空間太陽能電站發展展望

王立 成正愛 張興華 侯欣賓 劉宇飛 （錢學森空間技術實驗室）

空間太陽能電站發展展望

Development of Solar Power Satellite

王立 成正愛 張興華 侯欣賓 劉宇飛 （錢學森空間技術實驗室）

1 前言

可再生清潔能源是人類社會賴以生存和持續發展的主要物質基礎。21世紀以來，經濟飛速發展帶來的能源、環境問題日益嚴重，尋求新的清潔能源逐步替代傳統化石能源已成為全世界的共識。然而，地面太陽能、風能、水能、核能、海洋能、地熱能和生物能等新能源都存在能量不穩定、能量總量受限等問題，還難以大規模替代傳統化石能源的地位。

空間太陽能電站（SPS），也稱天基太陽能電站（SBSP），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?？臻g太陽能電站在空間利用太陽能，不受季節、晝夜變化等的影響，接收的能量密度高，約為1353W/m2，是地面平均光照功率的7～12倍。同時，也基本不受大氣的影響，可以穩定地將能量傳輸到地面，非常適合于太陽能的大規模開發利用。在地球同步軌道，99%的時間內可以穩定接收太陽輻射，向地面固定區域進行穩定的能量傳輸。

目前，國際上空間太陽能電站尚處于研發階段，由于其工程規模及技術難度巨大，美國有智庫稱之為航天領域的“曼哈頓工程”?？臻g太陽能電站也是一項龐大的創新性系統工程，將帶動眾多基礎技術領域的創新發展，包括材料、微電子、電氣、微波、激光、機器人等。近年來，太陽電池效率、微波轉化效率以及相關的空間技術取得了很大進步，為空間太陽能電站的研發奠定了良好的基礎。但作為一個非常宏大的空間系統，其發展還面臨許多核心技術難題?？臻g太陽能電站技術突破將直接應用于社會、經濟、軍事發展的各個方面，極大提升空間制造和空間原位資源利用方面的能力。

空間太陽能電站基于自身的大功率，以及能量多種方式傳輸的靈活性等特點，不僅成為未來持續穩定的電力來源，并且在電網調度、軍事無線供電、氣象科學研究、應急救災、空間供電、行星探測等多個領域中具有重要的潛在應用。

空間太陽能電站示意圖

2 國際研究進展

空間太陽能發電具有質和量兼備的特點，從提出之日起就受到國際上的廣泛關注。21世紀以來，在能源、環境問題日益嚴重的背景下，越來越多的國家、組織、企業和個人，包括美國軍方，也開始關注空間太陽能電站的發展。但由于其系統規模巨大、技術難度高，目前國際上尚未能建成一個完整的空間試驗電站。目前已提出多個空間太陽能電站發展規劃，設計了幾十種概念方案，在高效太陽能發電、無線能量傳輸等關鍵技術方面開展了重點研究。美國和日本在空間太陽能發電技術領域具有較好的研發基礎，其他國家和組織也在積極關注并推動此領域的發展。

美國

美國提出的多種空間太陽能電站概念方案

1968年，美國格拉澤（Glaser）博士首次提出空間太陽能電站的構想后，美國國家航空航天局（NASA）與美國能源部已經在過去30年花費了8000萬美元支持空間太陽能電站概念的研究，并且提出了第一個空間太陽能電站系統方案概念“1979 SPS基準系統”，作為后續研究的基準和參考。2012年，在NASA創新概念項目支持下，約翰·曼金斯（John Mankins）教授提出“任意大規模相控陣式空間太陽能電站”（SPS-ALPHA）方案。2015年，美國諾格公司（Northrop Grumman）與加州理工大學簽署一項3年總額1750萬美元的空間太陽能電站技術研發合同，成為近年來空間太陽能電站領域最大的合同。雖然空間太陽能電站未被列入正式的美國國家發展計劃，但得到了持續的關注和發展。

