王 立，侯欣賓

（中國空間技術研究院 錢學森空間技術實驗室，北京 100094）

0 引言

空間太陽能電站（SSPS），也稱太陽能發(fā)電衛(wèi)星或太空發(fā)電站，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(tǒng)?？臻g太陽能電站主要由三大部分組成（圖1）：太陽能發(fā)電裝置，能量轉換和發(fā)射裝置，地面接收和轉換裝置。

太陽能是一種可再生的綠色能源，對于解決世界能源緊張和環(huán)境污染問題將發(fā)揮重大的作用。相對于地面太陽能電站，空間太陽能電站由于不受晝夜和天氣的影響，可以連續(xù)工作，太陽能利用效率高，具有廣闊的應用前景，已引起各航天大國的廣泛關注。從20世紀70年代以來，以美國和日本為 主的發(fā)達國家開展了廣泛的空間太陽能電站技術研究，目前已經提出20 多種概念，并且在無線能量傳輸等關鍵技術方面開展了重點研究[1-3]。近年來，太陽能發(fā)電效率、微波轉化效率以及相關的空間技術取得了很大進步，為未來空間太陽能電站的發(fā)展奠定了良好的基礎。隨著航天器技術和運載技術的不斷進步，以及經濟發(fā)展帶來的能源、環(huán)境問題日益嚴重，空間發(fā)電成本有望下降到具有商業(yè)價值的階段，目前國際上對空間太陽能的開發(fā)愿望不斷加強。雖然空間太陽能電站不存在不可逾越的技術原理問題，但作為一個非常宏大的空間系統(tǒng)，其真正實現還需要開展系統(tǒng)的研究工作，在許多關鍵技術方面有待取得突破性進展[4]。

圖1 空間太陽能電站示意圖Fig.1 Sketch map of space solar power station

1 典型空間太陽能電站概念

國際上已經提出多種空間太陽能電站概念構想，典型的包括1979 SPS 基準系統(tǒng)、太陽帆塔SPS方案、分布式繩系太陽能電站方案、集成對稱聚光系統(tǒng)、任意相控陣空間太陽能電站、激光太陽能電站等[5-6]。

1.1 1979 SPS 基準系統(tǒng)

1979年，美國提出第一個空間太陽能電站概念，名為“1979 SPS 基準系統(tǒng)”（見圖2）。

圖2 1979 SPS 基準系統(tǒng)Fig.2 The 1979 SPS reference system

該系統(tǒng)由巨型太陽電池陣和大型發(fā)射天線組成。巨型太陽電池陣保持對日定向，位于電池陣邊緣的巨大的發(fā)射天線保持對地球定向，兩者之間的相對位置變化利用大功率導電旋轉關節(jié)實現。該系統(tǒng)可以連續(xù)向地面接收站供電。單個衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)電功率為5 GW。

1.2 太陽帆塔空間太陽能電站

歐洲基于美國提出的太陽塔（Sun Tower）概念提出了太陽帆塔太陽能電站（Sail Tower SPS）方案（見圖3）。該系統(tǒng)采用重力梯度穩(wěn)定方式，使中央纜繩自動保持垂直于地面，以保證末端的發(fā)射天線對準地面。太陽電池陣由數百個尺寸為150 m×150 m的太陽發(fā)電陣模塊組成，根據總發(fā)電量的要求配置發(fā)電陣的數目。發(fā)電陣沿中央纜繩兩側排列成2 行或4 行，發(fā)出的電流通過由超導材料制成的中央纜繩輸送到纜繩末端的發(fā)射天線。每一個子陣發(fā)射入軌后自動展開，在低地球軌道進行系統(tǒng)組裝，再通過電推力器運往地球同步軌道。由于太陽電池陣無法保持對日定向姿態(tài)，該系統(tǒng)無法實現向地面接收站的連續(xù)供電。

