度。

圖3 SPS2003系統(tǒng)模型Fig.3 SPS2003 system model

1998年歐洲開展了“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結構和技術研究”計劃，提出了太陽帆塔的概念，如圖4所示。該方案采用可展開的輕型太陽帆結構，可大大降低系統(tǒng)總重量、減小系統(tǒng)的裝配難度。每一塊太陽帆電池陣為一單元模塊，待發(fā)射入軌后自動展開，在低地軌道進行系統(tǒng)組裝，再通過推力系統(tǒng)轉移至地球同步軌道。

圖4 太陽帆塔Fig.4 Solar sail tower

圖5 我國SPS發(fā)展“路線圖”Fig.5 Development roadmap of space SPS in China

目前，國內(nèi)SPS的研究還處于起步階段，主要活動和工作鮮見報道。2010年8月舉行的SPS發(fā)展技術全國研討會結合國際發(fā)展現(xiàn)狀和我國空間技術的長足進步及國家發(fā)展戰(zhàn)略需要首次提出了我國SPS發(fā)展“路線圖”，如圖5所示。該路線圖指出到2050年我國將研制出首個商業(yè)化SPS系統(tǒng)，實現(xiàn)空間電力產(chǎn)業(yè)商業(yè)化［4-8］。

3 我國SPS發(fā)展設想

當前，我國能源日趨短缺的現(xiàn)狀與經(jīng)濟迅速發(fā)展的矛盾非常突出，從世界范圍內(nèi)能源開發(fā)利用的研究現(xiàn)狀看，發(fā)展SPS，優(yōu)化能源結構將是解決我國能源需求切實可行的途徑。

目前，我國已具有成功發(fā)射衛(wèi)星和空間飛船的技術基礎，未來10年左右將要建設的空間站會給我國SPS的發(fā)展帶來很大的機遇;新一代運載火箭和未來可能發(fā)展的重型運載將大幅提升我國進入空間的能力，也為建站提供了技術條件;隨著空間技術和空間工業(yè)基礎的不斷發(fā)展，將為我國進一步開發(fā)利用空間資源開辟新的領域。

依據(jù)我國SPS發(fā)展“四步走”路線圖及2026～2040年我國將進行地球同步軌道10 MW SPS系統(tǒng)方案在軌驗證技術研究的計劃，考慮未來技術的進步，本文采用目前先進的輕型薄膜聚光設計概念提出了一種新型SPS構型。

3.1 組成及功能

圖6為“10 MW SPS”示意圖，其特點是:

(1)聚光薄膜反射鏡采用模塊化的聚光單元模塊拼接成形，易于空間組裝和規(guī)模擴大;

(2)薄膜聚光系統(tǒng)持續(xù)指向太陽，對太陽能進行連續(xù)收集，經(jīng)反光次鏡反射至模塊化集成的光伏單元陣。光伏單元陣、微波轉換裝置和發(fā)射天線集成為夾層結構，大大簡化了結構設計和空間裝配的難度;

圖6 10 MW SPS示意圖Fig.6 Schematic diagram of 10 MW space SPS

(3)有折疊展開功能的聚光薄膜系統(tǒng)面密度低、結構收縮比大，易于發(fā)射、組裝，可降低發(fā)射成本。

該系統(tǒng)包括聚光薄膜反射鏡、反光次鏡、對日跟蹤指向機構、薄膜折展機構、支撐結構、光伏單元陣等，太陽光經(jīng)聚光薄膜反射鏡匯聚和反光次鏡反射到光伏單元陣進行光電轉換，并由衛(wèi)星平臺上的無線能量傳輸裝置向地面發(fā)送能量，聚光系統(tǒng)各部分功能如下:

(1)薄膜折展機構:發(fā)射過程中，薄膜反射鏡收攏，待到達預定軌道位置，展開成預期狀態(tài);