日本

日本在微波無線能量傳輸技術的研究和試驗方面處于世界領先地位。1983年，日本京都大學進行了“微波-電離層非線性作用試驗”（MINIX），天線口徑1.3m，波束寬度6°，總發射功率1.25kW，這是世界上首次在電離層進行微波能量傳輸試驗。1992年，日本東京大學又進行了“微波動力飛機試驗”（MILAX），這是一次以微波為動力的飛機飛行驗證。2006年，日本東京大學和神戶大學聯合開展“風呂敷試驗”（Furoshiki），進行了空間網狀天線展開、測試微波能量傳輸波束控制及機器人爬行試驗。2015年，日本神戶大學和三菱重工公司都進行了微波能量傳輸試驗（MPT）。

日本提出的多種空間太陽能電站概念方案

日本空間太陽能電站關鍵技術試驗驗證

2004年，日本正式將發展空間太陽能電站列入國家航天發展計劃，在日本經產省和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的支持下，日本國家研究機構、企業和高校形成“官產學”聯合研究的模式，并規劃在2030年后建設商業化空間太陽能電站，總投資將超過210億美元。

其他國家和組織

俄羅斯、歐洲航天局（ESA）、國際無線電科學聯盟和國際宇航科學院等研究機構也在近年開展了空間太陽能電站的專題技術研究。2012年，以國際宇航科學院發電委員會成員為主的研究團隊完成了《空間太陽能電站—第一次國際評估：機遇、問題及可能的發展途徑》報告。該報告分析了空間太陽能電站在未來幾十年對于快速增長的豐富的可再生能源方面可能扮演的角色，并且評估了與空間太陽能電站概念相關的技術成熟度和技術風險，最終形成了一個可能引導這一遠景概念實現的合理的國際路線圖。

歐洲航天局、加拿大、俄羅斯等國及相關國際組織在該領域真正的投入較少，但非常關注該領域的發展。

其他國家的空間太陽能電站概念和關鍵技術試驗驗證

國際宇航科學院提出的空間太陽能電站發展路線圖

3 國內研究進展

我國自20世紀末開展空間太陽能電站方案及技術研究。中國空間技術研究院在國家民用航天預研項目支持下，提出了平臺非聚光型空間太陽能電站方案、二次對稱聚光型空間太陽能電站方案和多旋轉關節空間太陽能電站方案。西安電子科技大學基于聚光系統提出了創新電站方案OMEGA-SPS。其中，多旋轉關節空間太陽能電站方案榮獲“2015年國際空間太陽能電站設計競賽”一等獎。

此外，四川大學、重慶大學、哈爾濱工業大學和北京理工大學等單位的研究團隊也提出了多種空間太陽能電站總體方案。

國內各研究機構在空間超大型結構控制一體化設計、空間無線能量傳輸技術等領域進行了持續研究，并在地面進行了千米級微波傳輸試驗以及浮空器供電試驗。研制了40m2太陽能收集與轉換實驗單元，面密度達到600g/m2，建立了地面太陽光泵浦激光實驗系統，實現25W/m2的激光輸出。

2013年底，國家國防科工局聯合國家發改委、科技部、工業和信息化部、原總裝備部、教育部、中國科學院、國家自然科學基金委員會等部委，組織開展了空間太陽能電站發展規劃及關鍵技術體系論證工作，系統闡述了我國開展空間太陽能電站項目研究的意義和必要性，提出了分兩個階段進行空間太陽能電站研發的總體規劃和技術路線。建議將兆瓦級電站方案及全系統仿真作為實現規劃中期目標的基礎，同時加大對空間太陽能電站核心關鍵樣機研制和試驗驗證的投入力度，拓寬支持渠道。

中國空間技術研究院提出的平臺非聚光型空間太陽能電站方案

中國空間技術研究院提出的二次對稱聚光型空間太陽能電站方案

中國空間技術研究院提出的多旋轉關節空間太陽能電站示意圖

西安電子科技大學提出的OMEGA-SPS方案

中國空間太陽能電站分階段發展建議路線圖

2014年秋舉行的第499次國家香山科學會議以“空間太陽能電站發展的機遇與挑戰”為主題，來自中國航天科技集團公司等20多家單位的40多位專家和學者參加了會議，“兩彈一星”功勛王希季院士擔任會議主席，會議圍繞空間太陽能電站發展的關鍵技術、高功率能量轉換與傳輸中的科學與技術問題、空間太陽能電站發展的環境與政策分析等議題，對我國開發空間太陽能電站研究的必要性、可行性及技術路線和政策進行了充分研討，并提出了具體意見。

