空間太陽能電站的發展與未來

06-05

空間太陽能電站是航天技術服務國民經濟和國家安全戰略的宏大工程。從概念提出至今已有40餘年，由於技術難度巨大，其真正實現仍需要較長時間。經過近年的跟蹤研究，目前中國在空間太陽能電站方面的研究已進入世界前列，如能保持並進一步加大研發力度，中國將有望成為世界首個建成有實用價值空間太陽能電站的國家。

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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總量受限且不穩定等問題，還難以大規模替代傳統化石能源的地位。

空間太陽能電站(SSPS)，也稱太空發電站，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。空間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1353瓦/平方米，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，非常適合於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。

空間太陽能電站也是一項龐大的創新性系統工程，美國智庫稱之為航天和能源領域的「曼哈頓工程」，其技術突破將直接應用於社會經濟發展的各個方面，特別是遠距離無線能量傳輸技術（WPT）的突破將大大改變人類獲取能源的方式，從而推動新的產業革命。空間太陽能電站基於自身的大功率，以及能量多種方式傳輸的靈活性等特點，不僅有望成為未來持續穩定的電力來源，而且在電網調度、氣象科學研究、應急救災、空間飛行器供電、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、企業和個人開始關注空間太陽能電站的發展。但由於其系統規模巨大、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，歐洲航天局，加拿大、俄羅斯等國以及相關國際組織也在積極關注並推動此領域的發展。

我國自20世紀末開展空間太陽能電站方案及技術研究。2006年，中國航天科技集團有限公司組織進行了「空間太陽能電站發展必要性及概念研究」研討。2010年，中國空間技術研究院王希季、閔桂榮等7位院士牽頭開展中國科學院學部諮詢評議項目——空間太陽能電站技術發展預測和對策研究。2010年，中國空間技術研究院組織召開第一屆「全國空間太陽能電站發展技術研討會」，多位院士和近百位專家參加。2014年，以「空間太陽能電站發展的機遇與挑戰」為主題的第499次香山會議在京召開，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並提出了具體意見。2017年，「第二屆全國空間太陽能電站發展技術研討會」在北京成功召開，10餘位院士和200餘位會議代表深入交流了我國空間太陽能電站發展規劃、系統方案和關鍵技術研究進展。中國空間技術研究院、上海航天技術研究院、哈爾濱工業大學、西安電子科技大學、重慶大學、四川大學、北京理工大學等科研院校和機構，近年來針對空間太陽能電站總體、結構、控制、微波輸能、激光輸能等相關技術進行了研究，提出了幾種獨特的空間太陽能電站總體方案，在無線能量傳輸技術方面也已達到國際先進水平。

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傳統意義上的空間太陽能電站主要由三大部分組成：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。空間太陽能電站功率高、質量大、尺寸大，一個典型的吉瓦（GW）級空間太陽能電站質量在萬噸級、尺寸在千米級，其規模遠遠超過目前最大的航天器——國際空間站，技術難度也遠超現有空間技術水平。空間太陽能電站的發展，有賴於發展規劃的科學制定、總體方案的合理設計以及各項關鍵技術的持續突破。

經過近年的持續努力，中國空間太陽能電站研究領域初步形成了以航天科技集團錢學森空間技術實驗室為總體單位，國內優勢研究所、高校等參與的產學研用科研群體，在空間太陽能電站發展規劃、總體方案設計、關鍵技術研究等方面都取得了重要的突破。

2014至2015年，國家國防科技工業局聯合國家發改委、科學技術部、工業和信息化部、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，立足我國國情，結合國家對空間太陽能電站的不同應用需求與技術發展能力，提出了「兩大步、三小步」的發展戰略和實現我國空間太陽能電站目標的技術路線圖：2030年後建設兆瓦（MW）級試驗空間太陽能電站、2050年後建設吉瓦級商業空間太陽能電站，其中2015一2030年分為3個五年計劃分別開展相關關鍵技術的攻關和演示驗證，實現空間太陽能電站的應急供電應用。

自「1979 SPS基準系統」被提出之後，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4個方面：

無線能量傳輸形式選擇微波還是激光？
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？
採用集成式結構還是分散式結構？結構集成為一個大型平台，還是由多個獨立的系統組成？
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？