圖3 太陽帆塔太陽能電站概念Fig.3 The Sail Tower SPS concept

1.3 分布式繩系太陽能電站

為降低系統(tǒng)的復雜性和質量，日本提出了分布式繩系太陽能電站（Tether SPS）概念（見圖4）。其基本組成單元由尺寸為100 m×95 m 的單元板和衛(wèi)星平臺組成，單元板和衛(wèi)星平臺間采用4 根2～10 km 的繩系懸掛在一起。單元板為太陽電池、微波發(fā)射機和發(fā)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42.5 t，微波能量傳輸功率為2.1 MW。由25 塊單元板組成子板，25 塊子板組成整個系統(tǒng)。該方案的模塊化設計思想非常清晰，有利于系統(tǒng)的小規(guī)模驗證、擴展、組裝和維護。但由于太陽電池無法持續(xù)指向太陽，所以整個系統(tǒng)的發(fā)電會出現巨大的波動，總體效率較低。

圖4 分布式繩系太陽能電站Fig.4 The distributed tether solar power station

1.4 集成對稱聚光系統(tǒng)

NASA 在20世紀90年代末的SERT 研究計劃中提出“集成對稱聚光系統(tǒng)”（ISC）的設計方案，經過改進后的聚光型SPS 結構如圖5。該方案的最大特點是采用了聚光系統(tǒng)設計，將關鍵的太陽電池、微波發(fā)射機和發(fā)射天線集成為“三明治”夾層結構板，即外層板為太陽電池，中間夾層為微波發(fā)射機，底層為微波發(fā)射天線。利用位于桅桿兩邊的大型薄膜聚光器通過機構控制指向太陽，將太陽光反射聚集到三明治結構板上，電池發(fā)出的電能傳遞到微波發(fā)射機，取消了對于大功率導電滑環(huán)和長距離電力傳輸的需求。三明治結構板的發(fā)射天線陣面指向地球，聚光器與桅桿間相互旋轉以適應軌道變化。

圖5 聚光型SPS 系統(tǒng)Fig.5 The concentrating SPS system

1.5 任意相控陣空間太陽能電站

在NASA 創(chuàng)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空間太陽能電站概念方案——任意相控陣空間太陽能電站（SPS-ALPHA）[7]，見圖6。該方案仍基于聚光式空間太陽能電站的思想，創(chuàng)新性地提出了無須控制的聚光系統(tǒng)概念（其有效性還有待進一步分析），對控制系統(tǒng)的要求大大降低，采用了模塊化的設計，降低技術難度和研制成本。整個系統(tǒng)的質量約為1.0～1.2 萬t。

圖6 SPS-ALPHA 概念Fig.6 The SPS-ALPHA concept

1.6 激光太陽能電站

1）俄羅斯的空間太陽能電站

俄羅斯于2012年提出了一種基于激光無線能量傳輸的空間太陽能電站（R-SPS）方案（見圖7）。其主要的思路是采用多個分離的太陽能發(fā)電衛(wèi)星編隊飛行，建立太陽電池和半導體激光器組成的三明治結構，并利用激光無線能量傳輸（LPT）的方式向由浮空器支撐的接收平臺進行能量傳輸，再通過電纜直接將電能傳輸到地面。該方案包含多種可能的變化，如將激光直接傳輸到地面接收站（天氣良好的情況下），或采用微波無線能量傳輸的方式將電能從浮空器傳輸到地面。

圖7 俄羅斯空間太陽能電站方案示意Fig.7 The Russian SSPS scheme

2）太陽光直接泵浦激光太陽能電站

太陽光直接泵浦激光太陽能電站（L-SSPS）是空間太陽能電站概念發(fā)展的另外一個重要方向。采用拋物面太陽聚光鏡或菲涅耳透鏡進行太陽光高聚光比聚焦，聚集的太陽光發(fā)送到激光發(fā)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；地面采用特定的光伏電池接收轉化為電能，或者直接用于制氫。L-SSPS 概念基本組成包括太陽聚光鏡、散熱器、太陽光泵浦激光器、激光發(fā)射器和其他支持系統(tǒng)（見圖8）。

一個10 MW 級的L-SSPS 的典型幾何參數為：太陽聚光鏡100 m×100 m×2 塊；散熱器100 m× 100 m×2 塊。一個GW 級的電站由100 個10 MW基本單元組合而成。在L-SSPS 設計中，由于聚光比達到幾百倍，激光器的效率和系統(tǒng)的熱控制是非常關鍵的因素。

