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建立在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)可以有效利用空間太陽(yáng)能，更能為國(guó)家提供巨大的可再生能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備，對(duì)于保證中國(guó)的能源獨(dú)立與安全以及國(guó)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(lái)空間太陽(yáng)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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，梳理有待解決的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題與核心關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)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(duì)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(kāi)拓該領(lǐng)域的后續(xù)研究提供參考。


太空中的太陽(yáng)光不會(huì)因大氣衰減，也不受季節(jié)、晝夜變化的影響，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度穩(wěn)定，約為1353W/m2，是地面太陽(yáng)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(yáng)輻射，是建設(shè)太陽(yáng)能電站的理想位置。空間太陽(yáng)能電站（Space solar Power Station, SPS），是指在地球軌道上將太陽(yáng)能進(jìn)行有效收集、轉(zhuǎn)化并傳輸?shù)降孛妫M(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能供地面使用的系統(tǒng)。


空間太陽(yáng)能電站的電力傳輸與管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)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(gè)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(kāi)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(guó)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(guó)正在研制的空間站的供電規(guī)模接近40kW，而長(zhǎng)期的擴(kuò)展規(guī)模有可能達(dá)到100kW以上[4-6]。空間太陽(yáng)能電站是目前國(guó)際上論證的最大功率的航天器，作為驗(yàn)證型的空間太陽(yáng)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(jí)水平，而未來(lái)的商業(yè)化電站的供電功率將達(dá)到GW級(jí)[7-15]。


對(duì)于未來(lái)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(lái)空間技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(gè)關(guān)鍵瓶頸。


傳統(tǒng)的航天器供電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)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(jí)主要由太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣的供電電壓決定，并通過(guò)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(wèn)題，目前的航天器母線電壓都不超過(guò)200V。未來(lái)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(yáng)能電站的傳輸母線電壓等級(jí)需要達(dá)到數(shù)千伏至10kV以上[16,17]，受到太陽(yáng)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(lái)的空間大功率供電系統(tǒng)將由高壓太陽(yáng)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(dòng)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?jī)?chǔ)能系統(tǒng)組成。


本文面向未來(lái)空間大功率的供電需求，對(duì)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(duì)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(wèn)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(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣


太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣是電力傳輸?shù)妮斎攵耍邏撼潆姍C(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(guó)曾在此領(lǐng)域開(kāi)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(kāi)展了高達(dá)16kV的高壓太陽(yáng)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(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣放電問(wèn)題，相關(guān)研究并未實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)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(yáng)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(gè)充電機(jī)充電蓄電池表面通過(guò)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(gè)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(cè)試顯示800V的電壓差不會(huì)產(chǎn)生放電，在軌測(cè)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(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣。


圖1  HORYU-II驗(yàn)證衛(wèi)星




美國(guó)ABEL公司設(shè)計(jì)的Squarerigger大功率太陽(yáng)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(jí)，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(yáng)翼原理樣機(jī)




1.2  國(guó)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(guó)際空間站，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。國(guó)際空間站電源系統(tǒng)由電能產(chǎn)生、能量存儲(chǔ)、電能管理和分配設(shè)備組成。其中，美國(guó)的供電系統(tǒng)采用4組高壓太陽(yáng)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(guò)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(guò)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(guó)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(guó)際空間站供電系統(tǒng)框圖




1.3  空間太陽(yáng)能電站高壓電力傳輸管理方案


1.3.1  SPS-1979空間太陽(yáng)能電站


SPS-1979空間太陽(yáng)能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。美國(guó)于20世紀(jì)70年代末對(duì)于基準(zhǔn)電站方案——SPS-1979開(kāi)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(jí)的高壓設(shè)計(jì)方案并采用集中式供電方式，即太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣發(fā)出的電力通過(guò)單個(gè)導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射天線。太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣被分為了228個(gè)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(kāi)關(guān)主要用于控制部分功率用于平臺(tái)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(tái)系統(tǒng)供電；另一部分為微波源供電，單個(gè)微波源DC-DC變換器的功率等級(jí)為5.4MW，效率為96%。該方案最大的難點(diǎn)在于GW級(jí)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(yáng)塔空間太陽(yáng)能電站（Sun-Tower）


2000年，美國(guó)波音公司針對(duì)太陽(yáng)塔空間太陽(yáng)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(yáng)塔概念的核心是采用梯度穩(wěn)定太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣，不進(jìn)行對(duì)太陽(yáng)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(dòng)性。該方案的發(fā)電功率等級(jí)最高達(dá)到3GW，由340個(gè)5kV高壓太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣構(gòu)成。


每個(gè)太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣發(fā)電功率10MW，通過(guò)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(duì)于這樣的一個(gè)電力傳輸管理系統(tǒng)，總質(zhì)量將超過(guò)8 000t，其中電壓變換器所占質(zhì)量超過(guò)75%，電纜質(zhì)量約占25%。


圖5  太陽(yáng)塔空間太陽(yáng)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(yáng)能電站


2014年，中國(guó)空間技術(shù)研究院提出了一種新型的電站方案，稱(chēng)為多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽(yáng)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(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣拆分為多個(gè)充電機(jī)充電蓄電池子陣，每個(gè)子陣通過(guò)兩個(gè)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(tái)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(wèn)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(gè)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(gè)高壓太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣模塊輸出電壓為500V，12個(gè)太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池陣模塊的電能經(jīng)過(guò)一次升壓變換提升至5 000V，通過(guò)充電機(jī)充電蓄電池子陣的兩個(gè)導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸?shù)街鹘Y(jié)構(gòu)。50個(gè)太陽(yáng)充電機(jī)充電蓄電池子陣對(duì)應(yīng)的100路輸出電力經(jīng)過(guò)二次升壓變換（20kV）后通過(guò)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(guò)兩個(gè)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(yáng)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(guò)蓄充電機(jī)充電蓄電池儲(chǔ)存部分電力用于陰影期服務(wù)系統(tǒng)設(shè)備的供電。