空间太阳能电站的关键技术及发展建议

王 立，侯欣宾

（中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室，北京 100094）

0 引言

空间太阳能电站（SSPS），也称太阳能发电卫星或太空发电站，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。空间太阳能电站主要由三大部分组成（图1）：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。

太阳能是一种可再生的绿色能源，对于解决世界能源紧张和环境污染问题将发挥重大的作用。相对于地面太阳能电站，空间太阳能电站由于不受昼夜和天气的影响，可以连续工作，太阳能利用效率高，具有广阔的应用前景，已引起各航天大国的广泛关注。从20世纪70年代以来，以美国和日本为 主的发达国家开展了广泛的空间太阳能电站技术研究，目前已经提出20 多种概念，并且在无线能量传输等关键技术方面开展了重点研究[1-3]。近年来，太阳能发电效率、微波转化效率以及相关的空间技术取得了很大进步，为未来空间太阳能电站的发展奠定了良好的基础。随着航天器技术和运载技术的不断进步，以及经济发展带来的能源、环境问题日益严重，空间发电成本有望下降到具有商业价值的阶段，目前国际上对空间太阳能的开发愿望不断加强。虽然空间太阳能电站不存在不可逾越的技术原理问题，但作为一个非常宏大的空间系统，其真正实现还需要开展系统的研究工作，在许多关键技术方面有待取得突破性进展[4]。

图1 空间太阳能电站示意图Fig.1 Sketch map of space solar power station

1 典型空间太阳能电站概念

国际上已经提出多种空间太阳能电站概念构想，典型的包括1979 SPS 基准系统、太阳帆塔SPS方案、分布式绳系太阳能电站方案、集成对称聚光系统、任意相控阵空间太阳能电站、激光太阳能电站等[5-6]。

1.1 1979 SPS 基准系统

1979年，美国提出第一个空间太阳能电站概念，名为“1979 SPS 基准系统”（见图2）。

图2 1979 SPS 基准系统Fig.2 The 1979 SPS reference system

该系统由巨型太阳电池阵和大型发射天线组成。巨型太阳电池阵保持对日定向，位于电池阵边缘的巨大的发射天线保持对地球定向，两者之间的相对位置变化利用大功率导电旋转关节实现。该系统可以连续向地面接收站供电。单个卫星系统的发电功率为5 GW。

1.2 太阳帆塔空间太阳能电站

欧洲基于美国提出的太阳塔（Sun Tower）概念提出了太阳帆塔太阳能电站（Sail Tower SPS）方案（见图3）。该系统采用重力梯度稳定方式，使中央缆绳自动保持垂直于地面，以保证末端的发射天线对准地面。太阳电池阵由数百个尺寸为150 m×150 m的太阳发电阵模块组成，根据总发电量的要求配置发电阵的数目。发电阵沿中央缆绳两侧排列成2 行或4 行，发出的电流通过由超导材料制成的中央缆绳输送到缆绳末端的发射天线。每一个子阵发射入轨后自动展开，在低地球轨道进行系统组装，再通过电推力器运往地球同步轨道。由于太阳电池阵无法保持对日定向姿态，该系统无法实现向地面接收站的连续供电。

图3 太阳帆塔太阳能电站概念Fig.3 The Sail Tower SPS concept

1.3 分布式绳系太阳能电站

为降低系统的复杂性和质量，日本提出了分布式绳系太阳能电站（Tether SPS）概念（见图4）。其基本组成单元由尺寸为100 m×95 m 的单元板和卫星平台组成，单元板和卫星平台间采用4 根2～10 km 的绳系悬挂在一起。单元板为太阳电池、微波发射机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42.5 t，微波能量传输功率为2.1 MW。由25 块单元板组成子板，25 块子板组成整个系统。该方案的模块化设计思想非常清晰，有利于系统的小规模验证、扩展、组装和维护。但由于太阳电池无法持续指向太阳，所以整个系统的发电会出现巨大的波动，总体效率较低。

图4 分布式绳系太阳能电站Fig.4 The distributed tether solar power station

1.4 集成对称聚光系统

NASA 在20世纪90年代末的SERT 研究计划中提出“集成对称聚光系统”（ISC）的设计方案，经过改进后的聚光型SPS 结构如图5。该方案的最大特点是采用了聚光系统设计，将关键的太阳电池、微波发射机和发射天线集成为“三明治”夹层结构板，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薄膜聚光器通过机构控制指向太阳，将太阳光反射聚集到三明治结构板上，电池发出的电能传递到微波发射机，取消了对于大功率导电滑环和长距离电力传输的需求。三明治结构板的发射天线阵面指向地球，聚光器与桅杆间相互旋转以适应轨道变化。