(2)聚光薄膜反射鏡:薄膜采用聚酰亞胺，反射鏡展開后，借助輔助系統(tǒng)將薄膜展成預期面形;

(3)對日跟蹤指向機構:調(diào)整對日指向，保證太陽能薄膜聚光系統(tǒng)與太陽光成最佳入射角度;

(4)支撐結構:構成太陽能電站聚光系統(tǒng)主體;

(5)光伏單元陣:實現(xiàn)太陽能轉換為電能。

該方案包括大型聚光薄膜反射鏡技術的拼接成形、空間對日跟蹤系統(tǒng)的研制、聚光系統(tǒng)光電轉換設備的研制、遠距離高密度的能量發(fā)送和接收及空間熱控等多項關鍵技術，目前，本項目獲得了有關部門的支持，并已相繼開展了相關的探索性研究工作。

3.2 光路設計

圖7 太陽能電站薄膜聚束系統(tǒng)光路圖Fig.7 Light path diagram of condensing film reflector system SPS

空間太陽光可近似看作是準平行光，設計時選用離軸拋物面作為聚光薄膜反射鏡，為了有效縮小系統(tǒng)中反光次鏡口徑，降低加工和裝調(diào)的難度，將反光次鏡置于系統(tǒng)焦平面附近，具體設計結果如圖7所示。10 MW SPS聚光薄膜反射鏡口徑為200 m，焦距為250 m，系統(tǒng)焦斑直徑為40 m。

聚光薄膜反射鏡由模塊化子孔徑拼接而成，即φ 200 m口徑薄膜反射鏡的拋物面由同等大小的平面或曲面拼接成形，拼接后的曲面滿足太陽能電站聚光面形指標，具體拼接方案如圖8所示。

圖8 拋物面拼接示意圖Fig.8 Schematic diagram of parabolic splicing

為了進一步驗證面形拼接方案的可行性，對φ 200 m聚光薄膜反射鏡拼接后的面形的聚光性能進行了分析，分析結果如圖9所示。

圖9 拋物面拼接聚光光斑特性Fig.9 Condenser spot characteristics of parabolic splicing

從圖9的分析可以看出，用若干口徑相同的平面或拋物面拼接而成的聚光薄膜反射鏡的聚焦光斑半徑均小于20 m，可滿足聚光要求，且利用二次曲面進行子孔徑拼接的聚光效果略好，綜合考慮研制周期及難易程度，擬選平面實現(xiàn)面形拼接。

3.3 聚光薄膜反射鏡

SPS薄膜聚光系統(tǒng)薄膜反射鏡有效口徑為φ 200 m，以現(xiàn)有技術難以實現(xiàn)整體成形，當前國際上大口徑反射鏡多采用面形拼接的成形方式，這種方法不僅便于系統(tǒng)的裝配和規(guī)模擴大化，而且相對整體成形的方法而言更易于實現(xiàn)。項目組借鑒國外成功經(jīng)驗，擬采用模塊化子孔徑拼接的成形方案，具體拼接方案如圖10和圖11所示。

圖10 聚光薄膜反射鏡單元模塊Fig.10 Unit module of condensing film reflector

圖10和圖11分別為聚光薄膜反射鏡單元模塊及其拼接成的大型聚光薄膜反射鏡，各單元模塊間通過外桿連接。為確保各單元模塊拼接后的整體面形精度，在模塊與模塊連接的外桿上通過特定的凹凸插槽導向結構及銷釘定位，可有效保證各連接模塊位置唯一，模塊與模塊之間通過定角度固定片固連，具體結構如圖12所示。

圖12 模塊間連接接口Fig.12 Connections of the module interface

通過這種模塊化的方法可有效地擴大聚光薄膜反射鏡的口徑而不會使系統(tǒng)拓撲結構發(fā)生變化，這將為未來更大發(fā)電功率和更大口徑聚光薄膜SPS的研究和發(fā)展打下堅實基礎。通過模塊化設計和標準化接口等方式拼接應用于未來SPS薄膜聚光系統(tǒng)中大型薄膜反射鏡的研制，這是未來大型SPS薄膜聚光系統(tǒng)發(fā)展的技術方向。

