未來能源之路——太空發電站

侯欣賓+王立

太陽是地球和整個太陽系取之不盡、用之不竭的核心能源系統。在地面上利用太陽能，因受到大氣的吸收和散射、云雨的衰減，以及季節、晝夜更替的影響，能量密度變化巨大，很不穩定。在地球同步軌道，由于太陽光線不會被大氣減弱，也不受季節、晝夜變化的影響，陰影期很短，所以在99%的時間內可穩定接收太陽輻射，平均約為1353W/m2，是地面的6倍以上，且可以實現空間向地面進行能量的定點傳輸，是理想的建設太空發電站的位置。有效利用此軌道上的太陽能，將可以為人類提供優質的、巨大的清潔能源。

1 太空發電站的發展背景

太空發電站一般也稱為空間太陽能電站（SPS或SSPS），它是指在空間將太陽能轉化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳輸到地面的電力系統。建造太空發電站是開發利用空間資源的重要手段，其整體構想最早由美國科學家彼得·格拉賽（Peter Glaser）于1968年提出。

太空發電站核心組成包括三大部分：太陽能發電裝置、能量轉換和發射裝置、地面接收和轉換裝置。太陽能發電裝置用于將太陽能轉化為電能;能量轉換裝置用于將電能轉換成微波或激光等形式（激光也可以直接通過太陽能轉化），并利用發射裝置向地面發送波束;地面接收系統用于接收空間傳輸的波束，通過轉換裝置將其轉換成電能接入電網。整個過程將經歷太陽能-電能-微波（激光）-電能的能量轉變過程。

作為一種很有前景的可再生能源系統概念，太空發電站得到各航天大國的廣泛關注。相對于地面太陽能電站，由于不受晝夜和天氣的影響，太空發電站可以連續工作，太陽能利用效率高，同時在地面應急供電、減災、空間供電、行星探測等方面也具有重要的應用前景。但目前其技術還很不成熟，在成本方面具有明顯的劣勢。國外提出發展太空發電站構想已經超過40年，但真正實現還需要幾十年的時間。從20世紀90年代以來，隨著世界能源供需矛盾和環境保護問題日益突出，以美國和日本為主的發達國家開展了廣泛的太空發電站技術研究，目前已經提出幾十種概念，并且在無線能量傳輸等關鍵技術方面開展重點研究。近年來，太陽能發電效率、微波轉化效率以及相關的航天技術都取得了很大進步，為未來太空發電站的發展奠定了很好的基礎。但太空發電站作為一個非常宏大的空間系統，需要開展系統的研究工作，在許多技術方面有待取得突破性進展。

2 國外太空發電站發展現狀

太空發電站的廣泛應用前景已引起了國際上的廣泛關注。21世紀以來，隨著世界能源價格的不斷攀升和環境的日益惡化，越來越多的國家、組織、企業和個人，包括軍方都開始關注空間太陽能這種取之不盡的巨大空間能源。

2.1 美國

美國在太空發電站概念提出后不久，以能源部和美國航空航天局（NASA）為主的政府部門投入大量的研究經費（4年間投入約5000萬美元）進行太空發電站系統和關鍵技術研究，并且提出單個電站發電能力達到5GW的方案——“1979太空發電站基準系統”。后來，由于技術和經濟可行性問題，以及核能項目和星球大戰等計劃的影響，后續十多年未開展大規模的研究工作。

1995年，美國啟動了18個月的重新評估太空發電站可行性的研究——“Fresh Look”研究計劃，提出了多種新型太空發電站概念方案（太陽塔、太陽盤等）。1999年，美國航空航天局開展了“空間太陽能探索性研究和技術”（SERT）計劃，耗資2200萬美元，提出了集成對稱聚光系統和算盤式太空發電站等新概念，并且提出了太空發電站技術研究發展路線圖建議，相關研究工作經過了美國國家科學委員會的評估，認為太空發電站在技術上是可行的。2003年，由美國航空航天局負責開展、國家科學基金會（NSF）參與了太空發電站方案與技術成熟化計劃（SCTP）。2007年4月，國防部國家安全空間辦公室（NSSO）成立了太空發電站研究組，組織國防部、美國航空航天局、能源部、學術界以及航天、能源等相關工業部門的170多位專家參與研究完成“太空發電站——戰略安全的機遇”研究報告，引發新一輪太空發電站研究熱潮。2009年，美國太平洋天然氣與電力公司（PG&E）宣布，正式向Solaren公司購買200MW的空間太陽能電力，成為首個空間供電商業合同。2012年，在美國航空航天局創新概念項目支持下，提出了一種新的概念方案——任意相控陣太空發電站。

