关于太阳能天地传输的探索

哈尔滨工业大学空间技术概论课程大作业1《空间技术概论》课程大作业题目：______关于太阳能天地传输的探索________________姓名：_______________学号：_____________授课教师：______________哈尔滨工业大学航空宇航制造工程系2015年4月28日得分哈尔滨工业大学空间技术概论课程大作业2关于太阳能天地传输的探索摘要：本文介绍了当前对太阳能的应用，太阳能的发展前景，其中主要介绍对太阳能天地无线传输的探索和国内外的研究现状与研究成果。关键词：太阳能；天地传输一．太阳能及当前太阳能的应用太阳能，是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的辐射能量。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。当前太阳能已有较为成熟的应用，主要有发电利用，光化利用，燃油利用，光热利用。二．太阳能应用的发展前景在煤炭、石油、天然气等常规能源日益减少,而人类对能源的需求越来越大的情况下,太阳能作为取之不尽、用之不竭、清洁环保的可再生能源,备受各国政府重视。国际太阳能利用技术和产品的日趋成熟,更为太阳能推广利用创造了条件。目前,可持续发展观念被普遍接受,太阳能开发、利用的研究也将掀起热潮。至本世纪中叶,世界范围内的能源问题、环境问题的最终解决将依靠可再生洁净能源特别是太阳能的开发利用,随着越来越多国家的政府和有识之士的重视,太阳能的利用技术会在短期内获得较大发展。三．太阳能天地传输的探索目前的太阳能应用主要局限于地面应用，而到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。同时由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给地面的太阳能大规模应用增加了难度。哈尔滨工业大学空间技术概论课程大作业3而外太空中的太阳能不受大气层减弱以及天气地理位置影响，能流密度相比于地面更大更稳定，空间太阳能的利用可以最大限度避免外部因素，提高太阳能利用效率，如何将外太空源源不断的太阳能传输到地面成了最大问题。因而发展太阳能天地传输的技术是获得外太空天阳能的关键所在。各国早有对太阳能无线传输的研究。1.空间太阳能电站设想空间太阳能电站是人类开发利用空间资源的宏伟空间工程，是航天领域与能源领域完美的结合点，它将可能成为人类在21世纪解决能源问题的重要途经之一。空间太阳能电站不仅是一项重大的科技工程，还具有重要的政治、军事意义，是国家政治、经济、科技和军事实力的很好体现。1968年，美国的彼得·格雷泽（PeterGlaser）博士首次提出建立空间太阳能电站的构想（见图1）。之后空间太阳能电站概念得到国际各发达国家的广泛关注。2000年以后，日本、美国、俄罗斯、欧洲、印度等国家和组织都提出了在未来建设空间太阳能电站演示或商业系统的计划。2009年，日本宣布将投资200亿美元，在2030-2040年左右构建第一个商业空间太阳能电站系统。根据日本2012年提出的最新空间太阳能电站发展路线图，将于2020年前利用小卫星或“国际空间站”上的日本实验舱（JEM）开展低轨无线能量传输验证；2030年前完成100千瓦～200兆瓦级的系统验证；2035年左右研制1GW商业系统。图1格雷泽博士提出的空间太阳能电站设想空间太阳能电站是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线方式传输到地面的电力系统，主要由太阳能收集系统、太阳能传输系统、地面接收系统三部分哈尔滨工业大学空间技术概论课程大作业4组成。空间太阳能电站研究已经超过40年，根据目前的发展计划，距真正的商业化空间太阳能电站的实现至少还需30年左右。由于规模巨大，对技术发展提出了巨大的挑战。其中无线能量传输技术是太阳能传输系统的基础，也是实现空间太阳能电站的主要关键技术。2．微波无线能量传输技术微波无线能量传输技术（MPT）是由比尔·布朗基于电能可以由电磁波传输的假设提出。1899年，特斯拉首次用特斯拉线圈实验验证了无线电波传输电力的理论。随着20世纪末能源危机日益显现，美国、日本等能源需求大国开始对基于微波无线能量传输技术的空间太阳能发电卫星计划进行规划、实验和验证，这成为该技术一个最重要的应用领域和发展动力。微波无线能量传输系统主要由微波功率发生器、微波发射天线、微波接收和整流天线三部分组成，目的是将直流电能转化为微波，并通过自由空间进行传输，在到达接收部分后再次转换为直流电能。微波功率发生器的作用是将直流电转换成微波，常用的微波发生器有电子管（包括磁控管、行波管、速调管等）、半导体和混合型固态器件等。微波电子管的特性是高效率和高功率输出，且使用成本低，使用范围广。早在100年前，特斯拉用工作电压100MV、频率150kHz的电磁波发生器产生非定向电磁辐射，成功地点亮了两盏白炽灯，这就是最初的无线输电实验室演示，从那时起无线输电的概念问世了。到20世纪20年代中期，日本科学家论述了无线输电概念的可行性；30年代初期美国的研究者也开始了不用导线点亮电灯的输电方案的探讨。图2微波无线能量传输系统的组成哈尔滨工业大学空间技术概论课程大作业53.