4 關鍵技術發展趨勢

系統總體設計與仿真技術

自“1979 SPS基準系統”被提出之后，已有近20種不同的空間太陽能電站概念被相繼提出。不同方案之間的主要區別體現在如下4個方面：

1) 無線能量傳輸形式的選擇，微波或激光？

2) 選用通過聚光系統連接對日定向和對地定向部件來實現本地低壓電力管理，還是選用長距離的高壓電力管理模式？

3) 采用集成式結構還是分布式結構？結構集成為一個大型平臺，還是由多個獨立的系統組成？

4) 是否需要轉動關節來實現能量轉化裝置的對日定向和天線的對地定向？

SPS-ALPHA方案在軌組裝基本模塊

近年來，對地無線能量傳輸主流逐漸固定在微波能量傳輸技術上，而結構則向模塊化結構集成大型平臺方向發展。但對于其他技術路線，目前還沒有統一的認識。

在空間太陽能電站的構建任務中，由于運載能力、空間環境、經濟性等限制，將模塊發射至低軌后，軌道轉移至高軌進行在軌組裝為普遍共識。面臨的主要問題包括：發射狀態模塊組合體積質量協調問題、軌道轉移規劃和智能化在軌組裝等。專家認為軌道轉移的難度、對機器人的高性能要求是主要約束點，未來的在軌服務和3D打印等新技術手段可能降低技術難度。

目前提出的空間太陽能電站系統方案復雜，可靠性低，未來需要對高性能復合材料、陶瓷自愈性能材料等功能性智能材料進行研究，通過功能性智能材料的使用降低系統復雜性、提高可行性是重要發展方向。

國內已初步建立了空間太陽能電站仿真平臺，基本具備空間太陽能電站軌道設計、系統控制、動力學分析、聚光系統分析、太陽能收集與轉換、無線能量傳輸、大功率電源管理、在軌組裝等方面的仿真分析能力。

能量收集與轉化技術

能量收集與轉化技術研究主要集中在以薄膜反射鏡為單元的聚光系統以及高功質比光伏電池兩大部分，目前的主要現狀如下。

1）整個聚光系統的幾何構型應該以系統的對日跟蹤定向、聚光后能量分布均勻為目標，核心問題為薄膜反射鏡系統的高精度智能控制。如目前SPSALPHA方案中每個薄膜反射鏡模塊均需要由小型機械臂關節實時進行獨立精確控制，來同時滿足對日能量收集和末端光強均勻分布兩方面要求，具體控制策略、驅動能源供給、薄膜空間環境壽命等問題還需要進一步研究。

2）目前光伏電池效率還有待提高，提高光-電轉化效率對提高系統效率， 降低散熱負擔都具有極大意義。而系統在軌壽命長對空間環境中光伏電池的性能退化提出了很高要求，在光電轉換技術創新方面具有廣闊空間。

3）聚光系統設計中一般采用三明治結構，其熱控問題非常嚴峻，到達電池時的光強分布不均對三明治結構的加熱效應會導致器件燒壞，耐高溫電器元件是解決途徑之一。

近年來，國內重點針對超大型太陽能收集與轉化單元的折疊展開技術、超輕桁架展開機構技術進行研究，并在薄膜結構設計和折疊展開技術研究方面取得了重要進展，設計優化結合地面原理樣機試驗，重點解決了大面質比薄膜結構空間航天器結構姿態軌道耦合技術、折疊展開技術。同時，針對大面積薄膜電池陣的匯流、大功率電力管理的拓撲設計及系統優化、抗輻射加固等方面開展了研究。