2.2 日本

日本是開展太空發電站技術研究較早的國家之一，也是積極開展空間太陽能發電研究的最主要國家。從20世紀80年代開始，日本就開始進行了廣泛的研究。90年代起組織了15個專題研究組，陸續推出太空發電站2000、太空發電站2001、分布式繩系太空發電站系統等概念，并且在無線能量傳輸技術研究和試驗（包括火箭搭載試驗）方面處于世界領先地位，在世界上首次完成電離層無線能量傳輸（WPT）火箭試驗和空間機器人帕興網狀天線試驗。

2004年，日本正式將發展太空發電站列入國家航天長期規劃。在經產省和日本宇宙研究開發機構（JAXA）的支持下，以無人空間飛行研究機構、三菱公司、石川島播磨重工宇航公司、清水建設集團、京都大學、東京大學、神戶大學等為代表的國家研究機構、企業和高校，形成“官產學”聯合研究的模式。2009年，日本宣布以三菱公司為主的集團將在2030-2040年建設世界上第一個吉瓦級商業太空發電站系統，總投資額將超過200億美元。根據2013年日本最新公布的航天基本計劃，空間太陽能發電研究開發項目列入七大重點發展領域，并且作為3個國家長期支持的重點研究領域之一（其他2個為空間科學和深空探測領域、載人空間活動領域）。

日本提出的最新太空發電站發展路線圖包括3個階段。第一階段：研究階段，2020年前完成千瓦級地面無線能量傳輸試驗，2020年開展低軌無線能量傳輸驗證及百千瓦級系統驗證。第二階段：研發階段，2030年前研發2～200兆瓦級系統，200MW系統為商業系統的1：5縮比模型，是最后一個驗證系統。第三階段：商業階段，2035年左右實現1GW商業系統。

2.3 其他國家和組織

世界其他各主要航天國家，包括歐洲航天局（ESA）、俄羅斯、印度、加拿大等國家和組織都在開展相關研究工作。歐洲在1998年開展了“空間及探索利用的系統概念、結構和技術研究”計劃，提出了名為“太陽帆塔”（Sail Tower SPS）的概念設計。2002年8月，歐洲航天局先進概念團隊組建了歐洲太空發電站研究網。2010年，歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司宣布，正在論證一個大型太陽能發電衛星驗證項目，將采用激光無線能量傳輸方式。2012年，俄羅斯專家也提出了新型的基于激光無線能量傳輸的中繼式太空發電站概念，并提出分階段的發展路線建議。2010年，美國、印度發表聯合報告“卡拉姆-國家空間協會能源技術全球倡議”，將發展太空發電站作為美印戰略合作的一個重要方向。

相關國際組織也積極開展太空發電站相關領域的研究工作。國際無線電科學聯盟于2007年正式發表了《太陽能發電衛星白皮書》。2011年10月，國際宇航科學院（IAA）研究報告《太空發電站——第一次國際評估：機遇、問題以及可能的前進路線》正式出版。

21世紀以來，更多的國家開始關注并開展太空發電站相關的研究工作。但由于系統規模巨大，需要的技術跨越性極大，真正商業意義電站的實現還需要幾十年的時間。作為一個巨大的空間工程，太空發電站對于國家能源安全和技術的革命性發展都有重大的意義，但需要一個協調的國家級甚至國際級的發展計劃和規劃。

2.4 典型太空發電站概念

1）1979太空發電站基準系統。它是第一個太空發電站系統方案，以全美國50%的發電量為目標進行設計，由美國在1979年完成。其設計方案為在地球靜止軌道（GEO）上布置60個發電能力各為5GW的發電衛星。考慮到微波對于生物的影響，該設計方案中微波波束到達地面時的功率密度在波束中心大約為23mW/cm2，邊緣只有1mW/cm2。

