空间太阳能发电系统及其关键材料

第 27 卷第 1 期 航 天 器 环 境 工 程2010 年 2月 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 13空间太阳能发电系统及其关键材料葛昌纯 , 张迎春 , 徐亚东 , 刘艳红 （北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083）摘要： 考虑到未来世界能源的发展，文章综述了空间太阳能发电系统国内外研究和发展现状，包括空间太阳能发电系统的结构演化以及世界各国相关项目的实施和进展，重点讨论了空间太阳能发电系统相关材料技术的发展。针对目前我国在航天和新材料领域的基础，提出了我国发展空间太阳能发电系统的建议。关键词： 空间太阳能发电站；太阳能电池阵；卫星；能源材料 中图分类号： TK514； V474； TB34 文献标识码： A 文章编号： 1673-1379(2010)01-0013-05 DOI ： 10.3969/j.issn.1673-1379.2010.01.0021 引言能源问题一直是影响社会发展的基础问题。全球能源日益紧张，据估计包括化石能源在内的所有能源储量大约仅能供人类使用 200～ 300 年左右。目前全球原油年消耗量约为 35 亿 t，而亚洲的原油年消耗量正在激增中。在今后 25 年中全球原油平均每年消耗将达 50 亿 t，足以把现已探明的全部储量耗尽。中国的能源问题比世界上其他国家更严重并将对世界能源形势产生重大影响。中国人均能源消耗约为世界人均能源消耗的 1/2，为发达国家的 1/10，为美国的 1/13 [1-3] 。因此，我们将比其他任何国家更快遇到能源短缺问题。我国如不及早地开展从根本上解决能源问题的研究，能源安全和能源危机将会严重地制约我国经济的发展，甚至威胁到国家的安全。1968 年，美国的 Peter Glaser 博士提出了空间太阳能电站（ Space Solar Power Station ，SSPS）的大胆设想，这为人类解决能源与环境问题指出了一个重要方向 [4-7] 。虽然目前 SSPS 计划还没有实现，但是人们已经认识到现代社会必须由依赖化石燃料向依靠绿色能源转变，以保护地球环境，实现可持续发展。作为一劳永逸地解决人类能源危机的终极能源，人们公认的主要有两种：核聚变能和太阳能。核聚变能发电在 50 年内能否实现商业化尚存在着争论，而 SSPS 技术有可能在 20～ 30 年内实现商业化，因此 SSPS 技术对人们有着更大的吸引力。 2 空间太阳能电站的系统构成Peter Glaser 博士提出的空间太阳能电站的原型 实 际 上 是 太 阳 能 发 电 卫 星 （ Solar Power Satellite ， SPS），其结构如图 1 所示 [3,7]。太阳能发电卫星主要由大型聚光面镜、大面积太阳能电池阵、微波发射器等组成，将布置在地球同步轨道上。大型聚光面镜将收集到的太阳光反射到太阳能电池阵上，由太阳能电池阵将太阳能转化为电能，再通过微波发射器将电能转换为微波束并传输到地面，通过地面接收装置再将微波束能转变为电能。此外，在地球同步轨道卫星上也可通过激光材料直接将太阳能转变成激光束并传输到地面，然后转变成电能或通过电解海水生成氢以作为能源。美国能源部 1979 年建立了一个太阳能发电卫星的“参考系统” [7]，并分析了在地球同步轨道上建立由 60 颗 5 GW 的太阳能发电卫星所组成的星座的可行性。表 1 是该“参考系统”的基本参数 [7]。———————————— 收稿日期： 2009-10-17； 修回日期： 2009-12-24 基金项目： 国家 973 计划项目（ 2008CB717802）、国家自然科学基金项目（ 50972008）及教育部新世纪优秀人才支持计划（ NCET-07-0261 ）作者简介： 葛昌纯（ 1934- ），男，中国科学院院士，研究方向为新型能源材料； E-mail ： ccge@mater.ustb.edu.cn 。张迎春（ 1969-），男，教授，研究方向为新型能源材料； E-mail ： zhangyingchun@tsinghua.org.cn。14 航 天 器 环 境 工 程 2010年第 27 卷图 1 微波传输的 SPS Fig. 1 SPS reference system with microwave transmitter 表 1 SPS“参考系统”的基本参数 [7] Table 1 Basic parameters for reference system of SPSSPS总数 /颗 60 单颗 SPS功率 /GW 5 太阳电池阵的尺寸 /km 5 × 10 微波发射天线的直径 /km 1 单颗 SPS质量 /kt 30 ～ 50 位于 35°纬度位置的接收系统尺寸 /km 10 × 13 发射天线中心功率密度 /(kW ·m -2) 30 接收系统中心功率密度 /(kW·m -2) 230 20 年（含第一颗发射的 SPS）总投资 /亿美元 1100～ 1200以后 SPS成本 /亿美元 110 ～ 120 SPS工作寿命 /年 30 SPS投资回报周期 /年 6 3 空间太阳能电站的发展现况3.1 美国 自从 Peter Glaser博士在 1968 年提出设想后，在卡特总统任期的能源危机期间，美国政府对SSPS 项目的研究经费支出达到了高峰。 20 世纪70 年代，美国根据当时的技术水平在参众两院下设的航空航天委员会上提出过一个 20 年内投资 2 500亿美元的预算报告，即用于建造可重复使用的、载重为 250 t 的两级运载器和 60 颗发电量为 5 GW的、 5 km× 10 km 太阳电池阵的发电卫星，终因预算过于庞大而没有获得通过。 1995 年 7 月，美国又开展了一个为时 18个月的对 SSPS项目可行性的重新审查研究，在 1997 年 4 月提出了一个 243 页的论证报告。报告指出可在 10～ 15 年内建成一个经济上有竞争力的现代化 SSPS 系统。这个论证报告虽然得到很多人的赞同，但由于当时的美国政府热衷于火星计划和不断增加军事预算而搁置了 SSPS项目。尽管如此，美国一些科学家在没有国家经费支持的条件下仍在志愿坚持 SSPS项目的研究。1999 ～ 2001 年，美国 NASA 在开展的代号为 SERT 的空间太阳能电站研究中提出了集成对称集中器（ Integrated Symmetric Concentrator ）的概念。该局投资 2 200 万美元启动了“空间太阳能发电探索性研究和技术计划”，总结分析了空间太阳能电站的最新进展，提出了美国空间太阳能电站的发展路线图，为 2030 年的商业空间太阳能发电系统研制奠定基础。在 2001 年该项研究工作通过了国家研究委员会的评估后，美国国防部综合了国际上 170 多位专家的研讨意见，于 2007 年 10 月发表了《空间太阳能电站作为战略安全的机遇》的中期研究报告。该报告认为在新的能源和航天发展形势下，虽然空间太阳能电站的研制存在严峻的技术挑战，但从需求、技术和经济上都面临着前所未有的发展机遇，有必要制定全面的空间太阳能电站国家计划。 2008 年12 月 ， 当 选 总 统 奥 巴 马 的 过 渡 小 组 已 经 在Change.gov 总统白宫网站上发布了向公众征集意见 的 白 皮 书 ， 其 题 目 为 Space Solar Power (SSP)— A solution for energy independence satellite application; manned space flight; deep space exploration; space exploitation; space control Qi Faren (China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China) Article ID: 1673-1379(2010)01-0013-05 DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2010.01.002 Space solar power station and its key materials Abstract: The progress of studies on space solar power station (SSPS) is reviewed, including the evolvement of SSPS in its structures, the related development programs and their progresses in the world. Furthermore, the development of materials science solar