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台方向發展。但對於其他技術路線，目前還沒有統一的認識。

在空間太陽能電站的構建任務中，由於運載能力、空間環境、經濟性等限制，將模塊發射至低軌後，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。專家認為主要約束點在於軌道轉移的難度以及對機器人的高性能要求，可通過未來的在軌服務和3D列印等新技術手段來降低技術難度。

錢學森空間技術實驗室研究團隊在空間太陽能電站系統總體設計方面，通過比較國內外多種空間電站方案，重點研究了非聚光型和二次對稱聚光型空間太陽能電站，提出了創新的多旋轉關節空間太陽能電站(MR-SSPS)方案。該方案將太陽電池陣分解為多個電池子陣，並將傳統非聚光型太陽能電站單一導電旋轉關節轉化為多個較小功率導電旋轉關節，不僅解決了極大功率導電旋轉關節和單點失效的技術難題，同時更易於實現系統的組裝構建。方案得到國際該領域頂級專家的認同。

西安電子科技大學研究人員提出了一種球反射面的線聚焦OMEGA-SSPS方案，不需要旋轉調節聚光鏡，從而降低了聚光系統的控制難度。

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能量收集與轉化技術研究主要集中在高功質比薄膜光伏發電陣和薄膜反射聚光系統兩大部分，目前的主要現狀是：

光伏電池尤其是薄膜光伏電池效率有待提高，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。而系統在軌壽命對空間環境中光伏電池的性能退化問題提出了很大挑戰，在光電轉換技術創新方面具有廣闊空間。
聚光系統構型設計應該以對日跟蹤定向、聚光能流分布均勻為目標，核心問題為薄膜反射鏡系統的高精度智能控制。
能量轉化環節面臨的散熱問題非常嚴峻，尤其是採用聚光方式後系統熱流密度更高，熱控問題更為突出。

國內近年來重點針對超大型太陽能收集與轉化單元的摺疊展開技術、超輕桁架展開機構技術進行研究，並在薄膜結構設計和摺疊展開技術研究方面取得重要進展，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、摺疊展開技術。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。

無線能量傳輸包括微波和激光兩種方式，目前研究以微波方式為主，主要研究方向包括：

微波源效率、壽命和功質比的提升，優化大口徑天線上的功率分布以實現高效微波功率合成，高精度波束控制中考慮整個結構的構型和實時形狀位置狀態等因素對波束指向的影響，從機電熱綜合的角度發展一體化超輕天線模塊。
電離層對無線能量傳輸的影響需要深入考慮，一是電離層對波束導引信號和能量波束的折射差異問題，二是對電離層加熱效應的影響分析。
無線能量傳輸頻段和地球靜止軌道軌位，是需要政府和行業協會積極爭取的兩個重要資源。
地面接收系統需要從與空間發射端匹配、系統集成、生物安全等方面進行重點研究。

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，四川大學和重慶大學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。北京理工大學建立了地面太陽光泵浦激光實驗系統，實現了25瓦/平方米的激光輸出。

空間太陽能電站技術突破對於空間探索、商業和國防等領域具有重要的戰略意義，「兩彈一星」功勛獎章獲得者王希季院士認為：發展空間太陽能電站將帶來前所未有的、影響深遠的並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。

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，並在關鍵技術達到一定成熟度後，實現在軌演示驗證，最終用於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3個方面：

大大提升空間能力，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，以及在空間製造和空間原位資源利用方面的能力。
在發展空間太陽能電站系統中獲得的專門新技術將應用於成像、實時地面和空間目標定位，以及高帶寬通信、高清晰電視和廣播、移動廣播服務；基於空間太陽能電站系統產生的新結構（如電力平台）將為多個載荷提供服務，包括自動構建結構、無線協作編隊。
長距離的無線電力傳輸將可以降低應用衛星的質量，並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，甚至包括可用於遠期的星際探測概念的波束推進。

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。我國空間技術和空間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闢新的空間。空間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。

專家簡介

王立：研究員，就職於錢學森空間技術實驗室。

張興華：副研究員，就職於錢學森空間技術實驗室。

侯欣賓：研究員，就職於錢學森空間技術實驗室。