2）集成對稱聚光系統。美國航空航天局在20世紀90年代末的SERT研究計劃中提出了新一代的集成對稱聚光系統的設計方案。采用了位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽能反射到2個位于中央的光伏陣列。聚光器面向太陽，桅桿、電池陣、發射陣作為一體，旋轉對地。聚光器與桅桿間相互旋轉維持每天的軌道變化和季節變化。

每個聚光器由36面平面鏡組成，直徑為455.5m，表面平面度為0.5°，鏡面反射率為0.9，鏡面為0.5mm的Kapton材料，依靠一個環形可膨脹環和一個可膨脹背板支撐，安裝在聚光器結構上，形成主鏡。桅桿長6373m，主鏡尺寸為3559m×3642m。

太陽電池陣的平均聚光率大約為4.25，考慮采用量子點技術，陣列效率可達到39%。太陽電池陣采用了肋化設計，可以增強散熱20%。太陽電池陣背板結構是一個可膨脹環網。每個1000m直徑的太陽電池陣由多個40m×25.6m的子陣組成。

2007年，改進后的設計方案將關鍵的太陽電池、微波發射機和發射天線集成為夾層結構（三明治結構），即外層板為太陽電池、中間夾層為微波發射機、底層為微波發射天線。利用位于桅桿兩邊的大型聚光器通過機構控制指向太陽，將太陽光反射聚集到夾層結構板上，電池發出的電力可以通過較短的電纜傳遞到微波發射機，消除了對于大功率導電滑環和長距離電力傳輸的需求。夾層結構板的發射陣面指向地球。

3）分布式繩系衛星系統。為減小單個模塊的復雜性和質量，日本提出了分布式繩系衛星的概念。其基本單元由尺寸為100m×95m的單元板和衛星平臺組成，單元板和衛星平臺間采用4根2～10km的繩系懸掛在一起。單元板為太陽電池、微波轉換裝置和發射天線組成的夾層結構板，共包含3800個模塊。每個單元板的總質量約為42.5t，微波能量傳輸功率為2.1MW。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個系統。該設計方案的模塊化設計思想非常清晰，有利于系統的組裝、維護。但系統的質量仍顯巨大，特別是利用效率較低。

4）任意相控陣太空發電站（SPS-ALPHA）。在美國航空航天局創新概念項目支持下，由美國、日本和英國科學家共同提出了一種新的概念方案——任意相控陣太空發電站。

該方案采用了模塊化的設計思想，并且創新性地提出了無需控制的聚光系統概念（該聚光系統的有效性還有待進一步完善），對于控制系統的壓力大大減小。整個系統的質量約為10000～12000t。

5）激光太空發電站（L-SSPS）。它是太空發電站概念發展的另外一個重要方向。在日本的太空發電站研究中，激光太空發電站占到很大的研究比重，重點研究太陽光直接泵浦激光方式。激光太空發電站基本單元包括太陽聚光鏡、散熱器、激光發生器、激光發射器和支持系統。采用太陽聚光鏡（如拋物面）或透鏡（如菲涅耳）進行太陽光高聚光比聚焦，聚集的太陽光發送到激光發生器，利用直接泵浦激光方式產生激光，激光擴束后傳輸到地面，地面可以采用特定的光伏電池接收轉化為電力，或者直接用于制氫。對太陽直接泵浦激光器，有幾種類型的材料適合作為激光介質：從抵抗熱應力的角度來看，藍寶石似乎是最佳的激光介質材料。由于大量藍寶石晶體生產難度很大，大多數材料取用釔鋁石榴石（YAG）激光晶體。一個10兆瓦級的激光太空發電站的典型幾何參數為太陽聚束鏡面100m×100m×2，散熱器100m×100m×2。