4 結束語

目前能源危機嚴重制約了世界經(jīng)濟的發(fā)展，并加劇了各國對能源的爭奪，同時也促使人們積極尋找新的替代能源。風能、水能、核能、太陽能等均是人類探索的前沿，而太陽能作為一種取之不盡、完全清潔無污染的新型能源更是受人矚目。

迄今為止美、日、歐等國相繼進行了SPS可行性論證，并對其中的關鍵技術作了大量探索性的工作。研究認為:SPS在技術、經(jīng)濟、社會等方面是可行的，雖然目前國際上還沒有成熟的系統(tǒng)上天，但上述各國研究的深度和廣度已遠遠走在我國的前面。本文結合當前國際SPS研究現(xiàn)狀和我國國情，在對SPS技術現(xiàn)狀分析總結的基礎上，結合我國當前的技術水平和未來科技發(fā)展的進步，初步提出了一種新型SPS構型。該結構大大減小了系統(tǒng)質量，降低了運載的發(fā)射成本和發(fā)射難度，可為未來我國SPS的發(fā)展提供有益的補充和借鑒。

［1］ 李國欣，徐傳繼.我國發(fā)展空間太陽能電站的必要性和相關技術基礎分析［J］.太陽能學報，1998，19(4):444-448.LI G X，XU CH J.Analysis on the necessity of developing space solar power plant in China［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，1998，19(4):444-448.(in Chinese)

［2］ 賀新升，高春甫，王彬，等.太陽自動跟蹤機構的設計和位姿分析［J］.光學 精密工程，2012，20(5):1048-1054.HE X SH，GAO CH F，WANG B，et al..Design and positional posture analysis of parallel sun auto － tracking mechanism［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20(5):1048-1054.(in Chinese)

［3］ 韓雪冰，魏秀東，盧振武，等.太陽能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的研究進展［J］.中國光學，2011，4(3):233-239.HAN X B，WEI X D，LU ZH W，et al..Review of concentration system in solar thermal power plant［J］.Chinese Optics，2011，4(3):233-239.(in Chinese)

［4］ 侯欣賓，王立，朱耀平，等.國際空間太陽能電站發(fā)展現(xiàn)狀［J］.太陽能學報，2009，30(10):1443-1448.HOU X B，WANG L，ZHU Y P，et al..Summary of the International space solar power systems［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2009，30(10):1443-1448.(in Chinese)

［5］ 高峰，孫成權，劉全根.我國太陽能開發(fā)利用的現(xiàn)狀及建議［J］.能源工程，2000(5):8-11.GAO F，SUN C Q，LIU Q G.Suggestions on and current status of solar energy utilization in China［J］.Energy Eng.，2000(5):8-11.(in Chinese)

［6］ 徐傳繼，李國欣.國際空間太陽能電站的技術發(fā)展［J］.上海航天，1999，5(12):51-56.XU CH J，LI G X.Review on the technical development of space solar power station in the world［J］.Aerospace Shanghai，1999，5(12):51-56.(in Chinese)

［7］ 李國欣，徐傳繼.空間太陽能電站技術的可行性研究［J］.上海航天，1998(2):13-18.LI G X，XU CH J.The technology feasibility study on space solar power system in the world［J］.Aerospace Shanghai，1998(2):13-18.(in Chinese)

［8］ 張鈞屏.空間太陽能電站構想及其相關技術的發(fā)展［J］.航天返回與遙感，2011，32(5):10-18.ZHANG J P.The concept of Solar Power Satellite(SPS)and its key technologies［J］.Spacecraft Recovery ＆ Remote Sensing，2011，32(5):10-18.(in Chinese)