《空间太阳能电站》日本电子情报通信学会编；侯欣宾，刘长军，董士伟，杨波译|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《空间太阳能电站》

【作　者】日本电子情报通信学会编；侯欣宾，刘长军，董士伟，杨波译

【页 数】 275

【出版社】 北京：北京理工大学出版社 , 2022.08

【ISBN号】978-7-5763-1611-7

【价 格】99.00

【分 类】太阳能发电-研究

【参考文献】 日本电子情报通信学会编；侯欣宾，刘长军，董士伟，杨波译. 空间太阳能电站. 北京：北京理工大学出版社, 2022.08.

图书封面：

图书目录：

《空间太阳能电站》内容提要：

本书对于空间太阳能电站的发展历史和系统方案进行了介绍，重点针对空间太阳能电站最为重要的微波无线能量传输技术所涉及的发射、接收、应用和环境影响等进行了详细的介绍，较为全面地总结了日本几十年来在微波无线能量传输领域的研究成果，对于微波无线能量传输技术研究具有非常重要的参考价值。全书共5章，第1章为空间太阳能电站发展概述，第2章主要介绍空间太阳能电站微波无线能量发射传输相关技术，第3章主要介绍空间太阳能电站的地面能量接收系统，第4章主要介绍微波无线能量传输的地面应用，第5章主要介绍空间太阳能电站无线输电的影响。

《空间太阳能电站》内容试读

第1章空间太阳能电站

第1章空间太阳能电站

1.1空间太阳能电站概述

空间太阳能电站(Solar Power Station/Satellite,SPS)是由美国的

P.E.Glaser博士于1968年提出的当时规模最大的一种空间发电系统四.SPS的构想是在地球静止轨道（赤道上空36000km)上建设巨大的太阳能发电卫星，利用微波或激光将产生的能量向地面进行无线传输，在

地面上发电并利用。采用微波电力传输的SPS的天线直径设计主要考虑

无线电波传播理论和天线的经济性，天线直径为几千米，质量小于10000t,大部分设计为能够在地面上产生超过1GW的电力。SPS有许多名称，包括太阳能发电卫星(Solar Power Satellite)、空间太阳能发电系统(Solar Power System)和空间太阳能电站(Space Solar Power)。

SPS所在的36000km高轨道之所以被称为地球静止轨道，是由于离心力和重力的作用，卫星的轨道周期约为24h。因此从地面看，该卫星看起来是静止的。地球静止轨道相对于半径约为6300km的地球，如

图1.1左下方所示（图1.1显示了SPS夏季和SPS冬季的位置）。在一年

的大部分时间里，SPS不会进入地球的阴影中。因此，SPS可以在地面

的夜间进行发电。SPS的太阳能电池阵通过控制始终指向太阳（太阳定

向)，而微波传输天线通过控制始终指向地球上的接收整流天线(Rectifying Antenna,Rectenna)(地球定向)，SPS可以实现24h稳定的太阳能发电。为了解决太阳能电池阵和微波传输天线之间的这种矛盾，

研究了多种SPS概念。

另外，由于微波无线能量传输采用了称为“无线电波窗口”的频段，该频段在电离层中基本没有反射/散射，在大气/阴雨中也基本没有吸收散射，所以即使在多云或阴雨天气下也可以利用太阳光进行发电，这也

空间太阳能电站

直径数千米的太阳能电池阵列

能量传输阵列天线

导引信号接收天线

导引信号

微波功率

波束

直径数千米，数

十亿个单元，约

SPS

1.3GW传输功率

SPS(夏季)：半径约

36000km(由于进动

能量接收地点

而发生位置变化)】

±23.4

直径数千米，数十

太阳

亿个单元，1.0GW

输出功率

SPS(冬季)

地球：半径约6300km

图1.1SPS概念和参数

是它的优点（见2.3节）。因此，即使地面下雨，也可以利用SPS进行发

电。SPS是未来的基础负载供电方式，与昼夜和天气无关，并且几乎不

排放温室气体。在SPS的设计中，考虑与《无线电规则》的兼容性，

般选择2.45GHz或5.8GHz微波的ISM频段。

以兆瓦级大型太阳能电站为代表的可再生能源系统不需要常规发电所需的燃料，并且大部分投资成本和能源消耗都用于系统初期，但是由于天气和昼夜因素导致发电不稳定、系统利用效率低(10%~20%)，因此经济性和能量回报率较差，且无法作为发电站单独应用。为了解决与天气有关的发电不稳定问题，正在积极研究可充电电池和智能电网技术，