panels; satellite; energy materials Ge Changchun, Zhang Yingchun, Xu Yadong, Liu Yanhong(School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China) Article ID: 1673-1379(2010)01-0018-06 DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2010.01.003 PWS software applied to numerical simulation on plume effect of lunar exploration lander Abstract: In this paper, the computational software Plume WorkStation (PWS) is applied to simulate the plume flow field of the main motor of the lunar exploration lander, in order to analyze the plume effects, including the aerodynamic force and the thermal effect of convective heat transfer on the landing buffer mechanism. PWS is a general plume simulation software based on the DSMC method, with loose software architectures to achieve a relative independence of the computation modules, and a two-level construction method to achieve the universality of the boundary conditions. The test case indicates that the simulation results agree well with the experimental results. The simulation applied to the lunar exploration lander demonstrates that the maximum aerodynamic pressure on the landing buffer mechanism, as from the main motor ’ s plume, is about 2.4MPa, while the thermal flow of the convective heat transfer reaches the maximum value of about 2 000 W/m 2 on the side of the buffer mechanism’ s chassis. When the wall temperature increases from 300 K to 500 K, the heat flow of the convective heat transfer on the surface of buffer mechanism reduces slightly, with a varying range of about 5%. Key words: vacuum plume effect; DSMC method; PWS software; lunar exploration lander Cai Guobiao, He Bijiao (School of Astronautics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China) Article ID: 1673-1379(2010)01-0024-08 DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2010.01.004 A review of studies on protection against M/OD Abstract: Some recent research progress in protection against meteoroid/orbital debris (M/OD) is reviewed. According to the spacecraft protection engineering requirements, some suggestions are made about studies on protection against M/OD in China. Key words: meteoroid/orbital debris; spacecraft protection; review Gong Zizheng1, Han Zengyao 2, Pang Baojun 3 (1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China; 2. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China; 3. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China) Article ID: 1673-1379(2010)01-0032-03 DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2010.01.005 Numerical simulation of high intensity laser ablation of materials Abstract: High intensity laser ablation is a coplex physical and chemical process involving many complicated factors, such as mass removal, phase transition and dynamical boundary conditions. If the ablating target is a composite, the mechanism of laser ablation will be further complicated and it is hard to find a general solution. Only a numerical method may simulate this process perfectly. Based on the theory and the model of high intensity laser ablation, and the method of smoothed particle hydrodynamics (SPH), a meshfree particle method is used in the numerical simulation of high intensity laser ablation of typical materials. The ablation pits and temperature fields of one layer of aluminum and two layers of epoxy/aluminum irradiated by high intensity laser are obtained in this paper. The numerical results show that the ablation will expand in a radial way at the interface of different materials. Key words: high intensity laser; ablation; temperature field; thermal stress; method of smoothed particle hydrodynamics; programming Tang Wenhui, Ran Xianwen, Xu Zhihong, Zhang Ruoqi (Institute of Technical Physics, College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)