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。

　　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。