在空间建设太阳能发电站

□ 侯欣宾

自从首颗人造地球卫星于1957年成功发射以来，人类就在不断扩展空间探索和空间应用的范围。目前航天器已经被广泛的应用于通信、遥感、导航和科学探测，作为主要的信息获取和信息传递的手段极大地改变了人们的生活方式。宇宙也是一个资源丰富的地方，能量资源和物质资源远远超过地球，空间资源利用成为人类开发利用太空的梦想，也是人类长期追求的目标。太阳能是地球空间最为丰富的资源，如果能够进行大规模开发利用，对于人类未来的可持续发展将具有重要的意义。

空间太阳能电站原理

太阳能是地球能够利用的最丰富、最持久、最清洁的能源，由于受到昼夜，大气和天气等的影响，地面太阳能能量密度波动大，需要配置大规模的蓄电装置才能保证供电的稳定。在空间利用太阳能，不受季节、昼夜变化等的影响，接收的太阳能稳定、能量密度高，约为每平方米1353瓦左右。同时，通过选取特定的电磁谱段，传输过程受到天气的影响很小，可以稳定地将能量传输到地面，适合于太阳能的大规模开发利用。在地球同步轨道99%的时间可以稳定接收太阳能，并能向地面固定接收站进行稳定的能量传输。从长远考虑，在空间利用太阳能资源有可能成为大规模能源供给的方式。开发利用地球同步轨道上的太阳能资源，为地面提供大规模供电的大型供电系统称为空间太阳能电站（SPS-Space Power Satellite或SSPS-Space Solar Power Station），也称为太空发电站。

建造空间太阳能电站的构想由美国科学家彼得·格拉赛先生于1968年提出。

空间太阳能电站主要包括三大部分：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。太阳能发电装置将太阳能转化成为电能。能量转换装置将电能转换成微波或激光（一般考虑采用微波），并利用发射装置向地面发送波束。地面接收系统接收空间传输的波束，通过转换装置将其转换成为电能接入电网。

空间太阳能电站概念方案

空间太阳能电站概念提出以后，引起了国际上的广泛关注，以美国、日本等为代表的多个国家对于空间太阳能电站开展了长期的研究工作，并且已经列入日本的航天发展规划，美国近几年也组织了空间太阳能电站国际竞赛。进入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、企业和个人都开始研究空间太阳能这种取之不尽的巨大空间能源。随着航天技术的发展，中国在近十年来也开始了在此领域的探索性研究工作。

空间太阳能电站作为一个空间资源利用系统，规模宏大，与传统的航天器设计存在很大的不同。国际上已经提出几十种空间太阳能电站概念方案，大致可以分为平台式空间太阳能电站、聚光式空间太阳能电站、重力梯度稳定空间太阳能电站三类。

平台式空间太阳能电站

平台式空间太阳能电站的概念与传统的通信卫星非常类似，将太阳能电池阵和微波发射天线相互旋转以保证在任意时刻的太阳能电池阵对日定向以及微波发射天线的对地定向。该方案控制相对简单，能够维持稳定的太阳能接收以及微波能量的传输，其最大的技术难点在于维持太阳能电池阵和微波发射天线间相互旋转的超大功率导电旋转关节。

1979年，美国设计完成第一个空间太阳能电站的系统方案，名为“1979 SPS基准系统”。该方案是一种典型的平台式空间太阳能电站，系统由50千米2巨型太阳电池阵和1千米直径的大型发射天线组成，两者通过巨大的导电旋转关节连接，质量约30000吨，无线能量传输采用2.45GHz微波，地面接收天线直径约为10千米，波束中心大约为23米瓦/厘米2，边缘为1米瓦/厘米2，单个系统的发电功率为5GW。该方案的提出成为后续多种概念方案研究的基础。

2014年，中国空间技术研究院的研究人员以简化平台式空间太阳能电站超大功率导电旋转关节难度为目标，提出一种多旋转关节空间太阳能电站概念（MR-SPS，Multi-Rotary Joint SPS）。电站由三大部分组成：太阳电池阵、微波发射天线、主结构，设计总质量接近10000吨，总长度达到11.8千米，发电功率为1GW。其中太阳电池阵由多个太阳电池子阵组成，太阳电池子阵与微波发射天线通过主结构进行连接。利用持续对日定向的多个相互独立的太阳电池子阵接收太阳能，电能通过多个独立的导电旋转关节传输到微波发射天线，以微波无线能量传输的方式向位于地面的接收天线进行能量传输。该方案实现了整体太阳电池阵的模块化设计，将单一的导电旋转关节转变为多个独立导电旋转关节，大幅降低了导电旋转关节的导电功率，消除了导电关节的单点失效问题，在太阳电池阵的设计方面是一个重大的进步。但是仍然需要远距离的电力传输，在千米尺度的发射天线方面仍需要创新的设计。