一個吉瓦級的電站由100個基本單元組合而成，整個系統結構形狀對稱，太陽輻射壓形成的干擾不影響系統的穩定性。因此，用于姿態控制和軌道保持所需推進器的質量較小。在激光太空發電站設計中，由于聚光比達到幾百倍，激光器的效率和系統的熱控制是非常關鍵的因素。高精度的激光波束指向控制也是一個非常重要的難點技術。

3 我國太空發電站研究現狀

我國研究人員從20世紀80年代以來就一直在關注國際太空發電站的發展。20世紀90年代，多位中國學者參加相關國際研究活動。近年來，越來越多的專家開始關注太空發電站的發展。“十一五”期間，在中國航天科技集團公司莊逢甘院士、王希季院士等為代表的國內科技專家積極推動下，我國太空發電站研究工作也步入了起步階段。

2006年7月，中國空間技術研究院組織進行了太空發電站發展研討會。根據專家的研討意見，建議開展太空發電站概念和發展思路研究。2010年，王希季、閔桂榮等7位院士牽頭開展中國科學院學部咨詢評議項目——太空發電站技術發展預測和對策研究。項目在深入分析了太空發電站涉及的主要工程技術難題后，提出了我國發展太空發電站的頂層考慮和對策及發展建議。2010年，中國空間技術研究院組織了“全國空間太陽能電站發展技術研討會”，12位院士和近百位專家參加，他們研討了我國太空發電站發展的建議。2013年10月，國防科技工業局組織召開了“我國空間太陽能電站發展思路”研討會。2014年5月，“空間太陽能電站發展的機遇與挑戰”香山科學會議在北京召開。

近年來，國內參與太空發電站的研究團隊在逐漸擴大，主要研究單位包括：中國航天科技集團公司、中國工程物理研究院、重慶大學、西安電子科技大學、四川大學、北京理工大學、哈爾濱工業大學、北京科技大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等。國防科技工業局支持了與太空發電站相關的總體和關鍵技術研究工作。目前，在總體規劃、總體概念方案、微波無線能量傳輸技術等方面取得了一定的成果，同時也帶動了大型空間結構、空間薄膜太陽能發電等技術的發展。

國內研究團隊在開展太空發電站研究的同時，與美國、日本、俄羅斯、歐洲等國家的科學家建立了良好的溝通渠道。2013年，國際宇航聯大會在北京召開，中國專家應邀作了“21世紀人類的能源革命——空間太陽能發電”的主旨發言。

4 太空發電站的技術挑戰及主要關鍵技術

太空發電站是一個宏大的工程，國際上對此的研究已經超過40年，仍然是國際空間領域關注的熱點方向并持續開展的研究。但是到目前為止，還未研制出一個演示型太空發電站，也反映出其發展還面臨著很大的挑戰，包括技術難度、投入和安全性等。

太空發電站規模巨大，質量達到萬噸，結構達到千米，發電功率為吉瓦級，壽命需要在30年以上。相比于目前的衛星，其尺寸、質量、功率等都要提升多個數量級，壽命也比目前的衛星高出約1倍。對于新型運載技術、新型材料、高效能量轉化器件、超大型航天器結構及控制技術、在軌組裝維護技術等都提出了很大的技術挑戰。

成本問題也是制約太空發電站發展的主要因素之一。除了技術領域跨越式突破以外，還需要采用大批量的生產方式和商業運作模式來實現其規模化建設，以降低研制和運行成本。在未來傳統能源可能消耗殆盡的情況下，新能源市場將占據重要地位。規模化和產業化對于現有的航天器制造和發射能力都提出了巨大的挑戰，將需要現有航天工業生產體系發生根本性變革。

長期運行的安全性也是發展太空發電站需要特別重視的問題。理論上分析，雖然太空發電站功率很大，但如果采用微波能量傳輸模式，在地球同步軌道（GEO）由于距離遠（36000km），根據微波傳輸特性，實際接收天線的能量密度較低。典型系統的接收天線中心的最大微波能量密度約為23mW/cm2，天線邊緣微波能量密度約為1mW/cm2。雖然從系統設計的角度已經限制了波束密度，可以滿足安全性要求，但長期微波輻射下的生態、大氣、生物體等的影響問題需要開展長期的研究。同時，軌道和頻率資源也將成為太空發電站發展的重要限制條件之一，有必要從現在開始啟動相關研究工作。太空發電站發展的核心問題包括以下幾個方面。