图5 聚光型SPS 系统Fig.5 The concentrating SPS system

1.5 任意相控阵空间太阳能电站

在NASA 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空间太阳能电站概念方案——任意相控阵空间太阳能电站（SPS-ALPHA）[7]，见图6。该方案仍基于聚光式空间太阳能电站的思想，创新性地提出了无须控制的聚光系统概念（其有效性还有待进一步分析），对控制系统的要求大大降低，采用了模块化的设计，降低技术难度和研制成本。整个系统的质量约为1.0～1.2 万t。

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

1.6 激光太阳能电站

1）俄罗斯的空间太阳能电站

俄罗斯于2012年提出了一种基于激光无线能量传输的空间太阳能电站（R-SPS）方案（见图7）。其主要的思路是采用多个分离的太阳能发电卫星编队飞行，建立太阳电池和半导体激光器组成的三明治结构，并利用激光无线能量传输（LPT）的方式向由浮空器支撑的接收平台进行能量传输，再通过电缆直接将电能传输到地面。该方案包含多种可能的变化，如将激光直接传输到地面接收站（天气良好的情况下），或采用微波无线能量传输的方式将电能从浮空器传输到地面。

图7 俄罗斯空间太阳能电站方案示意Fig.7 The Russian SSPS scheme

2）太阳光直接泵浦激光太阳能电站

太阳光直接泵浦激光太阳能电站（L-SSPS）是空间太阳能电站概念发展的另外一个重要方向。采用抛物面太阳聚光镜或菲涅耳透镜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；地面采用特定的光伏电池接收转化为电能，或者直接用于制氢。L-SSPS 概念基本组成包括太阳聚光镜、散热器、太阳光泵浦激光器、激光发射器和其他支持系统（见图8）。

一个10 MW 级的L-SSPS 的典型几何参数为：太阳聚光镜100 m×100 m×2 块；散热器100 m× 100 m×2 块。一个GW 级的电站由100 个10 MW基本单元组合而成。在L-SSPS 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。

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

2 典型空间太阳能电站概念的技术比较

通过对多种空间太阳能电站概念介绍，可以从整体构型、太阳能发电技术、无线能量传输方式、电力传输与管理等方面进行比较（表1）[8]。

表1 典型空间太阳能电站概念的比较Table 1 Comparison among typical SSPS concepts

2.1 结构型式

空间太阳能电站从构型角度可以分为两大类：一是聚光空间太阳能电站概念，即采用聚光器将太阳光投射到太阳电池阵；另一种是非聚光空间太阳能电站概念，即利用旋转关节保持太阳电池阵列对日定向。对于太阳电池阵或聚光器对日定向的概念，具有发电波动较小、效率较高的特点。

非聚光空间太阳能电站代表为1979 SPS。系统配置相对简单，易于功率扩展。但也存在一些难题，特别是高功率传输和电源管理的挑战。主要技术特点包括：构型简单，太阳电池阵适合采用较轻的薄膜太阳电池；通过增加太阳电池阵列模块可容易实现功率的扩展；需要采用高功率旋转关节，维持太阳电池阵列指向太阳和发射天线指向地球；需要大量的输电电缆进行远距离、大功率的电力传输，并会产生更多的功率损耗。

聚光空间太阳能电站是空间太阳能电站发展的新方向，典型代表为ISC 系统，可大幅减少太阳电池的面积，显著降低电力管理和分配技术难度，但系统控制和热控制难度大。主要技术特点包括：采用聚光系统确保发射天线对地球定向的同时，入射太阳光可以反射到太阳电池表面；无须采用高功率导电旋转关节，而且很好地解决了长距离电力传输问题；采用高效率聚光电池，减小了电池阵的面积；增加了聚光系统，使得构型和控制变得复杂，系统难以扩展；高聚光比下系统的散热成为一个重要的问题，需要采用耐高温部件。

2.2 太阳能发电技术

太阳能发电技术是影响整个空间太阳能电站系统的效率、尺寸、质量和截面积的主要因素，重点是关注发电技术的发电效率、比功率和寿命（达到30年以上）。主要考虑太阳能光伏发电系统和太 阳能热动力发电系统。后者系统复杂，从未在空间中应用，不考虑作为主要候选方式。而光伏发电技术成熟，在空间应用超过50年；随着太阳能电池效率的逐步提高，光伏发电系统成为空间太阳能电站研究的主要选用方式。

