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建立在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的空間太陽能電站系統(tǒng)可以有效利用空間太陽能，更能為國家提供巨大的可再生能源戰(zhàn)略儲備，對于保證中國的能源獨(dú)立與安全以及國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。


面向未來空間太陽能電站的空間高壓大功率電力傳輸需求，本文論述空間電能傳輸與管理系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，梳理有待解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題與核心關(guān)鍵技術(shù)，為未來深化研究指明方向。提出現(xiàn)階段制約太空高壓電力傳輸與能量管理系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)、材料和器件，分析空間輻射環(huán)境對于空間電力系統(tǒng)的影響并提出了其輻射防護(hù)需求，最后明確了需進(jìn)一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容，為開拓該領(lǐng)域的后續(xù)研究提供參考。


太空中的太陽光不會因大氣衰減，也不受季節(jié)、晝夜變化的影響，太陽輻照強(qiáng)度穩(wěn)定，約為1353W/m2，是地面太陽平均輻照強(qiáng)度的5倍以上。特別在地球同步軌道（Geosynchronous Orbit, GEO）上，99%的時(shí)間內(nèi)可穩(wěn)定接收太陽輻射，是建設(shè)太陽能電站的理想位置?？臻g太陽能電站（Space solar Power Station, SPS），是指在地球軌道上將太陽能進(jìn)行有效收集、轉(zhuǎn)化并傳輸?shù)降孛?，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能供地面使用的系統(tǒng)。


空間太陽能電站的電力傳輸與管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將太陽充電機(jī)充電蓄電池陣發(fā)出的超高功率電力傳輸并分配到發(fā)射天線及服務(wù)系統(tǒng)設(shè)備，其質(zhì)量和效率直接影響到整個電站的總質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)換總效率。為了實(shí)現(xiàn)安全、可靠的空間超大功率電力傳輸和管理，亟需開展空間高壓大功率電力傳輸與管理技術(shù)研究，突破核心技術(shù)。


目前的大功率通信衛(wèi)星采用的供電電壓為100V左右，功率達(dá)到20kW。國際空間站一次電源系統(tǒng)運(yùn)行在137～177V范圍，二次電源系統(tǒng)運(yùn)行在123～126V范圍，總發(fā)電功率達(dá)到110kW[1-3]。我國正在研制的空間站的供電規(guī)模接近40kW，而長期的擴(kuò)展規(guī)模有可能達(dá)到100kW以上[4-6]?？臻g太陽能電站是目前國際上論證的最大功率的航天器，作為驗(yàn)證型的空間太陽充電機(jī)充電蓄電池陣供電系統(tǒng)的功率將可能達(dá)到MW級水平，而未來的商業(yè)化電站的供電功率將達(dá)到GW級[7-15]。


對于未來百千瓦以上的空間大功率供電需求，為減少電力傳輸電纜的質(zhì)量和傳輸損耗，必須提高電壓、降低電流，因此采用超高電壓供電體制成為未來空間技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，空間超高壓大功率電力系統(tǒng)成為制約超大功率航天器發(fā)展的一個關(guān)鍵瓶頸。


傳統(tǒng)的航天器供電系統(tǒng)主要包括太陽充電機(jī)充電蓄電池陣發(fā)電系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)，其母線電壓等級主要由太陽充電機(jī)充電蓄電池陣的供電電壓決定，并通過電源管理設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足整星的供電需求。由于空間環(huán)境引起的放電問題，目前的航天器母線電壓都不超過200V。未來空間大功率供電需求將達(dá)到105V甚至106V以上，必然需要發(fā)展更高的供電電壓。


空間太陽能電站的傳輸母線電壓等級需要達(dá)到數(shù)千伏至10kV以上[16,17]，受到太陽充電機(jī)充電蓄電池陣供電電壓的限制，空間超高壓大功率供電系統(tǒng)將采用升壓變換的方式實(shí)現(xiàn)高壓母線傳輸供電。因此，未來的空間大功率供電系統(tǒng)將由高壓太陽充電機(jī)充電蓄電池陣、高壓電力變換設(shè)備、大功率導(dǎo)電關(guān)節(jié)（充電機(jī)充電蓄電池陣驅(qū)動機(jī)構(gòu)）、超高壓大功率傳輸電纜、大功率電力調(diào)節(jié)設(shè)備和高比容量儲能系統(tǒng)組成。