（1）降低系統面積

太空發電站的面積主要由兩部分決定，一是太陽能發電部分的面積，即太陽電池陣面積或聚光器面積。不論是否采用聚光的形式，提高太陽能電池的光電轉化效率都是減小太陽能發電部分面積最有效的措施。二是微波發射天線面積。在選定的軌道和微波頻率下，微波發射天線面積與地面接收面積成反比，需要優化確定發射天線的面積。

（2）降低系統質量

太空發電站系統的質量主要集中在幾個方面：太空發電站主結構、太陽電池陣、聚光器、微波轉化裝置、發射天線、電力傳輸及管理系統等。減小系統質量可以重點考慮：①降低單位面積的質量（降低太陽電池、聚光陣、發射天線的面密度）;②降低結構、機構的質量（降低結構體積和結構密度）;③降低傳輸電纜的質量（縮短電纜長度，減小電纜截面積和密度）;④提高轉化效率，降低微波轉化器件、電壓變換設備的質量。

（3）降低系統的收攏體積

太空發電站是一個巨大的空間系統，在空間所占的體積非常大，需要多個模塊在軌組裝。為了提高運載的效率，除考慮運輸質量能力外，還要充分考慮運載器的包絡限制，要求每個模塊在發射階段為收攏狀態、在空間進行展開，盡可能地提高運輸載荷的收攏率，將盡可能多的載荷運輸到空間。重點研究的技術包括：折疊展開桁架結構;折疊展開太陽電池子陣、聚光器;折疊展開天線模塊;充氣式結構等。

（4）旋轉機構

為了保證太空發電站的高效率工作，需要太陽電池陣（或聚光器）對日定向、發射天線對地球接收站定向。在一個軌道周期內，太陽電池陣（或聚光器）與發射天線間的相對位置變化達到360°，必須采用大型旋轉機構。由于太空發電站體積、質量巨大，特別是功率巨大，給旋轉機構帶來很大的困難。目前的太空發電站概念設計一般考慮幾種情況：①采用大功率導電旋轉關節，技術難度大;②無旋轉機構，采用發射天線與電池陣固定的方式，但以增加系統質量、損失系統效率為代價，特別是功率的劇烈波動;③采用聚光方案，利用聚光器系統的旋轉，可以消除大功率導電旋轉關節;④采用微波反射方式，通過微波反射器旋轉，可以消除大功率導電旋轉關節。

太空發電站的主要關鍵技術及重點研究領域包括10個方向：空間超大型可展開結構及控制技術;空間高效太陽能轉化及超大發電陣技術;空間超大功率電力傳輸與管理技術;天線能量傳輸技術;軌道間轉移技術及大功率電推進技術;空間復雜系統在軌組裝及維護技術;大型運載器及高密度發射技術;電站系統運行控制及地面接收管理技術;電站發展的基礎材料和器件研究;電站經濟性、政策、環境保護、商業化等相關問題研究。

5 太空發電站的應用前景

太空發電站發展的核心應用目標是為地面提供商業化、大規模的電力供給，解決人類長期對于穩定的可再生能源的需求問題。同時，太空發電站對于地面偏遠地區供電、緊急供電、航天器供電、調節環境等方面都具有重要的應用前景。太空發電站的發展也將為更為長遠的月球太陽能電站的發展奠定基礎。

5.1 地面電力供給

空間太陽能最大的優勢在于可以幾乎不間斷地為地面提供清潔的可再生能源。如果能夠有效地利用空間太陽能，將可以為人類提供巨大的、無盡的清潔能源儲備。假設在空間地球靜止軌道上每間隔0.5°（間距約360km）布置一個太空發電站，每個太空發電站的發電功率為5GW，則可以為地面連續提供約3.6×109kW的電力。同時巨大的空間供電還可以用于地面的海水淡化、制氫等，從而可以用于其他的清潔能源利用。同時，太空發電站作為一種大型的空間供電基礎設施，覆蓋面非常寬，可以靈活地用于地面移動目標的供電和緊急情況下的供電，包括偏遠地區、海島、災區等。