基于等离子体通道的空间太阳能无线能量传输系统空间太阳能经历从空间真空环境向地球大气环境传输的过程，微波与激光在大气传输时存在的问题直接影响了空间太阳能电站系统的整体效率。所以，提高大气阶段的能量传输效率是空间太阳能利用的关键所在。基于等离子体通道的无线能量传输技术充分利用大气环境，为完善与发展太阳能天地传输提供了新颖的技术途径。在空间太阳能电站和地基接收装置间增加中间的转化平台，实现对传输区域的划分，构成非大气-大气两区域传输模型，具体构成及功能如下：1）大口径太阳能收集装置部署在卫星平台上，收集空间太阳能；2）微波转换与发射装置部署在卫星平台上，将太阳能收集后转换成微波发射；3）微波接收装置部署在驻留平台上，将接收到的微波能量转化为电能存储；4）飞秒激光发生装置部署在驻留平台上，用来在大气层内激发等离子体电离通道，形成电能传输媒介；5）电能由等离子体通道传输至地面电力接收设施。整个系统构成参见图3。图3空间太阳等离子通道传输技术示意图哈尔滨工业大学空间技术概论课程大作业6四．国内外的研究现状与研究成果据美国宇航局太空网报道，一位曾供职美宇航局的科学家利用无线电波，将太阳能在两个夏威夷岛屿之间传输了92英里(约合148公里)的距离。他宣称，实验成果证明这一技术可以将太阳能从卫星传回地球。约翰·曼金斯(JohnC.Mankins)向《探索频道》演示了这项太阳能传输技术。《探索频道》为这次历时4个月的实验提供了经费，并在美国播出了实验结果。曼金斯的构想是将重达1102磅(约合500公斤)的轨道卫星收集的太阳能传输至地面一个大型接收站。曼金斯曾在美宇航局工作25年之久，长期负责宇航局太空太阳能项目，直至该项目被取消。他成功将20瓦的太阳能在两个岛屿之间传输。但由于岛上的接收站过于小，只有千分之一的能量被接收到。这次实验耗资约100万美元，曼金斯表示，他要是有更多的资金，那么就能造出更大的太阳能阵列。图4太阳能卫星模拟图图5太阳能地面接收系统哈尔滨工业大学空间技术概论课程大作业7日本宇宙航空研究开发机构和福井大学正共同推进研发一种能在太空将太阳光高效转化为激光并传输到地面的装置，这种装置一旦完成，有望不受天气和时间段影响实现太阳能发电。据日本《读卖新闻》网站报道，研究小组正在研制这个高约200米、宽约2公里的大型反射镜状装置，计划将其发射到距地球约3.8万公里的轨道。这一装置包含福井大学院副教授金边忠开发的一种新材料，它容易吸收太阳光的能量并激励生成激光。据报道，这个太空太阳能发电装置完成后，由地面设施接收激光并用来发电，其功率可达到约100万千瓦，相当于一个核反应堆的发电能力。日本宇宙航空研究开发机构计划在2025年至2030年间发射试验装置。我国目前在空间太阳能电站研究方面处于起步阶段，正在开展空间太阳能电站的概念方案和关键技术的研究工作，力争通过技术基础的积累，使我国具备在地球同步轨道开拓空间能源的能力，促进我国航天技术领域的可持续性发展。相关研究工作也得到了航天、能源等领域专家的广泛关注。五．太阳能天地传输发展前景无线能量传输技术是太阳能传输系统的基础，也是实现空间太阳能电站的核心关键技术。本文研究梳理了应用于空间太阳能电站的微波无线能量传输技术与激光无线能量传输技术。虽然这两项技术已取得了巨大的突破，但是在大气层环境内不可避免的存在许多问题。当然这些问题本身也是具有挑战性的前沿科学问题，需要结合相关领域的最新研究进展，综合论证，全面考虑，才能充分发挥技术特点。近些年，随着科学技术的发展，出现了一些新颖的长距离无线能量传输技术，例如：基于新材料的超导无线能量传输技术，利用大气特性的超快激光诱导等离子体的无线电能传输技术等。这些新技术的出现，不仅为空间太阳能电站的无线能量传输模式提供新的思路，甚至有望改变空间太阳能电站能量传输链路，提高整个空间太阳能电站系统的效率。除了空间太阳能电站，无线能量传输技术还可以应用于临近空间飞行器、空中通信中继站、卫星电力中继、恶劣环境的电力供应等领域。基于等离子体通道的无线能量传输技术可以发展成为一种新型载荷，平流层飞艇配置该种载荷将成为一个悬浮在空中的能量来源，即“空基能量提供者”，进一步扩展飞艇的功能与应用领域。在地面应用方面，对于地形复杂、难以架设输电线路的地区，如岛屿、荒山、沙漠等，可以采用基于等离子体通道的无线能量传输技术进行电能补给，作为传统的输电线路的补充。哈尔滨工业大学空间技术概论课程大作业8空间太阳能的利用可以最大限度避免外部因素，提高太阳能利用效率。因此太阳能天地传输有极大的应用前景，未来对太阳能天地传输的研究将更加深入。六．参考文献[1]李维.空间太阳能电站无线能量传输技术[J].国际太空,2015.[2]王希季,闵桂荣.发展空间太阳能电站引发新技术产业革命[J].能源与节能,2011(5):1-2,15.[3]侯欣宾,王立,朱耀平,等.国际空间太阳能电站发展现状[J].太阳能学报,2009,30(10):1443-1448.[4]庄逢甘,李明,王立,等.未来航天与新能源的战略结合——空间太阳能电站[J].中国航天,2008(7):36-39.[5]张钧屏.空间太阳能电站构想及其相关技术的发展[J].航天返回与遥感,2011,32(5):10-18.[6]李维，刘勋，阮宁娟，苏云，杨秉新，等.利用等离子体通道实现空间太阳能无线能量传输[J].航天返回与遥感,2014,30(6):2372-2379.