本文面向未來空間大功率的供電需求，對空間高壓電力傳輸與管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出其關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料器件，分析空間輻射環(huán)境對于太空高壓電力系統(tǒng)的影響并提出亟待解決的核心技術(shù)問題。


1  空間高壓電力傳輸與管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀


1.1  高壓太陽充電機(jī)充電蓄電池陣


太陽充電機(jī)充電蓄電池陣是電力傳輸?shù)妮斎攵?，高壓充電機(jī)充電蓄電池陣的特性將直接決定電力傳輸與管理的方式。為了實(shí)現(xiàn)高電壓供電，在20世紀(jì)70年代，美國曾在此領(lǐng)域開展了大量的研究，波音、休斯等公司面向高壓電推進(jìn)系統(tǒng)需求開展了高達(dá)16kV的高壓太陽充電機(jī)充電蓄電池陣的設(shè)計(jì)和研究[18,19]。后續(xù)隨著研究的深入，由于空間等離子體環(huán)境引起的太陽充電機(jī)充電蓄電池陣放電問題，相關(guān)研究并未實(shí)質(zhì)性地推動下去。


2012年，日本研制了高壓充電機(jī)充電蓄電池陣驗(yàn)證小衛(wèi)星HORYU?II[20]如圖1所示，并于2012年5月搭載發(fā)射，運(yùn)行軌道為680km高的太陽同步軌道。該衛(wèi)星的主要任務(wù)是驗(yàn)證低軌300V高壓充電機(jī)充電蓄電池陣技術(shù)，充電機(jī)充電蓄電池陣采用三結(jié)GaAs充電機(jī)充電蓄電池（GaAs/InGaP/Ge），尺寸為122cm×214cm，利用多組充電機(jī)充電蓄電池的串聯(lián)形成高壓，整個充電機(jī)充電蓄電池表面通過覆蓋乙烯四氟乙烯共聚物（ETFT）涂層減小放電風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在整個充電機(jī)充電蓄電池表面覆蓋半導(dǎo)電涂層進(jìn)一步減小放電風(fēng)險(xiǎn)。地面測試顯示800V的電壓差不會產(chǎn)生放電，在軌測試表明充電機(jī)充電蓄電池陣工作電壓最高達(dá)到350V，是目前在軌驗(yàn)證的最高電壓的太陽充電機(jī)充電蓄電池陣。


圖1  HORYU-II驗(yàn)證衛(wèi)星




美國ABEL公司設(shè)計(jì)的Squarerigger大功率太陽充電機(jī)充電蓄電池陣采用了ENTECH公司的聚光充電機(jī)充電蓄電池陣[21]。按照設(shè)計(jì)，Squarerigger大功率充電機(jī)充電蓄電池陣的設(shè)計(jì)功率將達(dá)到100kW到MW級，工作電壓達(dá)到1kV。該聚光充電機(jī)充電蓄電池采用了菲涅耳透鏡作為聚光系統(tǒng)，由于采用了聚光設(shè)計(jì)，充電機(jī)充電蓄電池片的間距較大，減小了放電的風(fēng)險(xiǎn)，提高了充電機(jī)充電蓄電池陣工作電壓，原理樣機(jī)如圖2所示。


圖2   Squarerigger聚光太陽翼原理樣機(jī)




1.2  國際空間站高壓供電系統(tǒng)


目前在空間運(yùn)行的最大功率航天器為國際空間站，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。國際空間站電源系統(tǒng)由電能產(chǎn)生、能量存儲、電能管理和分配設(shè)備組成。其中，美國的供電系統(tǒng)采用4組高壓太陽充電機(jī)充電蓄電池翼，一次電源供電電壓范圍為137～173V，經(jīng)過貝塔導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、直流切換單元（用于控制蓄充電機(jī)充電蓄電池組充放電）和阿爾法導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)入主母線調(diào)節(jié)單元，之后經(jīng)過直流變換單元將一次電源電壓轉(zhuǎn)換為二次電源供電電壓，范圍為123～126V。二次電源供電再根據(jù)負(fù)載供電需求進(jìn)行變換后分配到功率負(fù)載。國際空間站采用了大功率滾環(huán)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其中的阿爾法旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸電功率達(dá)到65.5kW。


