太空超級(jí)太陽能發(fā)電站的設(shè)計(jì)

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　　本文僅就新能源中的太陽能發(fā)電技術(shù)的動(dòng)向做一個(gè)預(yù)測。其一，關(guān)鍵光伏器件的價(jià)格將進(jìn)一步降低，從上世紀(jì)50 年代初的1 500 美元/W 降至1美元/W 左右(現(xiàn)行價(jià)格為4 美元/W);其二，是將太空技術(shù)、微波技術(shù)和光伏技術(shù)結(jié)合;其三，是我國將加大新能源發(fā)展的力度，在GDP增長的城市規(guī)劃中會(huì)單列一塊，即“新能源在GDP 增長中的貢獻(xiàn)”，且逐步解決分布式供電網(wǎng)問題。

　　1 太陽能發(fā)電與微波輸電計(jì)劃

　　1.1 宇宙太陽能發(fā)電

　　太陽表面的溫度約為2伊107益，它所釋放的能量為1伊1024 kW。其中，地球有可能利用的能量為1.8伊1014 kW，若以地球表面來平均，則可利用的能量達(dá)183 W/m2(日照總量為1 400 W/m2)。

　　除上述在地表可獲取的能量外，人們還可以從空中捕獲太陽能量，SSPS 計(jì)劃就是基于此為出發(fā)點(diǎn)的。

　　最初的設(shè)想是從1973 年到1984 年底為基礎(chǔ)研究階段，到1992 年底試制概念樣機(jī)，并開始試制實(shí)用裝置，到1998 年給出可投入實(shí)際運(yùn)行的太陽能光伏發(fā)電和微波發(fā)送接收裝置。

　　作為21 世紀(jì)的新能源系統(tǒng)，核聚變發(fā)電系統(tǒng)和軟能源系統(tǒng)是有希望的。在軟能源系統(tǒng)中，宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)(SSPS)非常引人注目。

　　1.2 SSPS計(jì)劃概述

　　若干年前就有人設(shè)想過從遙遠(yuǎn)的地方利用微波來輸電，1969 年美國雷神公司的布朗(W.C.Brown)從地面向天空發(fā)射微波，通過接收天線將接收的電能返回到一架直升飛機(jī)上，使裝有天線的直升飛機(jī)帶著接收的電功率在空中飛行，這是最早的成功的開拓性試驗(yàn)。

　　到20世紀(jì)70年代各國相繼研制微波輸送、接收電力的試驗(yàn)。電功率一般均在2 450 MHz、10 kW左右。1974年，美國邁阿密大學(xué)發(fā)表了論文《大規(guī)模從宇宙發(fā)電與輸電計(jì)劃》，其概念裝置模型如圖1 所示，簡稱SSPS(Satellite Solar Power Station)計(jì)劃，該計(jì)劃第一次把太陽能光伏發(fā)電和微波傳輸兩種最新概念結(jié)合了起來。

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　　圖1 中，重要部分之一是太陽能光伏電池傳輸中的電池板。其占用宇宙站面積大約為6 km伊26 km，可發(fā)出8 GW(1 GW=109 W=106 kW)的功率。然后將其變?yōu)槲⒉ㄋ椭恋厍?，除去損耗，到達(dá)地面取得的功率約為5 GW。SSPS計(jì)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)各部分的成本分析如圖2 所示。首先是把太陽能電池及微波發(fā)生器等設(shè)備送上宇宙的發(fā)射費(fèi)用占了較大份額，預(yù)計(jì)會(huì)占1/2 以上;其次是太陽能電池光伏發(fā)電的費(fèi)用也占很大比例;最后是微波發(fā)射和天線等的費(fèi)用，預(yù)計(jì)不會(huì)超過16%。

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　　圖2中太陽電池的效率為12.3%，若不考慮從太陽光到電力的變換則發(fā)電5 GW，而太陽電池發(fā)電功率需8.85 GW，因此計(jì)算得出系統(tǒng)綜合效率為56%。

　　1.3 送電(發(fā)射)系統(tǒng)

　　送電系統(tǒng)的好壞將影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率，此系統(tǒng)包括如下四大變換：

　　1)太陽光寅電功率;

　　2)直流電功率寅高頻微波電功率;

　　3)微波電功率(衛(wèi)星)寅微波電功率(地球);

　　4)微波寅商用電力。

　　在此將對員)的太陽能發(fā)電的敘述略去，圓)耀源)部分的概念如圖3 所示。由圖3 可知，控制電功率全部是在地球上進(jìn)行，一方面是要控制宇宙發(fā)電，另一方面還要兼顧微波發(fā)射和接收的控制。‘

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　　該系統(tǒng)中技術(shù)含量最高的部件是把太陽能光伏發(fā)電出來的電功率變換為微波。

　　研究初期，曾試用以單個(gè)超大功率的微波管作為微波發(fā)送器，所以對各種形式微波管的性能進(jìn)行了比較。最初認(rèn)為速調(diào)管比較適合用于大功率發(fā)射，但發(fā)現(xiàn)其效率低;后又改用超高頻功率放大管(CFA)，但其缺點(diǎn)是價(jià)格高，散熱困難;最后采用的是多個(gè)小功率的磁控管進(jìn)行并聯(lián)的方案。

　　眾所周知，磁控管是家用微波爐最常用的微波管，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，并可通過控制相位從而改變輸出功率。最后采用磁控管與散熱天線結(jié)合構(gòu)成一個(gè)單元，以若干個(gè)單元組成微波發(fā)射陣列。