圖8 激光SSPS 概念Fig.8 The laser SSPS(L-SSPS) concept

2 典型空間太陽能電站概念的技術比較

通過對多種空間太陽能電站概念介紹，可以從整體構型、太陽能發(fā)電技術、無線能量傳輸方式、電力傳輸與管理等方面進行比較（表1）[8]。

表1 典型空間太陽能電站概念的比較Table 1 Comparison among typical SSPS concepts

2.1 結構型式

空間太陽能電站從構型角度可以分為兩大類：一是聚光空間太陽能電站概念，即采用聚光器將太陽光投射到太陽電池陣；另一種是非聚光空間太陽能電站概念，即利用旋轉關節(jié)保持太陽電池陣列對日定向。對于太陽電池陣或聚光器對日定向的概念，具有發(fā)電波動較小、效率較高的特點。

非聚光空間太陽能電站代表為1979 SPS。系統(tǒng)配置相對簡單，易于功率擴展。但也存在一些難題，特別是高功率傳輸和電源管理的挑戰(zhàn)。主要技術特點包括：構型簡單，太陽電池陣適合采用較輕的薄膜太陽電池；通過增加太陽電池陣列模塊可容易實現功率的擴展；需要采用高功率旋轉關節(jié)，維持太陽電池陣列指向太陽和發(fā)射天線指向地球；需要大量的輸電電纜進行遠距離、大功率的電力傳輸，并會產生更多的功率損耗。

聚光空間太陽能電站是空間太陽能電站發(fā)展的新方向，典型代表為ISC 系統(tǒng)，可大幅減少太陽電池的面積，顯著降低電力管理和分配技術難度，但系統(tǒng)控制和熱控制難度大。主要技術特點包括：采用聚光系統(tǒng)確保發(fā)射天線對地球定向的同時，入射太陽光可以反射到太陽電池表面；無須采用高功率導電旋轉關節(jié)，而且很好地解決了長距離電力傳輸問題；采用高效率聚光電池，減小了電池陣的面積；增加了聚光系統(tǒng)，使得構型和控制變得復雜，系統(tǒng)難以擴展；高聚光比下系統(tǒng)的散熱成為一個重要的問題，需要采用耐高溫部件。

2.2 太陽能發(fā)電技術

太陽能發(fā)電技術是影響整個空間太陽能電站系統(tǒng)的效率、尺寸、質量和截面積的主要因素，重點是關注發(fā)電技術的發(fā)電效率、比功率和壽命（達到30年以上）。主要考慮太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太 陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)。后者系統(tǒng)復雜，從未在空間中應用，不考慮作為主要候選方式。而光伏發(fā)電技術成熟，在空間應用超過50年；隨著太陽能電池效率的逐步提高，光伏發(fā)電系統(tǒng)成為空間太陽能電站研究的主要選用方式。

光伏發(fā)電系統(tǒng)追求高的光電轉化效率和高的功率/質量比。對于不同的空間太陽能電站概念方案，需要選取不同的太陽能光伏發(fā)電技術。通過分析多種SPS 概念，主要選擇兩種光伏電池：一是適用于非聚光空間太陽能電站系統(tǒng)的薄膜太陽電池，質量輕、效率高、可折展；另一種是適用于聚光空間太陽能電站的聚光用太陽電池，在2～5 倍聚光比下具有較高的效率，所需的太陽電池陣面積較小，如多結砷化鎵太陽電池，國際上的應用目標使其光電轉換效率達到45%以上。對于聚光太陽電池的應用，難點在于高性能的散熱系統(tǒng)（如光譜選擇性涂層）和高溫性能好的太陽電池。

2.3 無線能量傳輸技術

無線能量傳輸技術是空間太陽能電站的關鍵技術，主要有微波無線能量傳輸技術（MPT）和激光無線能量傳輸技術（LPT）。兩種傳輸技術的比較見表2。

表2 無線能量傳輸技術的比較Table 2 Comparison between two kinds of wireless power transmission technologies