高功率微波無線能量傳輸技術

復雜薄膜聚光系統

在空間無線能量傳輸技術領域，國內重點針對磁控管、固態微波源、高效功率合成和高效微波整流技術開展研究，進行了千米距離上的較大功率微波傳輸試驗以及浮空器供電試驗。

目前的主要研究方向包括：

1）無線能量傳輸在發射天線上的能量分布期望為高斯分布，如何處理與光伏電池期望的平均分布的沖突，需要深入研究。波束控制的建模中應當考慮整個結構的構型和應力狀態等因素對波束指向的影響。功率分配等器件需與結構進行一體化減質量設計。

2）需要深入考慮電離層對無線能量傳輸的影響，一是電離層對波束導引信號和能量波束的折射差異問題，其次是對電離層加熱效應的影響分析。

3）無線能量傳輸頻段和地球靜止軌道軌位是政府層面或者行業協會需要積極爭取的兩個重要資源。

4）地面接收系統需要從部件可靠性、系統集成、生物安全等方面進行重點研究。

5 應用前景

空間太陽能電站技術突破對空間探索、商業和國防等領域具有重要的戰略意義。王希季院士認為，發展空間太陽能電站將帶來前所未有的、影響深遠的改造客觀世界的重大變革。一是人類利用和獲取能源的地方從地面（含海洋）和地下（含水下）轉變為太空；二是能源的利用方式從化石能源為主轉變為以太陽能為主；三是電力傳輸的方式從有線傳輸轉變為無線傳輸。

牽引基礎科學研究與航天技術發展

空間太陽能電站的推進將牽引基礎科學研究和眾多新技術的發展，并在關鍵技術達到一定成熟度后，實現在軌演示驗證，最終用于兆瓦級空間太陽能電站的建造和運行。

空間太陽能電站研發過程對航天技術的牽引主要體現在以下三個方面。

1）大幅提升空間能力，包括：在軌道上建造大型結構、大型天線或大型電力系統的能力，在空間機動、操作能力和進入空間的能力，以及在空間制造和空間原位資源利用方面的能力。

2）在發展空間太陽能電站系統中獲得的專門新技術將應用于成像、實時地面和空間目標定位，以及高帶寬的通信、高清晰電視和廣播、移動廣播服務。產生的新結構，如電力平臺將為多個載荷提供服務，包括自動構建結構、無線協作編隊。

3）長距離的無線電力傳輸將可以降低應用衛星的質量，并且擴展地球和空間的無線電力傳輸應用。真正成熟的空間太陽能電站設施將使得多種概念成為可能，包括：彗星/小行星保護系統、空間碎片的離軌、空間-空間電力利用，甚至包括可用于遠期的星際探測概念的波束推進。

空間太陽能電站技術體系

空間太陽能電站的可能軍事應用

空間太陽能電站對非陸地目標的應用

除空間太陽能電站之外的陸地無線能量傳輸應用

具有廣泛的軍事應用前景

2007年10月，美國國防部國家安全空間辦公室發表《天基太陽能電站—戰略安全的機遇》評估報告，明確提出，從空間傳下來的超過5MW功率的電力具有潛在的軍事用途，空間太陽能電站及其無線電力傳輸技術可以非常靈活地為戰場設備按需供電，同時大大減小對于易受攻擊的燃料補給的依賴。2008年10月，美國海軍實驗室發表《天基太陽能電站—可能的國防應用及海軍研究實驗室貢獻的機遇》報告，對空間太陽能電站的潛在軍事應用進行了更詳細的說明。

6 結束語

空間太陽能電站作為一種重要的戰略基礎設施，是航天技術服務國民經濟和國家安全亟需的宏大工程，其發展對航天領域具有重要的戰略意義，是各航天大國關注的重點領域之一。我國航天技術和航天工業基礎的快速發展，將為我國進一步利用和開發空間資源開辟新的空間?？臻g太陽能電站的發展面臨良好的機遇，也面臨著巨大的挑戰。在各方努力下，創新投資機制，形成國家投入和市場推動的新模式，在國際上首先實現空間高效能量收集轉化與傳輸關鍵技術試驗驗證，我國空間太陽能電站的發展完全可以達到世界領先水平，空間太陽能電站的發展也將進一步推動我國航天夢的實現。