未来能源之路——太空发电站

侯欣宾+王立

太阳是地球和整个太阳系取之不尽、用之不竭的核心能源系统。在地面上利用太阳能，因受到大气的吸收和散射、云雨的衰减，以及季节、昼夜更替的影响，能量密度变化巨大，很不稳定。在地球同步轨道，由于太阳光线不会被大气减弱，也不受季节、昼夜变化的影响，阴影期很短，所以在99%的时间内可稳定接收太阳辐射，平均约为1353W/m2，是地面的6倍以上，且可以实现空间向地面进行能量的定点传输，是理想的建设太空发电站的位置。有效利用此轨道上的太阳能，将可以为人类提供优质的、巨大的清洁能源。

1 太空发电站的发展背景

太空发电站一般也称为空间太阳能电站（SPS或SSPS），它是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统。建造太空发电站是开发利用空间资源的重要手段，其整体构想最早由美国科学家彼得·格拉赛（Peter Glaser）于1968年提出。

太空发电站核心组成包括三大部分：太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置。太阳能发电装置用于将太阳能转化为电能;能量转换装置用于将电能转换成微波或激光等形式（激光也可以直接通过太阳能转化），并利用发射装置向地面发送波束;地面接收系统用于接收空间传输的波束，通过转换装置将其转换成电能接入电网。整个过程将经历太阳能-电能-微波（激光）-电能的能量转变过程。

作为一种很有前景的可再生能源系统概念，太空发电站得到各航天大国的广泛关注。相对于地面太阳能电站，由于不受昼夜和天气的影响，太空发电站可以连续工作，太阳能利用效率高，同时在地面应急供电、减灾、空间供电、行星探测等方面也具有重要的应用前景。但目前其技术还很不成熟，在成本方面具有明显的劣势。国外提出发展太空发电站构想已经超过40年，但真正实现还需要几十年的时间。从20世纪90年代以来，随着世界能源供需矛盾和环境保护问题日益突出，以美国和日本为主的发达国家开展了广泛的太空发电站技术研究，目前已经提出几十种概念，并且在无线能量传输等关键技术方面开展重点研究。近年来，太阳能发电效率、微波转化效率以及相关的航天技术都取得了很大进步，为未来太空发电站的发展奠定了很好的基础。但太空发电站作为一个非常宏大的空间系统，需要开展系统的研究工作，在许多技术方面有待取得突破性进展。

2 国外太空发电站发展现状

太空发电站的广泛应用前景已引起了国际上的广泛关注。21世纪以来，随着世界能源价格的不断攀升和环境的日益恶化，越来越多的国家、组织、企业和个人，包括军方都开始关注空间太阳能这种取之不尽的巨大空间能源。

2.1 美国

美国在太空发电站概念提出后不久，以能源部和美国航空航天局（NASA）为主的政府部门投入大量的研究经费（4年间投入约5000万美元）进行太空发电站系统和关键技术研究，并且提出单个电站发电能力达到5GW的方案——“1979太空发电站基准系统”。后来，由于技术和经济可行性问题，以及核能项目和星球大战等计划的影响，后续十多年未开展大规模的研究工作。

1995年，美国启动了18个月的重新评估太空发电站可行性的研究——“Fresh Look”研究计划，提出了多种新型太空发电站概念方案（太阳塔、太阳盘等）。1999年，美国航空航天局开展了“空间太阳能探索性研究和技术”（SERT）计划，耗资2200万美元，提出了集成对称聚光系统和算盘式太空发电站等新概念，并且提出了太空发电站技术研究发展路线图建议，相关研究工作经过了美国国家科学委员会的评估，认为太空发电站在技术上是可行的。2003年，由美国航空航天局负责开展、国家科学基金会（NSF）参与了太空发电站方案与技术成熟化计划（SCTP）。2007年4月，国防部国家安全空间办公室（NSSO）成立了太空发电站研究组，组织国防部、美国航空航天局、能源部、学术界以及航天、能源等相关工业部门的170多位专家参与研究完成“太空发电站——战略安全的机遇”研究报告，引发新一轮太空发电站研究热潮。2009年，美国太平洋天然气与电力公司（PG&E）宣布，正式向Solaren公司购买200MW的空间太阳能电力，成为首个空间供电商业合同。2012年，在美国航空航天局创新概念项目支持下，提出了一种新的概念方案——任意相控阵太空发电站。

