太空超级太阳能发电站的设计

　　这次全球遭遇的是金融危机而并非石油危机，但以美国为首的发达国家却把新能源发展提升到了前所未有的高度，对新能源的投入呈现加速之势。2009 年4 月初美国能源部长朱棣文在《新闻周刊》上撰文，呼吁美国“放弃石油”，“掌握自己的能源命运”，为新能源开发造势。奥巴马政府希望借助能源新政的指引极大地促进美国经济转型。这不仅会创造一个全新的能源大产业，而且将增加数百万就业岗位，从而扭转美国经济下滑的局面。美国希望并且认定未来将美国送达世界经济制高点的产业就是新能源产业。奥巴马在就职演说中也透露了美国的能源新政之一就是抑制石化能源价格上涨，“不这样做就会助长了我们的敌对势力，同时也威胁着我们的星球”。由此可见，谁能在新能源战略竞争中取得优势，谁就可以在下一场产业革命中继续充当世界科技创新的“领跑者”、经济发展的火车头以及国际新标准的制定者。

　　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1 500 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1024 kW。其中，地球有可能利用的能量为1.8伊1014 kW，若以地球表面来平均，则可利用的能量达183 W/m2（日照总量为1 400 W/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。

如果把宇宙太阳能发电系统的发展过程进行分类，大致可分为五个阶段。

第一阶段是设想时期。美国空军雷神公司在1967 年成功地进行了通过微波向模拟直升机提供电力的试验，这一试验连续进行了10 h，成功地使直升机维持了18 m的高度。这是世界上首次进行的电力微波传输试验。

第二阶段是美国航天局开始对宇宙太阳能发电系统进行立项。美国航天局同能源部在从20 世纪70 年代后半期到20 世纪80 年代前半期的10年左右的时间里，正式进行了宇宙太阳能发电系统的开发与研究。代表这一研究成果的系统是1979 年研制的宇宙太阳能发电系统。这一系统是在高度为3.6伊104 km的卫星静止轨道上建设装有宽5 km、长10 km 的巨大太阳能电池的太空站，并把产生的电力变换成微波后传输到地面。据说，预计该宇宙太阳能发电系统的发电能力为5 GW。

第三阶段是美国继续研究能否实现比较经济的宇宙太阳能发电系统的问题，并每隔10 年做一次报告。

第四阶段是用新概念、新思路研究宇宙太阳能发电系统的时期。其中，具有代表性的、高度为6 000 km 的“太阳塔型宇宙太阳能发电系统”受到好评。其传输微波的频率为2.45耀3.5 GHz，这满足了家用微波炉所需要的微波条件。

第五阶段是概念设计时期，美国航天局根据国会的要求，在1998 年3 月耀9月，基于以前的研究成果，实施了宇宙太阳能发电系统的概念设计。

日本宇宙开发事业团、欧洲航天局和加拿大航天局也提出了应通过国际合作尽快解决的事项：研究主要的核心技术；进行大气中的无线供电试验；调查微波发射对生态系统所产生的长期影响；通过国际空间站进行宇宙太阳能发电系统试验；以宇宙太阳能发电系统为契机，制定旨在开展新能源开发的国际合作。

宇宙开发事业团计划在今后25 年内投入约800亿美元，进行宇宙太阳能发电系统研究与开发工作。根据这一计划，拟在2010 年耀2020 年构筑发电能力为1 GW级的实用型宇宙太阳能发电系统。此外，不仅进行上述基础技术和核心技术的研究与开发，而且将向围绕地球运行的轨道发射发电能力为6 GW 的宇宙太阳能发电系统卫星，并通过微波从太空向地面传输电力，还将进行电离层和大气层的同传播特性有关的试验性研究。

如果计划进展顺利，那就等于是构筑了比快中子增殖反应堆和核聚变反应堆更能迅速实用化的技术，因而值得关注。

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2 450 MHz、10 kW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（Satellite Solar Power Station）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6 km伊26 km，可发出8 GW（1 GW=109 W=106 kW）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5 GW。SSPS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5 GW，而太阳电池发电功率需8.85 GW，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（Reference Beam），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1 km（用高斯表示中心部分的高斯量为23 kW/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10 mW/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（Command Link）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（PCE）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200 MW 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22 000英里（约35 400 km）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2.45 GHz 和5.8 GHz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2.4 m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2 100 h，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21 000 kW（21 MW），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82 195 kL/g。CO2减排量为31 130 t/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300 kW，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300 V母线连接，并经逆变器变换为交流200 V。交流电经升压变压器升至6 600 V，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300 A·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1/3。

3.3 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21 000 kW；太阳能热利用15 100 kt；风力发电3 500 kW；废弃物热利用760 kt；清洁能源或电动汽车12 300 台；汽轮机废气供热24 690 kW。

2）CO2减排量太阳能发电3 820 t；太阳能热利用10 910 t；风力发电280 t；废弃物发电及热利用5 430 t；电动汽车36 000 t；汽轮机废气供热7 090 t；合计31 130 t。