光伏发电系统追求高的光电转化效率和高的功率/质量比。对于不同的空间太阳能电站概念方案，需要选取不同的太阳能光伏发电技术。通过分析多种SPS 概念，主要选择两种光伏电池：一是适用于非聚光空间太阳能电站系统的薄膜太阳电池，质量轻、效率高、可折展；另一种是适用于聚光空间太阳能电站的聚光用太阳电池，在2～5 倍聚光比下具有较高的效率，所需的太阳电池阵面积较小，如多结砷化镓太阳电池，国际上的应用目标使其光电转换效率达到45%以上。对于聚光太阳电池的应用，难点在于高性能的散热系统（如光谱选择性涂层）和高温性能好的太阳电池。

2.3 无线能量传输技术

无线能量传输技术是空间太阳能电站的关键技术，主要有微波无线能量传输技术（MPT）和激光无线能量传输技术（LPT）。两种传输技术的比较见表2。

表2 无线能量传输技术的比较Table 2 Comparison between two kinds of wireless power transmission technologies

微波无线能量传输技术是空间太阳能电站研究较多的传输方式，具有较高的转化和传输效率，在特定频段上的大气、云层穿透性非常好，技术相对成熟，波束功率密度低，且可以通过波束进行高精度指向控制，具有较高的安全性。但由于波束宽，发射和接收天线的规模都非常大，工程实现具有较大的难度，比较适合于超大功率的空间太阳能电站系统。

激光无线能量传输技术主要特点是传输波束窄、发射和接收装置尺寸小，应用更为灵活。通过合理选择频率，可以减小大气损耗，比较适合于中小功率的空间太阳能电站系统。难点在于大功率激光器技术成熟性较差，高指向精度实现难度大，存在较大的安全隐患。主要缺点是大气透过性差，传输效率受天气影响大。

2.4 电力管理与分配技术

作为超大功率系统，空间太阳能电站的电力管理与分配技术（PMAD）又是另一项关键技术。基于不同的概念方案，电力管理与分配方式总体分为集中式PMAD 和分布式PMAD。

集中式PMAD 需要将电能汇集到一个连接点（如高功率旋转关节），而集中的电能根据需求进行变换并传输分配到微波或激光装置，适合于非聚光空间太阳能电站概念，如1979 SPS、Sail Tower SPS 等。其优点是：通过大功率旋转关节集中供电，便于实现太阳电池阵的对日定向，可以保证整个系统较高的效率；太阳电池阵的面积可以根据系统需求扩大。其缺点是：超大功率（GW 级）的空间导电旋转关节技术实现难度极大；太阳电池阵的电能传输到导电旋转关节需要非常远距离的传输导线，电力损耗大，所需导线非常重。

分布式PMAD 不需要将电能集中到一起，每个发电子阵产生的电能可以直接进行变换并分配到对应的微波或激光装置，主要用于三明治结构板，适合于聚光空间太阳能电站概念，如分布式绳系系统、集成对称聚光系统、任意相控阵空间太阳能电站等概念。分布式PMAD 无须大功率导电旋转关节，避免了单点失效，可以实现系统的高可靠性；其电力传输距离短，损耗小。

3 空间太阳能电站核心问题分析

空间太阳能电站作为一个巨大的空间系统，其主要技术特点是面积大、质量大、功率大，其发展所面临的核心问题包括以下几个方面。

1）降低系统面积

空间太阳能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；二是微波发射天线面积。对于发电部分，不论是否采用聚光的形式，提高太阳电池的光电转化效率是减少面积最有效的措施。对于聚光形式，聚光器的面积与太阳电池的发电功率和聚光效率直接相关，提高聚光效率可以有效减少聚光器的面积。对于微波发射天线，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

系统的质量主要集中在几个方面：空间太阳能电站主结构、太阳电池阵、能量转化装置及发射天线、电力管理及传输电缆等。减小系统质量应重点考虑：

· 降低单位面积的质量（减小太阳电池、聚光器、发射天线的面密度）；

· 降低结构、机构的质量（缩小结构体积，降低结构密度）；

· 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）；

· 提高转化效率，减小微波转化器件、电压变换设备的质量。

3）减小系统的收拢体积

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。重点考虑的技术包括：折叠展开桁架结构；充气式结构；折叠展开太阳电池子阵、聚光器、天线模块；收拢展开电缆等。