2.2 日本

日本是开展太空发电站技术研究较早的国家之一，也是积极开展空间太阳能发电研究的最主要国家。从20世纪80年代开始，日本就开始进行了广泛的研究。90年代起组织了15个专题研究组，陆续推出太空发电站2000、太空发电站2001、分布式绳系太空发电站系统等概念，并且在无线能量传输技术研究和试验（包括火箭搭载试验）方面处于世界领先地位，在世界上首次完成电离层无线能量传输（WPT）火箭试验和空间机器人帕兴网状天线试验。

2004年，日本正式将发展太空发电站列入国家航天长期规划。在经产省和日本宇宙研究开发机构（JAXA）的支持下，以无人空间飞行研究机构、三菱公司、石川岛播磨重工宇航公司、清水建设集团、京都大学、东京大学、神户大学等为代表的国家研究机构、企业和高校，形成“官产学”联合研究的模式。2009年，日本宣布以三菱公司为主的集团将在2030-2040年建设世界上第一个吉瓦级商业太空发电站系统，总投资额将超过200亿美元。根据2013年日本最新公布的航天基本计划，空间太阳能发电研究开发项目列入七大重点发展领域，并且作为3个国家长期支持的重点研究领域之一（其他2个为空间科学和深空探测领域、载人空间活动领域）。

日本提出的最新太空发电站发展路线图包括3个阶段。第一阶段：研究阶段，2020年前完成千瓦级地面无线能量传输试验，2020年开展低轨无线能量传输验证及百千瓦级系统验证。第二阶段：研发阶段，2030年前研发2～200兆瓦级系统，200MW系统为商业系统的1：5缩比模型，是最后一个验证系统。第三阶段：商业阶段，2035年左右实现1GW商业系统。

2.3 其他国家和组织

世界其他各主要航天国家，包括欧洲航天局（ESA）、俄罗斯、印度、加拿大等国家和组织都在开展相关研究工作。欧洲在1998年开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了名为“太阳帆塔”（Sail Tower SPS）的概念设计。2002年8月，欧洲航天局先进概念团队组建了欧洲太空发电站研究网。2010年，欧洲阿斯特留姆（Astrium）公司宣布，正在论证一个大型太阳能发电卫星验证项目，将采用激光无线能量传输方式。2012年，俄罗斯专家也提出了新型的基于激光无线能量传输的中继式太空发电站概念，并提出分阶段的发展路线建议。2010年，美国、印度发表联合报告“卡拉姆-国家空间协会能源技术全球倡议”，将发展太空发电站作为美印战略合作的一个重要方向。

相关国际组织也积极开展太空发电站相关领域的研究工作。国际无线电科学联盟于2007年正式发表了《太阳能发电卫星白皮书》。2011年10月，国际宇航科学院（IAA）研究报告《太空发电站——第一次国际评估：机遇、问题以及可能的前进路线》正式出版。

21世纪以来，更多的国家开始关注并开展太空发电站相关的研究工作。但由于系统规模巨大，需要的技术跨越性极大，真正商业意义电站的实现还需要几十年的时间。作为一个巨大的空间工程，太空发电站对于国家能源安全和技术的革命性发展都有重大的意义，但需要一个协调的国家级甚至国际级的发展计划和规划。

2.4 典型太空发电站概念

1）1979太空发电站基准系统。它是第一个太空发电站系统方案，以全美国50%的发电量为目标进行设计，由美国在1979年完成。其设计方案为在地球静止轨道（GEO）上布置60个发电能力各为5GW的发电卫星。考虑到微波对于生物的影响，该设计方案中微波波束到达地面时的功率密度在波束中心大约为23mW/cm2，边缘只有1mW/cm2。

