天基太阳能电站概述

刘 豪（北京空间科技信息研究所）

□□天基太阳能电站（SBSP）是设想在地球外层空间收集太阳能，将其转化为电能，并通过无线手段传输到地面的一种天基能源供应系统。随着能源紧张日益加剧，全球环境问题越来越引起各国的重视，建造SBSP的呼声也越来越高。美国、日本、欧洲、俄罗斯、加拿大等国家或地区已在SBSP战略规划和技术研究方面开展了大量工作，其中以美国、日本最为突出，而印度也开始关注这一领域的发展动向。

1 系统组成

SBSP系统由空间段（SBSP卫星）和地面段（能量接收站）组成。空间段包括三个功能部分，即将太阳能转换成电能的收集器、将电能转换成微波的转换器以及将微波传送到地面的大型天线阵。典型设计的SBSP卫星运行在地球静止轨道上（个别方案设计是在中地球轨道上），可24h不间断地收集太阳能。卫星长达数千米，电能被转换成频率为2.45GHz或5.8GHz的微波发送到地面，功率高达数吉瓦。地面段是一个大型的整流天线阵列，用于接收微波能量并转换成电能。电能经过适当处理后，由地面电网传送。

2 几种方案模型的比较

在卫星的设计方案上，美国航空航天局（NASA）提出了SBSP基准系统、中地球轨道太阳塔、太阳盘、算盘反射器和集成对称集中器等多种模型，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）提出了JAXA系列模型（最新的是JAXA 2004），日本无人宇宙试验自由飞行器研究所（USEF）提出了系绳式模型，德国航空航天研究院（DLR）代表欧洲航天局（ESA）提出了帆塔模型。

SBSP系统方案模型比较

NA SA中地球轨道太阳塔模型

日本USEF系绳式模型

3 关键技术

SBSP的关键技术主要包括5个方面。

低成本发射和运输技术SBSP卫星采用分段发射方式，首先由一次性运载火箭或可重复使用运载器把组件送入低地球轨道，然后利用电推进轨道转移器（OTV）送入地球静止轨道，并完成整体结构的装配。由于SBSP卫星的质量高达1万吨，需要进行若干次发射，因此开发低成本的运载器成为降低SBSP系统总体成本的重要环节。

在轨装配及机器人技术 早期的SBSP系统实施方案是采用大量人力进行在轨装配，随着机器人技术的飞速发展，后续提出的方案均采用自主装配或机器人辅助装配的技术。JAXA已经在这一领域成功开展了地面演示验证工作。

日本地面机器人装配试验

无线能量传输技术 近年来，这一技术已成为热门研究领域，主要包括微波传输和激光传输两种方式。由于激光传输方式受云层影响较大，因此SBSP系统主要采用微波传输方式，传输频率为2.45GHz或5.8GHz。在2007－2009年，美国、日本均在地面开展了多次微波传输试验并获得了成功，但这一技术距离实际应用还有很大差距。

卫星热控技术 最新的SBSP方案模型都采用了太阳能集中器，并采用微波夹层式系统模块太阳电池来减少电线连接，这也导致了比较严重的热控问题。NASA曾提出在太阳电池背面安装大型热辐射板，日本则提出可以覆盖有波长选择功能的表面来减少热量输入。

大型结构与机构技术 SBSP卫星是一个巨大的天基系统，各模块之间主要采用机械式连接，因此整体的姿态与结构稳定性不容忽视。美国麻省理工大学Ryan M. McLinko等人提出了利用分布式星群实现天基太阳能发电的构想。该构想是利用若干颗分布式卫星组成小星群，再由若干个小星群组成整个收集太阳能的大星群系统。在每个小星群中都包括一颗分波束卫星，它能把收集到的能量传输给整个系统的主波束卫星，再由主波束卫星传向地面。这种方案如果可行的话，将避免构建大型卫星的各种结构与机构难题，但需要解决构建大型星群的技术问题。

除了上述关键技术，其他技术还包括模块化技术、波束控制技术、电能管理与分配技术等。

4 国外发展

2007年10月，美国国防部国家安全空间办公室发布了名为《天基太阳能电站为战略安全提供机遇》的研究报告。该报告提出了美国天基太阳能发电的技术验证系统路线图，计划在2011年完成初始技术集成和地面验证，2013年完成100～300千瓦级低轨飞行验证和支撑性飞行试验，2016年完成60～100兆瓦级地球静止轨道试验验证。2008年5月，NASA科学家在夏威夷2个相距148km的岛屿之间进行了无线能量传输试验，尽管试验的功率只有20W，接收到的能量也很微小，但这一地面试验证明在大气环境中无线能量传输是可行的。

据媒体报道，JAXA计划在2015年发射一颗小型卫星，演示验证天基太阳能发电，并期望在2030年正式构建一个天基太阳能发电系统。