4）旋转机构问题

为了保证空间太阳能电站的高效率工作，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。由于空间太阳能电站体积、质量巨大，特别是功率巨大，给旋转机构设计带来很大的挑战。目前的空间太阳能电站概念方案设计一般考虑如下几种情况：

· 采用聚光方案。利用聚光器系统的旋转，可以取消大功率导电旋转关节。

· 采用微波反射方式。通过驱动微波反射器，可以替代大功率导电旋转关节。

· 采用无旋转机构的方式。使发射天线与电池阵相对位置固定，但会损失系统的效率。

5）提高运输发射能力

运输能力是制约空间太阳能电站发展的主要技术因素。不仅要求运载能够运输较大的质量，还要求有足够大的运输包络。考虑到大规模运载发射的难度及大幅降低成本的需要，可重复使用的轨道间转移器在电站建设中也是一个可选择方案。

6）在轨组装与维护的可实现性

受到运载质量和包络的限制，空间太阳能电站必须拆分成上千个模块，发射到轨道上进行在轨组装。如果采用航天员组装方式，风险较大；如果采用机器人组装方式，目前还缺乏能够在空间进行大规模组装的技术可行性。在轨组装与维护也是制约空间太阳能电站发展的主要技术因素。

7）环境可靠性与安全问题

当人们第一次接触到空间太阳能电站这一概念时，最关心的问题是安全问题，如高能束潜在的军事用途、巨大的卫星更易受攻击等。而事实上发展空间太阳能电站更关注的安全问题一是大型空间电站自身安全与环境可靠性问题，二是大功率无线能量传输中的长期环境影响问题（生态、经济活动）。

由于空间太阳能电站设计寿命达30年以上，而且其结构复杂，新技术应用多，如多母线超高压大功率电力系统、高效薄膜太阳电池阵以及大功率微波输能系统等，其空间环境可靠性都将是重大研究课题。

发展和应用空间太阳能电站技术的潜在环境影响已经被初步确定。许多的国际报告都分析了能量传输对于天文、大气、生物系统、电磁系统、地面利用、航天操作人员、静止轨道卫星等的影响[9]。虽然空间太阳能电站功率很大，而且电磁能量波束的物理基础是无法改变的，但地球同步轨道距离地面很远，波束会发散，而不是武器所需要的能量汇聚，即使汇聚比较弱的波束，也需要一个引导信号进行，同时也可以设计包含另外的失效保护机制。因此波束弥散在城市上空的可能性是很低的，即使发生，也是较安全的。当然，微波对于大气环境以及对于生态环境的影响需要开展长期的研究和监测。

4 空间太阳能电站关键技术发展建议

通过对于空间太阳能电站概念和核心问题的分析，初步提出空间太阳能电站发展所涉及的9 项关键技术及其研究重点[10]。

1）空间超大型可展开结构及控制技术

主结构用于支撑整个空间太阳能电站，考虑到姿态和轨道调整的要求，主结构应保持足够的刚度。同时，还要充分考虑在轨组装和在轨维护的需要。重点专业技术包括：

· 超长可展开桁架结构；

· 超大面积刚性板展开结构；

· 超大面积薄膜展开结构；

· 可重复使用对接机构；

· 空间超大型结构的姿态轨道控制技术。

2）空间高效太阳能转化及超大发电阵技术

提高系统的效率、降低质量，以及提高电压和使用寿命是空间太阳能发电技术的关键。需要发展高效率、空间环境适应性好的薄膜太阳电池，同时需要发展在轨展开的超大面积的柔性太阳电池阵。为了减小电力损耗，需要发展高压太阳电池阵技术。重点专业技术包括：

· 高效砷化镓薄膜太阳电池技术；

· 可组装超大柔性太阳电池阵技术；

· 高压太阳电池阵技术。

3）空间超大功率电力传输与管理技术

作为一个超大功率的空间系统，空间太阳能电站系统需要长达数十km 的电力传输电缆，为了减小损耗，需要采用超高电压。同时需要发展超大功率高效电压变换技术以及超大功率导电旋转关节技术等。重点专业技术包括：