2）集成对称聚光系统。美国航空航天局在20世纪90年代末的SERT研究计划中提出了新一代的集成对称聚光系统的设计方案。采用了位于桅杆两边的大型蚌壳状聚光器将太阳能反射到2个位于中央的光伏阵列。聚光器面向太阳，桅杆、电池阵、发射阵作为一体，旋转对地。聚光器与桅杆间相互旋转维持每天的轨道变化和季节变化。

每个聚光器由36面平面镜组成，直径为455.5m，表面平面度为0.5°，镜面反射率为0.9，镜面为0.5mm的Kapton材料，依靠一个环形可膨胀环和一个可膨胀背板支撑，安装在聚光器结构上，形成主镜。桅杆长6373m，主镜尺寸为3559m×3642m。

太阳电池阵的平均聚光率大约为4.25，考虑采用量子点技术，阵列效率可达到39%。太阳电池阵采用了肋化设计，可以增强散热20%。太阳电池阵背板结构是一个可膨胀环网。每个1000m直径的太阳电池阵由多个40m×25.6m的子阵组成。

2007年，改进后的设计方案将关键的太阳电池、微波发射机和发射天线集成为夹层结构（三明治结构），即外层板为太阳电池、中间夹层为微波发射机、底层为微波发射天线。利用位于桅杆两边的大型聚光器通过机构控制指向太阳，将太阳光反射聚集到夹层结构板上，电池发出的电力可以通过较短的电缆传递到微波发射机，消除了对于大功率导电滑环和长距离电力传输的需求。夹层结构板的发射阵面指向地球。

3）分布式绳系卫星系统。为减小单个模块的复杂性和质量，日本提出了分布式绳系卫星的概念。其基本单元由尺寸为100m×95m的单元板和卫星平台组成，单元板和卫星平台间采用4根2～10km的绳系悬挂在一起。单元板为太阳电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板，共包含3800个模块。每个单元板的总质量约为42.5t，微波能量传输功率为2.1MW。由25块单元板组成子板，25块子板组成整个系统。该设计方案的模块化设计思想非常清晰，有利于系统的组装、维护。但系统的质量仍显巨大，特别是利用效率较低。

4）任意相控阵太空发电站（SPS-ALPHA）。在美国航空航天局创新概念项目支持下，由美国、日本和英国科学家共同提出了一种新的概念方案——任意相控阵太空发电站。

该方案采用了模块化的设计思想，并且创新性地提出了无需控制的聚光系统概念（该聚光系统的有效性还有待进一步完善），对于控制系统的压力大大减小。整个系统的质量约为10000～12000t。

5）激光太空发电站（L-SSPS）。它是太空发电站概念发展的另外一个重要方向。在日本的太空发电站研究中，激光太空发电站占到很大的研究比重，重点研究太阳光直接泵浦激光方式。激光太空发电站基本单元包括太阳聚光镜、散热器、激光发生器、激光发射器和支持系统。采用太阳聚光镜（如抛物面）或透镜（如菲涅耳）进行太阳光高聚光比聚焦，聚集的太阳光发送到激光发生器，利用直接泵浦激光方式产生激光，激光扩束后传输到地面，地面可以采用特定的光伏电池接收转化为电力，或者直接用于制氢。对太阳直接泵浦激光器，有几种类型的材料适合作为激光介质：从抵抗热应力的角度来看，蓝宝石似乎是最佳的激光介质材料。由于大量蓝宝石晶体生产难度很大，大多数材料取用钇铝石榴石（YAG）激光晶体。一个10兆瓦级的激光太空发电站的典型几何参数为太阳聚束镜面100m×100m×2，散热器100m×100m×2。

