太阳光综合利用技术及其在空间站应用的可行性分析

李中华，赵 琳，王志民，魏 杰

（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000；2.西安交通大学，西安 710049）

0 引言

我国空间站建设工程已全面展开，计划到2022年前后完成在轨组装并投入运营，开展较大规模的空间科学与技术实验。从“和平号”空间站和国际空间站积累的经验来看，宇航员在空间站长期工作和生活是非常艰苦的，在空间站内部模拟地球生活环境（要求同样的阳光、空气、水分以及绿色植物等）是一个复杂的系统工程。除了控制舱内大气成分与压力、温度和湿度、处理人体代谢物、监控与处理有害气体以及再生氧气和水等技术外，对舱内照明光源的光谱分布和照度也有一定的要求。由于航天员处在特殊的狭小舱内空间中，舱内的照明对航天员身体和心理都有一定的影响。空间站舱内照明的相关技术参数主要包括：亮度分布、照度、眩光、方向性、光色特性、照明系统的效率、照明系统的可靠性与安全性等[1-2]。太阳光是最适合人类照明的自然光，但是目前空间站内部的照明光源依然采用传统的人造光源（电灯）照明系统，人造光源不仅没有自然光线舒适柔和，而且会消耗航天器极其有限的电力资源。空间站的电力资源主要由太阳能电池阵提供，因为光伏发电效率相对较低，造成空间站的发电能力有限。电灯照明产生大量的废热，需要由热控系统排出，增加了热控系统的负担，进一步加重电能的消耗。另外，空间植物生长实验是空间站科学实验必不可少的组成部分，同样需要可见光能源。因此，基于未来空间站宇航员长期驻留的空间飞行要求，迫切需要研发出一种新技术或一套新系统，将太阳光直接引入空间站飞行舱内加以利用，满足空间站长期在轨飞行中对于舱内照明、植物生长光源、再生生命保障系统光源等多方面的需求，有效减轻空间站热控系统的负担。

1 太阳光综合利用技术的基本原理

空间站表面能够接受的外空间太阳光能量密度为1 353 W/m2，其中，可见光占整个太阳光谱能量的38%左右，其余为红外和紫外光。人眼能够感知的和植物光合作用能够利用的光波大部分是太阳光谱中的可见光部分（380～780 nm），而红外光波段（＞780 nm）、紫外光波段（＜380 nm）对舱内照明或大部分绿色植物生长是没有利用价值的，甚至是有害的。如果能将空间太阳光中的可见光与其他波段的光进行分离利用，将可见光直接用于航天器舱内照明或植物光合作用，省去中间的光电转换过程，可大幅降低照明系统对空间站传统光伏电能的依赖，降低对空间站有限电力资源的消耗。同时，将分离出来的红外和紫外光通过光电转换系统转换成电能储存起来，以备在无太阳光照条件下的辅助照明。

太阳光综合利用技术是近年来发展起来的一种综合利用太阳光能量的新型技术[3-10]，聚光系统（如反射抛物面聚光镜、菲涅尔聚光透镜等）采集全光谱的太阳光能量，经过光谱分离（分光）系统（如带通滤光片）将太阳光分解成可见光和红外/紫外光两部分。可见光通过集束光纤导入空间站的舱内，直接驱动发光平板进行舱内照明，而红外光部分利用GaSb窄带隙光伏电池进行光伏发电，电能被蓄电池储存起来用于背光条件下驱动电灯照明，基本原理如图1所示。

在太阳光综合利用系统中，光波导系统（包括聚光采集系统和分光传输系统）是整个系统中的核心部件，也是表征太阳光综合利用系统对于太阳光综合利用效率的关键技术部件。目前，主流的光波导系统大都采用旋转抛物面反射聚光镜+分光滤光片组合的方式实现，如图2所示[3]。

图1 空间太阳光综合利用系统原理图Fig.1 The principles of multiple utilization of solar energy in space

图2 光波导系统结构模示意图Fig.2 The structure sketch of optical waveguide

衡量聚光能量转换效率的最核心参数是一次聚光器的聚光比，其大小决定聚光器的类型选择、材质选择及结构参数的优化等[4]。以旋转抛物面反射聚光器为例，几何聚光比C的定义为：聚光器的开口面积与接收器的端面面积之比，如图3所示。