微波無線能量傳輸技術是空間太陽能電站研究較多的傳輸方式，具有較高的轉化和傳輸效率，在特定頻段上的大氣、云層穿透性非常好，技術相對成熟，波束功率密度低，且可以通過波束進行高精度指向控制，具有較高的安全性。但由于波束寬，發(fā)射和接收天線的規(guī)模都非常大，工程實現具有較大的難度，比較適合于超大功率的空間太陽能電站系統(tǒng)。

激光無線能量傳輸技術主要特點是傳輸波束窄、發(fā)射和接收裝置尺寸小，應用更為靈活。通過合理選擇頻率，可以減小大氣損耗，比較適合于中小功率的空間太陽能電站系統(tǒng)。難點在于大功率激光器技術成熟性較差，高指向精度實現難度大，存在較大的安全隱患。主要缺點是大氣透過性差，傳輸效率受天氣影響大。

2.4 電力管理與分配技術

作為超大功率系統(tǒng)，空間太陽能電站的電力管理與分配技術（PMAD）又是另一項關鍵技術。基于不同的概念方案，電力管理與分配方式總體分為集中式PMAD 和分布式PMAD。

集中式PMAD 需要將電能匯集到一個連接點（如高功率旋轉關節(jié)），而集中的電能根據需求進行變換并傳輸分配到微波或激光裝置，適合于非聚光空間太陽能電站概念，如1979 SPS、Sail Tower SPS 等。其優(yōu)點是：通過大功率旋轉關節(jié)集中供電，便于實現太陽電池陣的對日定向，可以保證整個系統(tǒng)較高的效率；太陽電池陣的面積可以根據系統(tǒng)需求擴大。其缺點是：超大功率（GW 級）的空間導電旋轉關節(jié)技術實現難度極大；太陽電池陣的電能傳輸到導電旋轉關節(jié)需要非常遠距離的傳輸導線，電力損耗大，所需導線非常重。

分布式PMAD 不需要將電能集中到一起，每個發(fā)電子陣產生的電能可以直接進行變換并分配到對應的微波或激光裝置，主要用于三明治結構板，適合于聚光空間太陽能電站概念，如分布式繩系系統(tǒng)、集成對稱聚光系統(tǒng)、任意相控陣空間太陽能電站等概念。分布式PMAD 無須大功率導電旋轉關節(jié)，避免了單點失效，可以實現系統(tǒng)的高可靠性；其電力傳輸距離短，損耗小。

3 空間太陽能電站核心問題分析

空間太陽能電站作為一個巨大的空間系統(tǒng)，其主要技術特點是面積大、質量大、功率大，其發(fā)展所面臨的核心問題包括以下幾個方面。

1）降低系統(tǒng)面積

空間太陽能電站的面積主要由兩部分決定：一是太陽能發(fā)電部分的面積，即太陽電池陣面積或聚光器面積；二是微波發(fā)射天線面積。對于發(fā)電部分，不論是否采用聚光的形式，提高太陽電池的光電轉化效率是減少面積最有效的措施。對于聚光形式，聚光器的面積與太陽電池的發(fā)電功率和聚光效率直接相關，提高聚光效率可以有效減少聚光器的面積。對于微波發(fā)射天線，在選定的軌道和微波頻率下，微波發(fā)射天線面積與地面接收面積成反比，需要優(yōu)化確定發(fā)射天線的面積。

2）降低系統(tǒng)質量

系統(tǒng)的質量主要集中在幾個方面：空間太陽能電站主結構、太陽電池陣、能量轉化裝置及發(fā)射天線、電力管理及傳輸電纜等。減小系統(tǒng)質量應重點考慮：

· 降低單位面積的質量（減小太陽電池、聚光器、發(fā)射天線的面密度）；

· 降低結構、機構的質量（縮小結構體積，降低結構密度）；

· 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）；

· 提高轉化效率，減小微波轉化器件、電壓變換設備的質量。

3）減小系統(tǒng)的收攏體積

考慮運載器的包絡限制，要求每個模塊在發(fā)射階段為收攏狀態(tài)、在空間進行展開。重點考慮的技術包括：折疊展開桁架結構；充氣式結構；折疊展開太陽電池子陣、聚光器、天線模塊；收攏展開電纜等。