这是未来能源系统发展所必需的。采用SPS方式，将兆瓦级的太阳能电

池阵列放置到地球静止轨道上，并且通过微波进行电力传输，可以将设

施的稳定运行率提高到90%或更高。事实上，SPS是比兆瓦级更高的吉

瓦级，即1GW的电站是最经济的，因此我们的目标是达到1GW级。

由于具有高容量和稳定的发电能力，即使考虑额外的火箭发射成本，估

计SPS的发电成本也比地面上的太阳能发电成本低。当然，按照目前的

技术水平，它要比地面太阳能发电贵得多。但是如果考虑未来的技术发

第1章空间太阳能电站

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展，如系统效率、轻质材料以及低成本火箭的发展，预期可以降低到当前的火力发电成本水平(8~9日元/kW·h)。在经济性分析中，SPS的寿命设置为30年，如果考虑空间碎片等的撞击，则还包括所需的维修和维护成本，以及利润率和利息等。

SPS的发展目标是如下。

(1)短期：实现无CO,排放的大规模主力供电系统

①在几乎不存在地球阴影的地球静止轨道利用太阳能进行发电，而且微波无线能量传输几乎不会因天气因素而损失：

②微波无线能量传输的效率约为50%(DC-RF转换效率为70%~

90%,波束收集效率为90%或更高，RF-DC转换效率为90%或更高，

以及其他效率相乘得到)，即使这样，综合发电量也是地面发电量的7~10倍。

(2)中期：每个电站1万亿日元规模的新兴产业四。

①一个SPS产生的经济效益，包括间接效益，约为7万亿日元（包

括2.7万亿日元的直接效益)：

②雇员总数约为38万人。

(3)长期：扩大地球生存圈。利用空间环境符合人类的本性（对增长的渴望)，具有可持续发展的特征，具备解决全球变暖问题、促进新兴产业和扩大地球生存范围的潜力，是未来应当推广的新型发电系统。

SPS的关键技术是无线能量传输技术。在采用微波的无线能量传输

中，由太阳能产生的直流电被转换为微波，利用天线传输到地面，并在地面接收地点（天线）再次将微波转换为直流电进行利用。因此，微波无线能量传输技术的关键技术主要包括3个方面：①高效微波产生技术：②可实现高效无线能量传输和接收的天线技术和波束控制技术：③高效微波-电力转换技术（整流天线）。

微波-电力传输的效率由①电力一微波转换；②由于波束发散和传输介质（空气等）引起的传输损耗：③微波-电力转换这3个效率的乘积确定。例如，如果①电力-微波转换=80%：②传输效率=90%：③微波-电力转换=80%，则80%×90%×80%=57.6%。一般情况下，微波电力传输的效率目标定为约50%，W.C.Brown在1960年的试验中，已经在实验室实际验证的总效率达到54%)。由于微波无线能量传输的微

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空间太阳能电站

波强度比用于通信和广播的微波功率密度高，因此评估对现有电磁环境和生物的影响也非常重要（见第5章）。

(1)电力-微波转换中的高效微波产生技术及功率放大技术包括半导体或电子管方式，与微波通信和微波加热技术基本相同，但效率更为重要。与通信技术的不同之处在于，无须特别对产生的电磁波进行调制：与加热技术的不同之处在于，虽然不需要进行调制，但也要满足《无线电规则》对电磁波品质的要求（见2.1节）。

(2)由于微波发散和传输介质引起的传输损耗中的效率是由发射天线和接收天线的直径、微波频率和传输距离决定的，波束收集效率是指发射的微波到达接收天线的效率，与远距离传输过程中由于传输介质引起的损耗不同。如果选择合适的频率，由于电离层和大气层的反射、吸收和散射造成的损耗非常小，可以忽略不计。采用微波无

线能量传输的SPS是利用包括数十亿个单元的相控阵进行高于

0.001°精确波束控制的系统。相控阵是一种由许多天线元件组成的天线，通过控制天线单元辐射微波的幅度和相位，在空间进行微波合成以形成任意的波束形状，其特点是速度快、精度高，并且不需要进行天线的机械控制。尽管由于电离层和大气的反射/吸收/散射而引起的损耗很小，但是如何利用相控阵进行波束控制并使所产生的电路损耗和波束合成损耗最小成为重点。同时，实时测量能量接收地点的位

置、SPS的位置、天线的形状等并进行正确波束成形的技术也非常重

要。除了利用导频信号估计目标位置和天线形状的反向技术外，还采

用了称为REV方法和并行化方法的目标位置估计和波束成形方法

(见2.2节)。

(3)微波一电力转换中的微波功率接收和整流是微波无线能量传输所独有的技术，通常采用带有整流电路的整流天线Rectenna(Rectifying Antenna),整流电路连接天线和二极管（见第3章）。随着