式中：W为旋转抛物面反射镜的开口直径；D为管状接收器的直径。

如果从结构尺寸要求汇聚的可见光尽可能的被反射利用，则必须满足：

图3 抛物面反射镜的光路设计示意图Fig.3 The designing sketch of parabolic reflector

式中：L为光线入射点到抛物面焦点的距离；2θ为太阳光的张角（太阳光是非严格的平行光，具有一定张角2θ=32′）。其中，L可以通过求解聚光器的抛物线方程（x2=4fy）得到：

式中：ψ为入射点-焦点的连线与抛物面中轴线的夹角（位置角）；f为抛物面的焦距。

通过求解方程式（2）和式（3），可以得到接收器端面的最小直径为：

在理想情况下，抛物面聚光镜的几何聚光比最终表达为：

其中，“相对光孔”N是用来衡量聚光影像的亮度或太阳光辐射的集中度（N=W/f）。

聚光比越大，聚光能量转换效率越高，但是过高的聚光比会产生接收器断面的热效应及可靠性问题，必须对限制条件进行综合分析。

2 太阳光综合利用技术的发展历史与研究现状

太阳光综合利用技术的研究历史最早可以追溯到20世纪70年代。美国桑迪亚（Sandia）国家实验室的Duguay等[5]提出了利用太阳光导入建筑物内直接照明的系统，如图4所示。

图4 太阳光导入系统光路传输示意图Fig.4 The sketch of the light path in sunlight guidance system

研究者设想在高大建筑物房顶开一个小洞，由平面镜（M1）和聚光镜（M2）构成的太阳光收集系统将太阳光汇聚成束穿过房顶的小洞引入室内；经过一次透镜（L1）还原为平行光照射到分光镜（F）上，太阳光被分离成两部分：红外光用于光伏发电，可见光一部分经过凸面镜（M3）反射到漫反射板用于办公桌照明，另外一部分经过漫反射镜M4投射到屋内天花板用于背景环境光源；多余的可见光再经过组合光路（平面反射镜M5和二次透镜M2）引入下一层房间内用于照明。

日本的La Foret工程公司推出了第一台真正作为商品出售的太阳光采集照明系统“Himanwari（向日葵光纤照明系统）”，如图5所示[6]。该系统是一个能自动跟踪太阳光的照明系统，主要由太阳光聚光收集器（菲涅尔聚光透镜）、太阳跟踪装置、传输光缆和室内照明终端等关键部件组成，另配有供夜间和阴雨天使用的人工照明光源装置。

美国芝加哥大学费米研究所成功地设计了一种新型高效太阳能收集器（温斯顿太阳能聚光装置）[7]。温斯顿聚光器采取两级聚光：第一级是用一个直径为40.6 cm的普通反射聚光镜聚焦太阳光能量，并备有一套太阳跟踪机构，使受光面始终接受太阳光的直射；第二级集光器位于第一级反射聚光镜的焦面上，经第一级集中的太阳光通过凸透镜进入到有特殊内表面高反光、充满介质油的双抛物面反射集光腔内进一步聚光。入射光口直径约l cm，输出光口直径只有1 mm。

图5 日本“向日葵”采光照明系统Fig.5 concentration system of Japan helianthus

美国物理科学公司（Physical Sciences Inc.）也是较早开展太阳能综合应用技术的研究机构之一。该公司设计了一套太阳光聚光/分光装置-光波导系统[8]，如图6所示。

图6 光波导系统结构示意图Fig.6 The structure ketch of the optical waveguide

该装置选用了一个直径为50.8 cm的抛物面聚光镜用于太阳光的聚光收集，在聚光镜的焦点处放置了一个光纤耦合装置，将汇聚的太阳光耦合到由石英光纤组成的光波导光纤束中，光波导光缆将高能量的汇聚太阳光直接引入室内照明。

美国3M公司、Sandia国家实验室和Oak Ridge国家实验室联合开发了混合太阳光照明系统（Hy⁃brid Solar Lighting，HSL），如图7所示。

图7 HSL聚光装置图Fig.7 concentrator of HSL

HSL系统主要包括主动式太阳光采集器、二次聚光器、光纤传输、太阳光照明、太阳能电池等[10]，此项研究获得美国能源部和联邦资金的支持。目前，该系统已用于美国加州的Sacramento办公建筑、德州的沃尔玛超市商业建筑等项目中，其节能效果明显。美国物理科学公司提出了一套空间太阳光综合利用系统方案[11]，将全光谱的太阳光分离成可见光和红外光两部分，分别加以利用，从而实现了真正意义上的太阳光综合利用，如图8所示。

图8 美国物理科学公司太阳光利用方案的光谱分布图Fig.8 The spectral distribution of the solar energy utilization of Physical Sciences Inc.

