国外太阳能光伏电站设计案例

空间太阳电站的研究工作主要集中在美国，日本、欧洲等发达国家。经过多年的研究与发展，各国在5GWp空间太阳能电站“参考系统”基础上提出的空间太阳能电站的系统方案已有很多，太阳电池阵采用的基本能源收集方式主要有平板太阳方阵和反射式聚光光伏发电两种。

1）1979SPS基准系统设计方案

在P．E．Glaser提出空间太阳能电站的概念后，20世纪70年代，美国政府投入大约5 000万美元进行空间太阳能电站系统研究，提出单个电站发电能力达到5GWp的方案：“1979SPS基准系统”（主要性能见表12．3）。他们设想在距地面35 800km的轨道上建造空间太阳能发电站。该太阳电站的“发电机”是一块10km× 5km×0．5km的平面太阳电池帆板，重约5万吨，采用硅或砷化镓太阳电池阵作为能量转换体系。板的一端连接一个直径为1km的微波发射天线，如图12．42所示。电站的姿态控制系统使太阳电池板始终朝向太阳，指向机构使发射天线总是对准地面。太阳电池板产生的电流通过超导体传输线送到微波发生器，在这里转换成微波，再经过天线向地面发送。

图12．42　1979空间太阳能电站基准系统设想示意图

表12．3　早期SPS基准系统的主要性能表

2）“太阳塔”和“太阳盘”设计方案

在1995—1997年间美国宇航局开展了“Fresh Look”项目研究，对多种SPS基准系统方案进行了全面的评估，确定了两种最有效的太阳能电站系统设想，即所谓的“太阳塔”和“太阳盘”，如图12．43所示。在“太阳塔”方案中，太阳电池阵不再是铺设在一整块巨大的矩形平板上，而是由数十个到数百个圆盘形发电阵组成。每个发电阵的直径为50～100m，输出0．5～1MWp的功率，根据总发电量的要求配置发电阵的数目。在这个圆盘形的发电单元上采用了菲涅尔反射／聚光镜，太阳电池将反射镜聚集起的太阳光能转换成电能，最后通过输电线传送至运输天线。“太阳盘”方案是采用直径为3～6km的高效薄膜太阳电池阵发电，其电池阵使用模块化的长条形薄膜太阳电池，呈辐射状展开成圆形阵列，可以保持自旋稳定，并对太阳定向，产生的电流汇集到盘级，再传输到发射天线。两种方案的主要性能如表12．4和表12．5所示。

图12．43　“太阳塔”（a）和“太阳盘”（b）空间太阳能电站设想概念

表12．4　“太阳盘”系统方案的主要性能表

表12．5　“太阳塔”系统方案的主要性能表

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图12．44　集成对称聚光系统设想示意图

3）集成对称聚光系统和模块化对称聚光系统设计方案

NASA在20世纪90年代末至21世纪初的SERT研究计划中提出新一代的集成对称聚光系统的设计方案，示意图如图12．44所示。该系统以1GWp商业化系统为目标，充分考虑了技术的进步，采用了较为先进的轻型薄膜聚光设计概念，尺寸为5km×15km的大型聚光薄膜。整个光电转化系统的光电转换效率目标为35%～50%，重量比功率目标为1kWp／kg，可以大大减小系统的质量。该对称聚光系统的设计方案至2008年逐步完善，成为目前最为广泛关注的设计概念，主要性能表如表12．6所示。其方案的最大特点在于它的太阳电池阵高度模块化，避免了反射／聚光产生的大量电流和电压聚集，并且采用更为高效的能量转化传输技术。相比于早期的集成对称聚光系统设计方案采用两个对称的太阳电池阵，目前的设计方案只需要一个太阳电池阵就可以了（见图12．45），但要提高太阳电池阵的散热能力仍是面临的难题之一。

表12．6　集成对称聚光系统方案的主要性能表

图12．45　目前最新设计概念－模化对称聚光系统

4）欧空局的“太阳帆塔”设计方案

欧洲从1998年起，开展空间太阳能电站研究工作，提出了名为“太阳帆塔”的概念设计。该方案的基础是美国提出的“太阳塔”，但采用了许多新技术，其中最主要的是采用了可展开的轻型结构——太阳帆，能大大降低重量，减小装配难度，尺寸为150m×150m，发射入轨后可自动展开。在低地球轨道进行组装，再通过电推力器转移至地球同步轨道。为了形成统一的研究团队、整合空间太阳能电站研究工作，2002年8月，欧空局先进概念团队组建了欧洲空间太阳能电站网络，重点在高效多层太阳电池、薄膜太阳电池、高效微波转化器、极轻型大型结构等先进技术方面开展研究工作。

5）日本的分布式系绳卫星设计方案

日本也是积极开展空间太阳能发电研究的最主要国家之一，从20世纪80年代就开始进行广泛的SPS概念和关键技术研究。90年代起，日本陆续推出了SPS2000，SPS2001，SPS2002，SPS2003、分布式绳系SPS系统等概念设计，分布式系绳卫星方案是由100m×95m的太阳电池阵单元板和卫星平台组成（见图12．46），在单元板和卫星平台间用4根2～10km的系绳悬挂在一起。太阳电池阵单元板总重42．5t，整个空间太阳能电站由25块太阳电池阵单元板组成子板，再由25块子板组成。按这个方案，电站组装和维护十分方便，但重量仍偏大。

图12．46　太阳帆塔系统（a）和分布式系绳卫星方案（b）概念