5.2 航天器電力供給

太空發電站可以實現對可視范圍內的低軌、中軌和高軌航天器供電，由于不會受到地球大氣層的影響，比較好的方式是采用激光無線能量傳輸，可以保證長距離上較好的指向性，還可以減小發射和接收端的面積。采用無線能量傳輸供給的航天器，由于不需要巨大的太陽電池陣，功率水平和控制精度將大大增加，對于未來的大功率通信衛星、高精度科學衛星等的發展具有重要的價值。未來也可以利用太空發電站直接進行空間燃料生產以及進行空間加工制造，使得未來的空間工業發展變成可能。

太空發電站作為一種較好的空間大功率供電方式，也可以作為深空探測能源系統的候選方案。一方面，太空發電站利用無線能量傳輸可以為深空探測器的先進推進系統提供持續的能量供給，利用激光推進技術能夠實現2～5年內到達小行星帶內的多顆小行星，并實現采樣返回;另一方面，可以利用在行星軌道運行的太空發電站為行星表面的基地提供能量供給。

5.3 環境調節

傳統化石能源的利用引起了地球溫度的升高，隨之產生的臺風和龍卷風等惡劣氣象的頻繁出現給人類帶來巨大的災難。目前，科學家已經提出并且分析了利用太空發電站減緩或改變臺風路徑的可行性。核心思想是采用水氣等易于吸收譜段的微波，將太空發電站的巨大能量傳輸到龍卷風所在的區域，通過改變臺風的溫度分布，從而破壞龍卷風的形成過程。近期，科學家也提出了利用太空發電站減緩大氣霧霾的思想，也可以起到環境調節的作用。

5.4 月球太陽發電站

在太空發電站基礎上提出的另外一種可能的大功率空間能源利用方式是月球表面太空發電站，利用月球資源建立月表太陽發電站，實現向地球的輸電。

月表環境非常適合于大面積太陽能發電。月表太陽光照條件穩定，不存在空氣和水汽的影響，不會影響大面積薄膜裝置的性能。采用轉化效率為10%的太陽電池，就可以實現1km2產生130MW的電能，而且月球星體力學條件穩定，不會受到天氣、地震活動和生物過程的影響。月球物質十分豐富，月塵和巖石材料包含了至少20%的硅、40%的氧、10%的金屬，可以直接進行月球原位資源利用生產所需的太陽電池、電線、微電路部件、反射屏等，適合于月球太陽能電站的建設。

6 結束語

可再生能源重要性的提升為太空發電站的發展提出了實質的需求，太空發電站將可能成為未來可再生能源組成中的一個重要部分。作為一個巨大的空間應用系統，其規模遠遠超過了人類目前研制出的最大航天器—“國際空間站”，其面臨的技術難度也遠遠超出現有空間技術水平，對于航天技術的發展提出了很大的挑戰。

航天領域經過半個多世紀的飛速發展取得了巨大的進步，特別是載人登月和“國際空間站”的建成是人類最具里程碑的航天成就。我國在對地遙感、通信導航、載人航天、深空探測幾大領域取得的突破性成就表明，我國在航天領域達到了國際先進水平。我國目前正在研制的長征-5大型運載火箭將在2014年左右實現約20t的近地軌道運輸能力，2020年左右將要建設我國的空間站，未來可能發展更大規模的運載火箭，航天領域的快速發展將給我國太空發電站的發展帶來很大的機遇。

習近平總書記在接見天宮-1與神舟-10載人飛行任務代表時提到，我國空間技術已跨入國際先進行列，發展航天事業，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。我國是世界上少數幾個掌握航天技術的國家，也是僅有的3個能夠獨立開展載人航天的國家之一。我國空間技術和空間工業基礎的快速發展，將為我們進一步利用、開發空間資源開辟新的空間。航天領域的快速發展為我國發展太空發電站奠定了良好的技術基礎，太空發電站同時也將很好地帶動空間技術的跨越式進步，進一步實現我國的航天夢。

（摘自《國際太空》2014年第5期）