4）旋轉機構問題

為了保證空間太陽能電站的高效率工作，需要太陽電池陣（或聚光器）對日定向、發(fā)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(fā)射天線間的相對位置變化達到360°，必須采用大型旋轉機構。由于空間太陽能電站體積、質量巨大，特別是功率巨大，給旋轉機構設計帶來很大的挑戰(zhàn)。目前的空間太陽能電站概念方案設計一般考慮如下幾種情況：

· 采用聚光方案。利用聚光器系統(tǒng)的旋轉，可以取消大功率導電旋轉關節(jié)。

· 采用微波反射方式。通過驅動微波反射器，可以替代大功率導電旋轉關節(jié)。

· 采用無旋轉機構的方式。使發(fā)射天線與電池陣相對位置固定，但會損失系統(tǒng)的效率。

5）提高運輸發(fā)射能力

運輸能力是制約空間太陽能電站發(fā)展的主要技術因素。不僅要求運載能夠運輸較大的質量，還要求有足夠大的運輸包絡。考慮到大規(guī)模運載發(fā)射的難度及大幅降低成本的需要，可重復使用的軌道間轉移器在電站建設中也是一個可選擇方案。

6）在軌組裝與維護的可實現性

受到運載質量和包絡的限制，空間太陽能電站必須拆分成上千個模塊，發(fā)射到軌道上進行在軌組裝。如果采用航天員組裝方式，風險較大；如果采用機器人組裝方式，目前還缺乏能夠在空間進行大規(guī)模組裝的技術可行性。在軌組裝與維護也是制約空間太陽能電站發(fā)展的主要技術因素。

7）環(huán)境可靠性與安全問題

當人們第一次接觸到空間太陽能電站這一概念時，最關心的問題是安全問題，如高能束潛在的軍事用途、巨大的衛(wèi)星更易受攻擊等。而事實上發(fā)展空間太陽能電站更關注的安全問題一是大型空間電站自身安全與環(huán)境可靠性問題，二是大功率無線能量傳輸中的長期環(huán)境影響問題（生態(tài)、經濟活動）。

由于空間太陽能電站設計壽命達30年以上，而且其結構復雜，新技術應用多，如多母線超高壓大功率電力系統(tǒng)、高效薄膜太陽電池陣以及大功率微波輸能系統(tǒng)等，其空間環(huán)境可靠性都將是重大研究課題。

發(fā)展和應用空間太陽能電站技術的潛在環(huán)境影響已經被初步確定。許多的國際報告都分析了能量傳輸對于天文、大氣、生物系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、地面利用、航天操作人員、靜止軌道衛(wèi)星等的影響[9]。雖然空間太陽能電站功率很大，而且電磁能量波束的物理基礎是無法改變的，但地球同步軌道距離地面很遠，波束會發(fā)散，而不是武器所需要的能量匯聚，即使匯聚比較弱的波束，也需要一個引導信號進行，同時也可以設計包含另外的失效保護機制。因此波束彌散在城市上空的可能性是很低的，即使發(fā)生，也是較安全的。當然，微波對于大氣環(huán)境以及對于生態(tài)環(huán)境的影響需要開展長期的研究和監(jiān)測。

4 空間太陽能電站關鍵技術發(fā)展建議

通過對于空間太陽能電站概念和核心問題的分析，初步提出空間太陽能電站發(fā)展所涉及的9 項關鍵技術及其研究重點[10]。

1）空間超大型可展開結構及控制技術

主結構用于支撐整個空間太陽能電站，考慮到姿態(tài)和軌道調整的要求，主結構應保持足夠的剛度。同時，還要充分考慮在軌組裝和在軌維護的需要。重點專業(yè)技術包括：

· 超長可展開桁架結構；

· 超大面積剛性板展開結構；

· 超大面積薄膜展開結構；

· 可重復使用對接機構；

· 空間超大型結構的姿態(tài)軌道控制技術。

2）空間高效太陽能轉化及超大發(fā)電陣技術

提高系統(tǒng)的效率、降低質量，以及提高電壓和使用壽命是空間太陽能發(fā)電技術的關鍵。需要發(fā)展高效率、空間環(huán)境適應性好的薄膜太陽電池，同時需要發(fā)展在軌展開的超大面積的柔性太陽電池陣。為了減小電力損耗，需要發(fā)展高壓太陽電池陣技術。重點專業(yè)技術包括：