规模的增加，采用多个整流天线组成阵列。除SPS之外的无线能量

传输系统也采用整流天线器件和阵列。由于SPS利用包括数十亿个

单元的整流天线来产生1GW的直流电，因此对于其作为直流电站的

评估也很重要。

在20世纪初开始利用电磁波的初期，N.Tesla(特斯拉)进行了无线能量传输试验4，)。但是，Tsla当时无法使用如微波之类的高频技术

第1章空间太阳能电站

和高增益天线，因此无法进行用户所需的大功率无线传输，导致试验失败。然而，自1960年以来，微波技术的发展使得在某种程度上进行能量汇聚成为可能，W.C.Brown成功进行了各种微波无线能量传输试验3)。现在的电子设备都需要超过数瓦级的功率，微波束不集中的话，无法有效地进行无线能量传输，还没有发展出实用的高频无线能量传输。目前，已经开展了多种无线能量传输验证，包括Brown对直升机的无线能量传输试验(1964年、1965年)，对1.6km远的接收整流天线的无线能量传输试验(1975年)，1968年SPS概念提出的灵感也来自Brown的验证性试验。

1980年以来，日本在推动SPS研究中发挥了核心作用向。用于SPS

的微波无线能量传输火箭试验最早于1983年在日本进行)，3个相关试验都在日本进行8，刿。在日本也进行了利用相控阵的无线能量传输演

示试验，山。基于这些验证试验和基础研究，SPS作为宇宙开发利用的

中长期任务被纳入日本《宇宙基本计划》(2009年6月)2,11。这在国

际上领先于欧美，首次将SPS列入国家政策。

尽管SPS促进了无线能量传输技术的研究，由于无法提出SPS以外

的重要应用，无线能量传输主要面向SPS开展研发。但随着时代的进步

和数字设备的发展，依靠极微弱功率（微瓦到毫瓦）工作的电气设备使得功率密度较弱的无线能量传输变得有效，而不需要增加高增益天线的功率密度。“特斯拉的梦想”再次变得现实，用现代表达方式就是“无处不在（随时随地）的电源”。另外，采用微波无线能量传输技术的各种应用也开始出现（见第4章）。图1.2总结了无线能量传输的历史。对于点对点的能量传输，采用电磁感应和共振耦合的方法也正在得到实际应用14-16

Forrester和Meadows等“罗马俱乐部”成员建立了表示人类活动对于地球生态、经济系统长期影响的动态模型刀。该模型显示，如果人口和经济在没有任何特别限制的情况下持续增长，由于资源的逐渐枯竭，全球生态、经济体系将在21世纪上半叶达到增长极限，之后将只能进入

下降。基于这一模型，建立了一个包括SPS在内的基于能源成本分析的

动态仿真模型，对于SPS对地球生态和经济系统产生的影响进行了评估81。

模拟的结果显示，如果在SPS上的投资较小，SPS无法支撑地球上能源

消耗的增长，因此无法避免增长极限。然而，如果在SPS上进行大量投

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空间太阳能电站

麦克斯韦方程

·电磁波密度低（理论上电磁波会扩散）特斯拉的梦想

无线通信

19世纪

·用户的高功率需求

失败，走不通

150 kHz,I MW

微波管

·高电磁波密度

20世纪

WC.Brown的无线

SPS

(微波波束的汇聚)

能量传输试验

·点对点无线能量传输

2.45GHz1450kW

245G币z.TGw

数字设备=低功耗

微波功率传输的主要途径

日本的贡献

5.8 GHz,

整流技术

21世纪

能量收集

充电灯

共振功率传输和微波功率传输

·低电磁波密度

·理论电磁波扩散

900MHz或

<10 MHz,

2.45GHz<1W

·用户的小功率需求

10W~10kw

图1.2微波无线能量传输和空间太阳能电站的历史

资，SPS可以充分支撑地球上能源消耗的增加，从而使地球人口和资本

的持续增长成为可能。在SPS投资较大的情况下，SPS本身提供给地球

的能量将可以满足SPS的增长需求，从而实现“自给自足状态”。一旦

达到这种状态，就可以完全避免地球上增长极限的出现。

1.2过去研究的空间太阳能电站系统

自从SPS提出以来，在世界上开展了多个SPS研究项目和验证试验，

SPS主要研究项目如图1.3所示。可以看出，日本在SPS领域的研究活

动最为活跃。本章对这些SPS研究项目进行详细的介绍。

1.2.1美国SPS参考系统（1980年)

Glaser提出SPS概念后不久，1970年美国开始研究SPS的技术可行性。在前期各项研究基础上，1976年，能源研究发展局(Energy

Research and Development Agency,ERDA,即能源部(Department of

Energy,DOE)的前身)启动了SPS概念设计和评估项目。在1977

···试读结束···