· 超高压、大功率传输母线；

· 超大功率电压变换器；

· 超大功率导电关节；

· 空间超导输电技术。

4）无线能量传输技术

功率高、效率高、传输距离远和高精度方向控制是无线能量传输的主要技术特点，超过30年的寿命要求也对无线能量传输技术提出了很高的要求。重点技术包括：

· 大功率高效能量转化技术；

· 高效功率空间合成技术；

· 超大型空间天线技术；

· 高精度指向控制技术；

· 大功率高效激光器及指向控制技术；

· 高热流密度热控制技术。

5）轨道间转移技术及大功率电推进技术

为了降低运输到GEO 的成本，初步考虑采用重型运载将载荷运输到LEO，利用可在LEO 和GEO 间进行往返运输的轨道转移器将载荷运输到GEO。为了减少燃料消耗，需要发展大功率电推进系统，利用多个电推力器的组合实现大型电推进轨道转移器。重点技术包括：

· 大功率电推进技术；

· 大型轨道转移器技术。

6）空间复杂系统在轨组装及维护技术

空间太阳能电站作为一个宏大的长寿命系统，必须发展功能强大的在轨组装及维护技术，实现大规模的、复杂的在轨组装、在轨维护和燃料补给等。重点技术包括：

· 空间组装及维护技术；

· 空间机器人技术；

· 燃料补给技术；

· 空间支持系统；

· 空间原位3D 打印技术。

7）大型运载器及高密度发射技术

空间太阳能电站质量达到数千t 以上，再考虑其建设、维护所需的人员及货物运输需求，对于运输能力、运输频率、运输成本提出巨大的挑战。重点技术包括：

· 重型运载火箭技术；

· 可重复使用运载技术；

· 超高密度发射技术。

8）电站系统运行控制及地面接收管理技术

系统运行控制及地面运行管理主要包括两方面的内容：对整个空间系统状态信息的接收和处理以实现运行控制与健康管理；地面大功率电力的接收、调节、控制及入网技术等。重点技术包括：

· 天地一体化电站运行管理系统研究；

· 大型可组装式高效微波能量接收系统研究。

9）电站发展的基础材料和器件研究

为了实现空间太阳能的高效利用和传输，且大幅降低空间太阳能电站的整体质量、提高系统的寿命，空间太阳能电站发展需要相关基础材料和器件性能的极大提升。重点技术包括：

· 高效、高温能量转化（光/电、电/微波、电/光、微波/电、热/电）材料及器件；

· 超轻、高强度结构材料；

· 超轻、超低损耗导电材料。

5 结束语

空间太阳能发电站的建设是一项长远而复杂的工作，对于我国能源安全及航天工业发展具有重大意义。作为一个非常宏大的空间系统，其发展还存在许多核心技术难题，需要开展系统而持续的研究工作。我们期待通过集思广益，发挥各方力量，实现空间太阳能的大规模利用并造福人类。

（References）

[1]王希季, 闵桂荣.发展空间太阳能电站引发新技术产业革命[N].科学时报, 2011-12-07(A1)

[2]国家自然科学基金委员会, 中国科学院.未来中国学科发展战略——能源科学[M].北京:科学出版社, 2012

[3]庄逢甘, 李明, 王立, 等.未来航天与新能源的战略结合——空间太阳能电站[J].中国航天, 2008(7):36-39

[4]侯欣宾, 王立, 朱耀平, 等.国际空间太阳能电站发展现状[J].太阳能学报, 2009, 30(10):1443-1448 Hou Xinbin, Wang Li, Zhu Yaoping, et al.Summary of the international space solar power system[J].Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(10):1443-1448

[5]Hendriks C, Geurder N.Solar power from space:European strategy in the light of sustainable development, ESA EEP 03020[R], 2004-11

[6]Yuka Saito.Summary of studies on space solar power systems of Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), IAC-06-C 3.1.04[R], 2006

[7]Mankins J C.Space solar power:The first international assessment of space solar power:opportunities, issues and potential pathways forward[J].International Academy of Astronautics, 2011-10

[8]URSI SPS 国际委员会工作组.太阳能发电卫星白皮书:URSI SPS 国际委员会工作组报告[M].侯欣宾, 王立, 黄卡玛, 等, 译.北京:中国宇航出版社, 2013-03

[9]Space-based solar power:possible defense applications and opportunity for NRL contributions, NRL/FR/7650- 09-10, 179[R], 2009

[10]侯欣宾, 王立.未来能源之路:太空发电站[J].国际太空, 2014(5):70-79