一个吉瓦级的电站由100个基本单元组合而成，整个系统结构形状对称，太阳辐射压形成的干扰不影响系统的稳定性。因此，用于姿态控制和轨道保持所需推进器的质量较小。在激光太空发电站设计中，由于聚光比达到几百倍，激光器的效率和系统的热控制是非常关键的因素。高精度的激光波束指向控制也是一个非常重要的难点技术。

3 我国太空发电站研究现状

我国研究人员从20世纪80年代以来就一直在关注国际太空发电站的发展。20世纪90年代，多位中国学者参加相关国际研究活动。近年来，越来越多的专家开始关注太空发电站的发展。“十一五”期间，在中国航天科技集团公司庄逢甘院士、王希季院士等为代表的国内科技专家积极推动下，我国太空发电站研究工作也步入了起步阶段。

2006年7月，中国空间技术研究院组织进行了太空发电站发展研讨会。根据专家的研讨意见，建议开展太空发电站概念和发展思路研究。2010年，王希季、闵桂荣等7位院士牵头开展中国科学院学部咨询评议项目——太空发电站技术发展预测和对策研究。项目在深入分析了太空发电站涉及的主要工程技术难题后，提出了我国发展太空发电站的顶层考虑和对策及发展建议。2010年，中国空间技术研究院组织了“全国空间太阳能电站发展技术研讨会”，12位院士和近百位专家参加，他们研讨了我国太空发电站发展的建议。2013年10月，国防科技工业局组织召开了“我国空间太阳能电站发展思路”研讨会。2014年5月，“空间太阳能电站发展的机遇与挑战”香山科学会议在北京召开。

近年来，国内参与太空发电站的研究团队在逐渐扩大，主要研究单位包括：中国航天科技集团公司、中国工程物理研究院、重庆大学、西安电子科技大学、四川大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等。国防科技工业局支持了与太空发电站相关的总体和关键技术研究工作。目前，在总体规划、总体概念方案、微波无线能量传输技术等方面取得了一定的成果，同时也带动了大型空间结构、空间薄膜太阳能发电等技术的发展。

国内研究团队在开展太空发电站研究的同时，与美国、日本、俄罗斯、欧洲等国家的科学家建立了良好的沟通渠道。2013年，国际宇航联大会在北京召开，中国专家应邀作了“21世纪人类的能源革命——空间太阳能发电”的主旨发言。

4 太空发电站的技术挑战及主要关键技术

太空发电站是一个宏大的工程，国际上对此的研究已经超过40年，仍然是国际空间领域关注的热点方向并持续开展的研究。但是到目前为止，还未研制出一个演示型太空发电站，也反映出其发展还面临着很大的挑战，包括技术难度、投入和安全性等。

太空发电站规模巨大，质量达到万吨，结构达到千米，发电功率为吉瓦级，寿命需要在30年以上。相比于目前的卫星，其尺寸、质量、功率等都要提升多个数量级，寿命也比目前的卫星高出约1倍。对于新型运载技术、新型材料、高效能量转化器件、超大型航天器结构及控制技术、在轨组装维护技术等都提出了很大的技术挑战。

成本问题也是制约太空发电站发展的主要因素之一。除了技术领域跨越式突破以外，还需要采用大批量的生产方式和商业运作模式来实现其规模化建设，以降低研制和运行成本。在未来传统能源可能消耗殆尽的情况下，新能源市场将占据重要地位。规模化和产业化对于现有的航天器制造和发射能力都提出了巨大的挑战，将需要现有航天工业生产体系发生根本性变革。

长期运行的安全性也是发展太空发电站需要特别重视的问题。理论上分析，虽然太空发电站功率很大，但如果采用微波能量传输模式，在地球同步轨道（GEO）由于距离远（36000km），根据微波传输特性，实际接收天线的能量密度较低。典型系统的接收天线中心的最大微波能量密度约为23mW/cm2，天线边缘微波能量密度约为1mW/cm2。虽然从系统设计的角度已经限制了波束密度，可以满足安全性要求，但长期微波辐射下的生态、大气、生物体等的影响问题需要开展长期的研究。同时，轨道和频率资源也将成为太空发电站发展的重要限制条件之一，有必要从现在开始启动相关研究工作。太空发电站发展的核心问题包括以下几个方面。