400～780 nm的可见光线全部反射，用于舱内照明；780 nm以上红外部分全部透过，用于光伏发电。对于红外线光伏发电部分，该研究团队考察了窄带隙半导体光伏材料，如单晶硅、GaSb和InGaAs电池等。单晶硅电池的禁带宽度为1.2eV左右，可以吸收1 000 nm以下的太阳光；InGaAs电池的禁带宽度为0.8 eV，可以吸收1 550 nm以下的太阳光；GaSb电池的禁带宽度为0.7 eV，可以吸收1 800 nm以下的太阳光。单从吸收带宽来看，GaSb电池可以吸收更多的红外光能量。红外光伏组件被安装在抛物面反射聚光器的焦点处，分光镜的背面，经过分光镜透过的红外光直接照射到GaSb电池上进行光伏发电，如图9所示。

图9 GaSb电池片安装位置示意图Fig.9 Setting sketch of GaSb cells

欧盟于1990-2000年期间，用于太阳能供暖研究和发展的经费预算85%转向日光照明技术的研究。瑞士日光巴士（Heliobus）公司和俄罗斯Aizen⁃berg教授合作开发太阳光室内照明系统，该系统由定日镜（一种异形凹面镜）采集太阳光，通过棱镜光管将太阳光传入室内。另外，由德国、意大利、瑞典的建筑师和研究人员共同研制了被称为“人造日光（Arthelio）”的太阳光和硫灯组合照明系统[9]。

目前，国外的太阳光综合利用技术在地面建筑方面的应用较多，技术相对成熟，并且已经有成熟化的商业设备投入实际应用。对于太阳能综合应用技术在航天器上的应用，目前文献报道较少，主要是美国物理科学公司在从事相关研究，而且主要是研制地面实验样机以及进行相关地面性能测试，还没有在空间应用的报道，这说明空间太阳光综合利用技术的研究在国外航天技术发达国家（主要是美国）也是处于刚刚起步的阶段。中国的太阳能采光或照明技术，过去虽然也有所研究，但是进展缓慢。相关单位主要针对太阳光照明的地面应用开展了一些基础性研究工作，而空间太阳光综合利用技术研究还未开展。

3 太阳光综合利用技术在空间站应用的可行性分析

从结构设计、能源转换效率、应用成本以及技术成熟度等方面对比分析“太阳光综合利用技术”与“传统太阳电池阵发电技术”两种方案的优缺点，探索太阳光综合利用技术在空间站应用的可行性。

3.1 结构设计的对比分析

目前航天器普遍采用太阳能电池阵列提供所需电力，为了保证航天器各电力驱动部件和电子仪器设备的电力供应，航天器采用的太阳能电池阵列通常具有很大的尺寸。特别是空间站这种超大型航天器（如图10所示），其太阳能电池帆板通常是由成千上万个太阳能电池单元组成的阵列，如国际空间站单幅电池阵的长为73 m、宽为12 m，质量达1 000 kg以上。结构复杂，质量较大，发射成本较高。太阳光综合利用技术由聚光镜、分光镜、光纤等组成，单个系统的结构相对简单，产生同样光照度的太阳光综合利用系统的尺寸和质量不到用于空间站舱内照明的太阳电池帆板的五分之一。

图10 国际空间站外景图Fig.10 Aspect of ISS

传统太阳电池阵结构的主要优点是技术相对成熟，性能稳定，使用寿命长达15 a之久，平时的维护相对简单；主要缺点是尺寸过大，质量过重，造价较高。在保证同样功率输出的条件下，太阳光综合利用系统的尺寸可以大幅减小，同时也会大幅降低整套系统的质量，从而降低发射成本。可见，太阳光综合利用技术方案在结构方面具有高能量密度、体积小、质量轻以及应用安全系数高等优点，主要缺点是对光路设计精度要求较高，空间展开、安装比较复杂。