· 高效砷化鎵薄膜太陽電池技術；

· 可組裝超大柔性太陽電池陣技術；

· 高壓太陽電池陣技術。

3）空間超大功率電力傳輸與管理技術

作為一個超大功率的空間系統(tǒng)，空間太陽能電站系統(tǒng)需要長達數十km 的電力傳輸電纜，為了減小損耗，需要采用超高電壓。同時需要發(fā)展超大功率高效電壓變換技術以及超大功率導電旋轉關節(jié)技術等。重點專業(yè)技術包括：

· 超高壓、大功率傳輸母線；

· 超大功率電壓變換器；

· 超大功率導電關節(jié)；

· 空間超導輸電技術。

4）無線能量傳輸技術

功率高、效率高、傳輸距離遠和高精度方向控制是無線能量傳輸的主要技術特點，超過30年的壽命要求也對無線能量傳輸技術提出了很高的要求。重點技術包括：

· 大功率高效能量轉化技術；

· 高效功率空間合成技術；

· 超大型空間天線技術；

· 高精度指向控制技術；

· 大功率高效激光器及指向控制技術；

· 高熱流密度熱控制技術。

5）軌道間轉移技術及大功率電推進技術

為了降低運輸到GEO 的成本，初步考慮采用重型運載將載荷運輸到LEO，利用可在LEO 和GEO 間進行往返運輸的軌道轉移器將載荷運輸到GEO。為了減少燃料消耗，需要發(fā)展大功率電推進系統(tǒng)，利用多個電推力器的組合實現大型電推進軌道轉移器。重點技術包括：

· 大功率電推進技術；

· 大型軌道轉移器技術。

6）空間復雜系統(tǒng)在軌組裝及維護技術

空間太陽能電站作為一個宏大的長壽命系統(tǒng)，必須發(fā)展功能強大的在軌組裝及維護技術，實現大規(guī)模的、復雜的在軌組裝、在軌維護和燃料補給等。重點技術包括：

· 空間組裝及維護技術；

· 空間機器人技術；

· 燃料補給技術；

· 空間支持系統(tǒng)；

· 空間原位3D 打印技術。

7）大型運載器及高密度發(fā)射技術

空間太陽能電站質量達到數千t 以上，再考慮其建設、維護所需的人員及貨物運輸需求，對于運輸能力、運輸頻率、運輸成本提出巨大的挑戰(zhàn)。重點技術包括：

· 重型運載火箭技術；

· 可重復使用運載技術；

· 超高密度發(fā)射技術。

8）電站系統(tǒng)運行控制及地面接收管理技術

系統(tǒng)運行控制及地面運行管理主要包括兩方面的內容：對整個空間系統(tǒng)狀態(tài)信息的接收和處理以實現運行控制與健康管理；地面大功率電力的接收、調節(jié)、控制及入網技術等。重點技術包括：

· 天地一體化電站運行管理系統(tǒng)研究；

· 大型可組裝式高效微波能量接收系統(tǒng)研究。

9）電站發(fā)展的基礎材料和器件研究

為了實現空間太陽能的高效利用和傳輸，且大幅降低空間太陽能電站的整體質量、提高系統(tǒng)的壽命，空間太陽能電站發(fā)展需要相關基礎材料和器件性能的極大提升。重點技術包括：

· 高效、高溫能量轉化（光/電、電/微波、電/光、微波/電、熱/電）材料及器件；

· 超輕、高強度結構材料；

· 超輕、超低損耗導電材料。

5 結束語

空間太陽能發(fā)電站的建設是一項長遠而復雜的工作，對于我國能源安全及航天工業(yè)發(fā)展具有重大意義。作為一個非常宏大的空間系統(tǒng)，其發(fā)展還存在許多核心技術難題，需要開展系統(tǒng)而持續(xù)的研究工作。我們期待通過集思廣益，發(fā)揮各方力量，實現空間太陽能的大規(guī)模利用并造福人類。

（References）

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