（1）降低系统面积

太空发电站的面积主要由两部分决定，一是太阳能发电部分的面积，即太阳电池阵面积或聚光器面积。不论是否采用聚光的形式，提高太阳能电池的光电转化效率都是减小太阳能发电部分面积最有效的措施。二是微波发射天线面积。在选定的轨道和微波频率下，微波发射天线面积与地面接收面积成反比，需要优化确定发射天线的面积。

（2）降低系统质量

太空发电站系统的质量主要集中在几个方面：太空发电站主结构、太阳电池阵、聚光器、微波转化装置、发射天线、电力传输及管理系统等。减小系统质量可以重点考虑：①降低单位面积的质量（降低太阳电池、聚光阵、发射天线的面密度）;②降低结构、机构的质量（降低结构体积和结构密度）;③降低传输电缆的质量（缩短电缆长度，减小电缆截面积和密度）;④提高转化效率，降低微波转化器件、电压变换设备的质量。

（3）降低系统的收拢体积

太空发电站是一个巨大的空间系统，在空间所占的体积非常大，需要多个模块在轨组装。为了提高运载的效率，除考虑运输质量能力外，还要充分考虑运载器的包络限制，要求每个模块在发射阶段为收拢状态、在空间进行展开，尽可能地提高运输载荷的收拢率，将尽可能多的载荷运输到空间。重点研究的技术包括：折叠展开桁架结构;折叠展开太阳电池子阵、聚光器;折叠展开天线模块;充气式结构等。

（4）旋转机构

为了保证太空发电站的高效率工作，需要太阳电池阵（或聚光器）对日定向、发射天线对地球接收站定向。在一个轨道周期内，太阳电池阵（或聚光器）与发射天线间的相对位置变化达到360°，必须采用大型旋转机构。由于太空发电站体积、质量巨大，特别是功率巨大，给旋转机构带来很大的困难。目前的太空发电站概念设计一般考虑几种情况：①采用大功率导电旋转关节，技术难度大;②无旋转机构，采用发射天线与电池阵固定的方式，但以增加系统质量、损失系统效率为代价，特别是功率的剧烈波动;③采用聚光方案，利用聚光器系统的旋转，可以消除大功率导电旋转关节;④采用微波反射方式，通过微波反射器旋转，可以消除大功率导电旋转关节。

太空发电站的主要关键技术及重点研究领域包括10个方向：空间超大型可展开结构及控制技术;空间高效太阳能转化及超大发电阵技术;空间超大功率电力传输与管理技术;天线能量传输技术;轨道间转移技术及大功率电推进技术;空间复杂系统在轨组装及维护技术;大型运载器及高密度发射技术;电站系统运行控制及地面接收管理技术;电站发展的基础材料和器件研究;电站经济性、政策、环境保护、商业化等相关问题研究。

5 太空发电站的应用前景

太空发电站发展的核心应用目标是为地面提供商业化、大规模的电力供给，解决人类长期对于稳定的可再生能源的需求问题。同时，太空发电站对于地面偏远地区供电、紧急供电、航天器供电、调节环境等方面都具有重要的应用前景。太空发电站的发展也将为更为长远的月球太阳能电站的发展奠定基础。

5.1 地面电力供给

空间太阳能最大的优势在于可以几乎不间断地为地面提供清洁的可再生能源。如果能够有效地利用空间太阳能，将可以为人类提供巨大的、无尽的清洁能源储备。假设在空间地球静止轨道上每间隔0.5°（间距约360km）布置一个太空发电站，每个太空发电站的发电功率为5GW，则可以为地面连续提供约3.6×109kW的电力。同时巨大的空间供电还可以用于地面的海水淡化、制氢等，从而可以用于其他的清洁能源利用。同时，太空发电站作为一种大型的空间供电基础设施，覆盖面非常宽，可以灵活地用于地面移动目标的供电和紧急情况下的供电，包括偏远地区、海岛、灾区等。