3）节省原油（折算后） 太阳能发电5 285 kL；

太阳能热利用15 100 kL；风力发电380 kL；废弃物发电及热利用7 510 kL；汽轮机废气供热43 690 kL；合计之后为82 195 kL；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）市民主要是在各自住宅安装太阳能发电装置和太阳能热水器，使用清洁能源（如天然气）或电动汽车等。

3）企业太阳能发电和电动汽车开发；提供各种节能技术、信息；开办向市民普及“新能源技术”的各种培训班。

3.4 前期工作节能效果

岩木市1997 年已建立300 kW太阳能发电系统，现将节能效果综述如下：

1）年发电量29 万5 800 kW·h（约80 户家庭的年用电量）；
　　2）CO2减排折算量56 t；
　　3）节省原油（核算）苑2 000 t。

按发展计划，2004 年起计划增加560 kW 的太阳能发电装置和350 kW的风力发电装置。

形象化的展示该市的PV管理中心于2001 年12 月员员日和员圆日开通，如图9 所示，显示了2001 年员圆月员圆日日照强度和每日缘：00耀19：00的不同发电量。

4 对我国太阳能发电发展的一些设想

　　在国际上，发达国家（如美、日、德）为促进太阳能发电的发展一般有两种途径：一是给私人用户购置新能源装置（部件），给予一定金额补助，例如日本补助50%；二是私人设置的太阳能发电站可以把富余的电力送入国家电网，俗称“卖电”，但需办理一定的申请手续，如订合同书，由电力公司安装“逆潮流供电”电表，检验太阳能发电装置技术上是否符合上网条件等。如果装置容量足够大，业主可从卖电中得到相当的利益。

我国至今对新能源发展未制定优惠政策，但从2009 年开始“节能”、“减排”呼声很高，有关部门已开始论证此问题。有关专家认为，可以从将大电网集中供电改为分布式供电入手。

在现代社会中，用户不满足于传统的供电方式，对供电的可靠性和稳定性的要求越来越高。以新能源为主的分布式电源，由于可以设置在用户附近，又可以作为中、小规模工厂的自备电源，正在世界范围内迅速普及。在这种新的形势下，为实现高供电可靠性、生产优质廉价电能，同时减少对环境的影响，有必要构建符合时代要求的分布式发电系统。在我国能源供需矛盾增加、环保压力增大的情况下，分布式发电有着良好的发展前景。

分布式发电所利用的新能源包括太阳能、风能、潮汐、波浪和地热等自然能源。分布式发电有个概念叫作“自己发，自己用”，减少发电上网比例，会有效缓解阻碍能源发展的上网瓶颈问题。另外，分布式发电还能为推广新能源开拓全新途径。

因为不论风电、太阳能还是其他发电形式，都有一个共同点，就是能源密度低、发电设备占地面积大。而分布式发电利用了每家每户的屋顶和其他地方，使其成为一个个小的电源点，正好解决了新能源密度低、占地面积大的问题。

目前，我国发展分布式发电有三大问题需要解决。

一是对开展分布式发电的意义认识不足。由于分布式发电在国外刚开始普及，所以我国的许多科技人员都不熟悉分布式发电的基本概念，更提不上积极去推动该项工作。基于上述原因，首先需要普及分布式发电的概念，做法和意义，让相关人员了解什么是分布式发电，以及分布式发电在提高电力系统的可靠性、节能和环保中的作用。

二是缺少相应的法律和法规。分布式发电系统的建立，需要解决电力系统对分布式发电设备的准入问题。应制定相应的技术标准，更需建立相关的法律和法规，这些目前为系统中某些电力企业的利益所制约。此外，要制定考虑各方利益的分布式发电电能的上网电价。对于相关的投资、回报等也都要制定相关的法规。

三是缺少前期研究。传统的输电方式中，潮流基本稳定，而分布式发电则会发生潮流的频繁改变，因而分布式电力系统的保护和控制要满足相应的要求。国外虽然已有许多相关研究和设备的开发，但在引进国外技术的同时，还需要开发适合我国国情的分布式发电技术和设备。

电力电子和变频技术工作者在新能源发展过程中要作出应有的贡献。以最热门的风力发电和光伏发电来说，最重要的主角自然是风力发电机和光伏电池的研制。但控制器也是排第二位的不可缺的重要部件。这正是电力电子技术人员大显身手发挥作用的机会，例如太阳能光伏发电系统，实际上是一台变频器（含上网、能量双向流动以及多种保护，例如“孤岛效应”防止等）。一个变频器厂转产该类产品并非难事，但需要重新开厂，重新研制，不是简单的在电路板和软件上改动一下即可，起码它是双PWM系统。如日本富士、日立都在十多年前就有系列化产品。我国目前一些重要的太阳能光伏形象工程多是进口日、美、德定型产品。因此，“太阳能光伏控制器厂（或公司）”，应当可以挂牌亮相了。不仅有利于经济增长，还可扩大就业机会。一举两得，何乐而不为。
　
5 结语

本文节选自笔者最新出版的《太阳能发电技术及应用中》一书，供电力电子技术行业同行参考，并请给予指正。