天基太陽能電站概述

劉 豪（北京空間科技信息研究所）

□□天基太陽能電站（SBSP）是設(shè)想在地球外層空間收集太陽能，將其轉(zhuǎn)化為電能，并通過無線手段傳輸?shù)降孛娴囊环N天基能源供應(yīng)系統(tǒng)。隨著能源緊張日益加劇，全球環(huán)境問題越來越引起各國的重視，建造SBSP的呼聲也越來越高。美國、日本、歐洲、俄羅斯、加拿大等國家或地區(qū)已在SBSP戰(zhàn)略規(guī)劃和技術(shù)研究方面開展了大量工作，其中以美國、日本最為突出，而印度也開始關(guān)注這一領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)向。

1 系統(tǒng)組成

SBSP系統(tǒng)由空間段（SBSP衛(wèi)星）和地面段（能量接收站）組成。空間段包括三個(gè)功能部分，即將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的收集器、將電能轉(zhuǎn)換成微波的轉(zhuǎn)換器以及將微波傳送到地面的大型天線陣。典型設(shè)計(jì)的SBSP衛(wèi)星運(yùn)行在地球靜止軌道上（個(gè)別方案設(shè)計(jì)是在中地球軌道上），可24h不間斷地收集太陽能。衛(wèi)星長達(dá)數(shù)千米，電能被轉(zhuǎn)換成頻率為2.45GHz或5.8GHz的微波發(fā)送到地面，功率高達(dá)數(shù)吉瓦。地面段是一個(gè)大型的整流天線陣列，用于接收微波能量并轉(zhuǎn)換成電能。電能經(jīng)過適當(dāng)處理后，由地面電網(wǎng)傳送。

2 幾種方案模型的比較

在衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方案上，美國航空航天局（NASA）提出了SBSP基準(zhǔn)系統(tǒng)、中地球軌道太陽塔、太陽盤、算盤反射器和集成對(duì)稱集中器等多種模型，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）提出了JAXA系列模型（最新的是JAXA 2004），日本無人宇宙試驗(yàn)自由飛行器研究所（USEF）提出了系繩式模型，德國航空航天研究院（DLR）代表歐洲航天局（ESA）提出了帆塔模型。

SBSP系統(tǒng)方案模型比較

NA SA中地球軌道太陽塔模型

日本USEF系繩式模型

3 關(guān)鍵技術(shù)

SBSP的關(guān)鍵技術(shù)主要包括5個(gè)方面。

低成本發(fā)射和運(yùn)輸技術(shù)SBSP衛(wèi)星采用分段發(fā)射方式，首先由一次性運(yùn)載火箭或可重復(fù)使用運(yùn)載器把組件送入低地球軌道，然后利用電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移器（OTV）送入地球靜止軌道，并完成整體結(jié)構(gòu)的裝配。由于SBSP衛(wèi)星的質(zhì)量高達(dá)1萬噸，需要進(jìn)行若干次發(fā)射，因此開發(fā)低成本的運(yùn)載器成為降低SBSP系統(tǒng)總體成本的重要環(huán)節(jié)。

在軌裝配及機(jī)器人技術(shù) 早期的SBSP系統(tǒng)實(shí)施方案是采用大量人力進(jìn)行在軌裝配，隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，后續(xù)提出的方案均采用自主裝配或機(jī)器人輔助裝配的技術(shù)。JAXA已經(jīng)在這一領(lǐng)域成功開展了地面演示驗(yàn)證工作。

日本地面機(jī)器人裝配試驗(yàn)

無線能量傳輸技術(shù) 近年來，這一技術(shù)已成為熱門研究領(lǐng)域，主要包括微波傳輸和激光傳輸兩種方式。由于激光傳輸方式受云層影響較大，因此SBSP系統(tǒng)主要采用微波傳輸方式，傳輸頻率為2.45GHz或5.8GHz。在2007－2009年，美國、日本均在地面開展了多次微波傳輸試驗(yàn)并獲得了成功，但這一技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距。

衛(wèi)星熱控技術(shù) 最新的SBSP方案模型都采用了太陽能集中器，并采用微波夾層式系統(tǒng)模塊太陽電池來減少電線連接，這也導(dǎo)致了比較嚴(yán)重的熱控問題。NASA曾提出在太陽電池背面安裝大型熱輻射板，日本則提出可以覆蓋有波長選擇功能的表面來減少熱量輸入。

大型結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù) SBSP衛(wèi)星是一個(gè)巨大的天基系統(tǒng)，各模塊之間主要采用機(jī)械式連接，因此整體的姿態(tài)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不容忽視。美國麻省理工大學(xué)Ryan M. McLinko等人提出了利用分布式星群實(shí)現(xiàn)天基太陽能發(fā)電的構(gòu)想。該構(gòu)想是利用若干顆分布式衛(wèi)星組成小星群，再由若干個(gè)小星群組成整個(gè)收集太陽能的大星群系統(tǒng)。在每個(gè)小星群中都包括一顆分波束衛(wèi)星，它能把收集到的能量傳輸給整個(gè)系統(tǒng)的主波束衛(wèi)星，再由主波束衛(wèi)星傳向地面。這種方案如果可行的話，將避免構(gòu)建大型衛(wèi)星的各種結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)難題，但需要解決構(gòu)建大型星群的技術(shù)問題。

除了上述關(guān)鍵技術(shù)，其他技術(shù)還包括模塊化技術(shù)、波束控制技術(shù)、電能管理與分配技術(shù)等。

4 國外發(fā)展

2007年10月，美國國防部國家安全空間辦公室發(fā)布了名為《天基太陽能電站為戰(zhàn)略安全提供機(jī)遇》的研究報(bào)告。該報(bào)告提出了美國天基太陽能發(fā)電的技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)路線圖，計(jì)劃在2011年完成初始技術(shù)集成和地面驗(yàn)證，2013年完成100～300千瓦級(jí)低軌飛行驗(yàn)證和支撐性飛行試驗(yàn)，2016年完成60～100兆瓦級(jí)地球靜止軌道試驗(yàn)驗(yàn)證。2008年5月，NASA科學(xué)家在夏威夷2個(gè)相距148km的島嶼之間進(jìn)行了無線能量傳輸試驗(yàn)，盡管試驗(yàn)的功率只有20W，接收到的能量也很微小，但這一地面試驗(yàn)證明在大氣環(huán)境中無線能量傳輸是可行的。

據(jù)媒體報(bào)道，JAXA計(jì)劃在2015年發(fā)射一顆小型衛(wèi)星，演示驗(yàn)證天基太陽能發(fā)電，并期望在2030年正式構(gòu)建一個(gè)天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)。