5.2 航天器电力供给

太空发电站可以实现对可视范围内的低轨、中轨和高轨航天器供电，由于不会受到地球大气层的影响，比较好的方式是采用激光无线能量传输，可以保证长距离上较好的指向性，还可以减小发射和接收端的面积。采用无线能量传输供给的航天器，由于不需要巨大的太阳电池阵，功率水平和控制精度将大大增加，对于未来的大功率通信卫星、高精度科学卫星等的发展具有重要的价值。未来也可以利用太空发电站直接进行空间燃料生产以及进行空间加工制造，使得未来的空间工业发展变成可能。

太空发电站作为一种较好的空间大功率供电方式，也可以作为深空探测能源系统的候选方案。一方面，太空发电站利用无线能量传输可以为深空探测器的先进推进系统提供持续的能量供给，利用激光推进技术能够实现2～5年内到达小行星带内的多颗小行星，并实现采样返回;另一方面，可以利用在行星轨道运行的太空发电站为行星表面的基地提供能量供给。

5.3 环境调节

传统化石能源的利用引起了地球温度的升高，随之产生的台风和龙卷风等恶劣气象的频繁出现给人类带来巨大的灾难。目前，科学家已经提出并且分析了利用太空发电站减缓或改变台风路径的可行性。核心思想是采用水气等易于吸收谱段的微波，将太空发电站的巨大能量传输到龙卷风所在的区域，通过改变台风的温度分布，从而破坏龙卷风的形成过程。近期，科学家也提出了利用太空发电站减缓大气雾霾的思想，也可以起到环境调节的作用。

5.4 月球太阳发电站

在太空发电站基础上提出的另外一种可能的大功率空间能源利用方式是月球表面太空发电站，利用月球资源建立月表太阳发电站，实现向地球的输电。

月表环境非常适合于大面积太阳能发电。月表太阳光照条件稳定，不存在空气和水汽的影响，不会影响大面积薄膜装置的性能。采用转化效率为10%的太阳电池，就可以实现1km2产生130MW的电能，而且月球星体力学条件稳定，不会受到天气、地震活动和生物过程的影响。月球物质十分丰富，月尘和岩石材料包含了至少20%的硅、40%的氧、10%的金属，可以直接进行月球原位资源利用生产所需的太阳电池、电线、微电路部件、反射屏等，适合于月球太阳能电站的建设。

6 结束语

可再生能源重要性的提升为太空发电站的发展提出了实质的需求，太空发电站将可能成为未来可再生能源组成中的一个重要部分。作为一个巨大的空间应用系统，其规模远远超过了人类目前研制出的最大航天器—“国际空间站”，其面临的技术难度也远远超出现有空间技术水平，对于航天技术的发展提出了很大的挑战。

航天领域经过半个多世纪的飞速发展取得了巨大的进步，特别是载人登月和“国际空间站”的建成是人类最具里程碑的航天成就。我国在对地遥感、通信导航、载人航天、深空探测几大领域取得的突破性成就表明，我国在航天领域达到了国际先进水平。我国目前正在研制的长征-5大型运载火箭将在2014年左右实现约20t的近地轨道运输能力，2020年左右将要建设我国的空间站，未来可能发展更大规模的运载火箭，航天领域的快速发展将给我国太空发电站的发展带来很大的机遇。

习近平总书记在接见天宫-1与神舟-10载人飞行任务代表时提到，我国空间技术已跨入国际先进行列，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。我国是世界上少数几个掌握航天技术的国家，也是仅有的3个能够独立开展载人航天的国家之一。我国空间技术和空间工业基础的快速发展，将为我们进一步利用、开发空间资源开辟新的空间。航天领域的快速发展为我国发展太空发电站奠定了良好的技术基础，太空发电站同时也将很好地带动空间技术的跨越式进步，进一步实现我国的航天梦。

（摘自《国际太空》2014年第5期）