圖3  國際空間站供電系統(tǒng)框圖




1.3  空間太陽能電站高壓電力傳輸管理方案


1.3.1  SPS-1979空間太陽能電站


SPS-1979空間太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。美國于20世紀(jì)70年代末對于基準(zhǔn)電站方案——SPS-1979開展詳細(xì)的研究，提出了總供電功率為8GW的方案，采用了40kV等級的高壓設(shè)計(jì)方案并采用集中式供電方式，即太陽充電機(jī)充電蓄電池陣發(fā)出的電力通過單個導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射天線。太陽充電機(jī)充電蓄電池陣被分為了228個電力分支，集成為了多條供電母線，為了避免母線間出現(xiàn)高壓擊穿現(xiàn)象，傳輸?shù)綄?dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的不同母線間的電壓偏差需要控制在0.25%以內(nèi)。


導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)前的切換開關(guān)主要用于控制部分功率用于平臺系統(tǒng)供電，而導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后的功率調(diào)節(jié)模塊將電能分配為兩部分：一部分為電站平臺系統(tǒng)供電；另一部分為微波源供電，單個微波源DC-DC變換器的功率等級為5.4MW，效率為96%。該方案最大的難點(diǎn)在于GW級的導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其次為40kV的遠(yuǎn)距離高壓電力傳輸系統(tǒng)。


圖4  SPS-1979供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖




1.3.2  太陽塔空間太陽能電站（Sun-Tower）


2000年，美國波音公司針對太陽塔空間太陽能電站概念提出一種基于交流的電力傳輸方案，其框圖如圖5所示。太陽塔概念的核心是采用梯度穩(wěn)定太陽充電機(jī)充電蓄電池陣，不進(jìn)行對太陽定向，因此回避了導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，但造成發(fā)電的極大波動性。該方案的發(fā)電功率等級最高達(dá)到3GW，由340個5kV高壓太陽充電機(jī)充電蓄電池陣構(gòu)成。


每個太陽充電機(jī)充電蓄電池陣發(fā)電功率10MW，通過DC-AC變換器變?yōu)?00kV（10kHz）的三相交流電，進(jìn)入15km的主傳輸母線傳輸接入發(fā)射天線陣。在接入端進(jìn)行一次降壓變換，將電壓降為10kV，在微波源再進(jìn)行一次AC-DC的降壓變換，產(chǎn)生80V直流電用于微波源供電。對于這樣的一個電力傳輸管理系統(tǒng)，總質(zhì)量將超過8 000t，其中電壓變換器所占質(zhì)量超過75%，電纜質(zhì)量約占25%。


圖5  太陽塔空間太陽能電站發(fā)電及電力傳輸框圖




1.3.3  多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站


2014年，中國空間技術(shù)研究院提出了一種新型的電站方案，稱為多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站（Multiple Rotation Joint-Space-Power Station, MR-SPS），其核心是采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將太陽充電機(jī)充電蓄電池陣拆分為多個充電機(jī)充電蓄電池子陣，每個子陣通過兩個導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行電力傳輸，解決了傳統(tǒng)平臺式電站的極大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和單點(diǎn)失效問題。根據(jù)該方案的構(gòu)型特點(diǎn)以及微波源的供電需求，整個電力傳輸與管理設(shè)計(jì)為分布式+集中式的混合電力傳輸與管理方式[17]。


每一個高壓太陽充電機(jī)充電蓄電池陣模塊輸出電壓為500V，12個太陽充電機(jī)充電蓄電池陣模塊的電能經(jīng)過一次升壓變換提升至5 000V，通過充電機(jī)充電蓄電池子陣的兩個導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸?shù)街鹘Y(jié)構(gòu)。50個太陽充電機(jī)充電蓄電池子陣對應(yīng)的100路輸出電力經(jīng)過二次升壓變換（20kV）后通過安裝在主結(jié)構(gòu)桁架上的電纜進(jìn)行匯集接入電力傳輸主母線，并通過兩個輸入端口輸入到微波發(fā)射天線部分。


微波發(fā)射天線的輸入電功率再根據(jù)微波源的供電需求再次進(jìn)行變換和分配。主要的發(fā)電功率用于微波發(fā)射，部分功率用于電站服務(wù)系統(tǒng)設(shè)備（安裝于太陽充電機(jī)充電蓄電池陣、主結(jié)構(gòu)和微波發(fā)射天線）的供電，同時(shí)也通過蓄充電機(jī)充電蓄電池儲存部分電力用于陰影期服務(wù)系統(tǒng)設(shè)備的供電。