3.2 能源转换效率对比分析

目前国际空间站太阳能电池帆板单晶硅的光电转化效率在20%左右，单晶硅电池的禁带宽度约为1.2 eV，可以吸收50%左右（波长1 000 nm以下）的太阳光能量，最终将电能再转化为照明光源的能量，利用率普遍在10%～50%之间。因而利用传统光伏发电驱动人造光源照明，其最后的照明终端综合使用效率不超过5%，其余大部分能量是以废热的形式排放到空间站舱内，额外增加了航天器内部热控系统的负担，消耗航天器有限的电力资源。利用空间站太阳光综合利用系统分离的可见光进行照明，不仅没有废热产生，而且其照明终端使用效率可以高达30%左右，如图11所示。

图11 两种照明方案效率对比图Fig.11 Efficiency contrast of two schemes

显而易见，仅就终端照明的能量利用效率来看，“空间站太阳光综合利用系统”提供的可见光照明具有明显的优势。

3.3 生物适应性对比分析

太阳光作为照明光源的突出优势是人和地球上的生物已经适应了这种天然的光源。图12所示为几种光源的光谱分布，可以看出：太阳光是一种复合光，光频连续分布，而其他光源中只有白炽灯或卤素灯具有连续的光频分布，接近于太阳光。这种光源的发光效率最低，而且产生大量的废热。目前，商用光源以节能荧光灯和LED灯泡为主，这类光源的突出优点是节能效果显著，但是光频分布不连续，显然不如自然的太阳光更适合于人类环境的照明或植物的生长。另外，太阳光综合利用系统中采用光纤导入照明的好处并不仅仅局限于节能，其更重要的意义在于对人体健康有益。众所周知，太阳光对于人体健康是非常重要的，可以促进人体钙质吸收、提高人体免疫机能、杀灭室内有害细菌、促进人体新陈代谢。

图12 几种光源的光谱分布对比图Fig.12 Spectrum distributing contrast of several kinds of lamps

3.4 成本对比分析

可见光照明是空间站太阳光综合利用技术的核心，也是未来替代传统电力驱动电灯照明的优势所在。以日本“向日葵”光纤照明系统为例，一套24镜光机系统的平均售价在1.5万美元左右，提供的可见光照明照度在3 800 Lx左右，相当于1 500 W（30个50 W的白炽灯泡）的电灯亮度，可以满足150 m2的照明需求，与10 m2太阳电池阵产生的电能提供的照度相当。空间太阳电池阵按照350万美元/m2建造成本计算，10 m2的电池阵成本约为3 500万美元。如果将类似“向日葵”光纤照明系统在空间使用，即使建造成本上升100倍，总价仅约150万美元，大幅低于电池阵的建造成本。

3.5 技术成熟度对比分析

光伏发电技术经历了半个多世纪的研究与发展，已经成为目前太阳能直接利用中最有效，也是最主流的应用技术。太阳能电池材料的发展经历了从第一代硅基半导体、第二代多组分薄膜太阳能电池，到目前以有机钙钛矿太阳能电池为代表的第三代光伏电池的过程。其中，第一代硅基太阳能电池技术最为成熟，其比例约占整个太阳电池产量的90%以上，目前已经被广泛应用到空间和地面的光伏发电系统中。航天器的电力供应从第一代单晶硅太阳能电池阵列发电发展到第二代GaAs薄膜电池，这种光伏发电技术的技术成熟度很高，设备设计与构造相对简单，后期的检修维护容易。“太阳光综合利用技术”在地面的应用已经有成熟化的商业产品出售，节能效果明显，综合成本低廉。在航天器的应用方面，只有美国开展了原理性样机的前期研发工作，还没有进入空间实际应用阶段，属于前沿性的航天科研技术，而我国目前尚没有相关研究报道。因而，“空间站太阳光综合利用技术方案”的技术成熟度与“传统太阳电池阵方案”相比，略显不足。

4 结论

本文阐述了太阳光综合利用技术的基本原理，回顾了太阳光综合利用技术的发展历史与研究现状；从结构设计、能源转化效率、应用成本以及技术成熟度等方面，分析了“太阳光综合利用技术”与“传统太阳电池阵技术”两种空间站应用方案的优缺点，在结构设计、能源转化效率、生物适应性以及建造成本等方面，“空间站太阳光综合利用技术方案”相对于“传统太阳电池阵方案”具有巨大的优势。随着技术研发的不断深入，太阳光综合利用技术必将在空间站或深空探测等空间活动中得到应用。特别是在空间站的舱内照明和植物生长实验光源方面，“空间站太阳光综合利用技术”可以作为“传统太阳电池阵技术”的一种有益补充，为空间站能源提供一种新的光源。