聚光式空间太阳能电站

聚光式空间太阳能电站是国际上近年来发展的重点，其主要技术特点是利用聚光系统和三明治结构（将太阳能发电、电源管理、微波转化发射集成为一体）的组合消除了平台式空间太阳能电站的大功率导电旋转关节和远距离电力传输问题，但是在大型聚光系统及其控制和高热流密度的热控问题上需要重大的技术突破。

2007年，美国提出一种二次聚光空间太阳能电站概念。该设计方案的最大特点是采用了二次聚光系统设计方案，利用大型聚光主镜和二次镜组成的聚光系统，通过对日指向控制实现在运行轨道各个方位能够将入射太阳光反射到聚光电池阵表面，聚光比大约为5个太阳常数。聚光电池阵与电源管理系统、微波转化系统和发射天线集成为三明治夹层结构，将太阳阵光伏发电以最短的路径传输到微波器件，转化为微波并发射，以保证系统的高效率。通过初步的分析，该方案的总体质量较平台式电站略轻，但是尺寸更大，控制复杂，三明治夹层结构温度高，聚光电池阵表面的太阳光照无法在一个轨道周期内保持均匀。

2012年，在美国航宇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）。该方案的核心思想还是聚光式空间太阳能电站，创新性的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分析），对于控制系统的压力大大减小。并采用了模块化的设计思想以降低技术难度、降低研制成本，整个系统的质量约为10000吨～12000吨。

重力梯度稳定空间太阳能电站

重力梯度稳定空间太阳能电站是一类技术上相对简化的概念方案。其最大特点是太阳电池阵与发射天线保持相对位置不变，整个系统采用重力梯度稳定的方式实现发射天线对地定向，无需进行太阳电池阵的对日定向控制。该种电站方案大大简化了系统控制的难度，但是最大的问题是无法实现连续的发电，所以无法向地面接收站进行连续供电，也就失去了空间太阳能电站最大的优势。

2001年，欧洲基于美国提出的太阳塔概念设计出太阳帆塔概念方案。太阳电池阵由数百个尺寸为150米×150米的太阳帆类的电池阵模块组成，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，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。中央缆绳垂直于地面，以保证末端的发射天线指向地球。典型的太阳帆塔方案的质量为2140吨，长度为15千米，发电功率为450MW。

2004年，为减小系统的复杂性和重量，日本提出了分布式绳系太阳能电站概念。其基本组成单元由尺寸为100米×95米的单元板和卫星平台组成，单元板和卫星平台间采用四根约10千米的绳系悬挂在一起。单元板为三明治夹层结构，每块单元板的总重约为42.5吨，微波能量传输功率为2.1MW。由25块单元板组成系统子板，由25块子板组成整个系统。典型的分布式绳系太阳能电站的质量为26600吨，长度为10千米，三明治夹层结构为2.5千米×2.375千米，发电功率为1GW。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、系统的扩展、组装和维护，是日本重点研究的方案。

发展空间太阳能电站的挑战

通过以上介绍，可以看出空间太阳能电站是一项宏大的工程，其规模远远超过人类研制的最大的航天器——国际空间站，因此空间太阳能电站的发展对于运输能力、空间技术和航天产业的发展提出很大的挑战，同时也面临着安全性、经济性等问题。

（1）空间太阳能电站对运载发射能力的挑战

发展空间太阳能电站，需要建立年发射上千吨载荷能力的天地运输系统，对于运载能力和发射能力带来巨大的挑战。单次运载发射能力应当比现有运载火箭高出一个数量级，达到上百吨，需要发展重型运载火箭；单次运载发射成本应当比现有水平降低一个数量级，将每千克发射成本降低到10000元人民币以下，需要发展可重复使用的新概念的低成本运载技术；年发射次数应当达到数百次以上量级，对于目前的发射场设施也提出了极大的考验。空间太阳能电站的最佳运行轨道为GEO轨道，需要发展低成本可重复使用的轨道间转移器，实现将载荷从LEO轨道运输到GEO轨道。

（2）空间太阳能电站对于在轨组装及维护能力的挑战

空间太阳能电站质量巨大、面积巨大，从尺寸和重量上都不可能采用整体发射的方式，必须分成单独的模块，分次发射到轨道进行在轨组装。电站的组装模块数量达到上千个，组装规模巨大，同时电站寿命达到30年以上，必须发展高效率、低成本的在轨组装及维护技术。如果采用航天员参与的方式，将需要发展GEO轨道空间站。如果采用机器人组装方式，将需要发展高度自主的、功能强大的空间组装机器人。同时需要建立一个功能强大的空间支持系统，用于电站的在轨构建、维护和补给等。

（3）空间太阳能电站对于传统航天器研制模式的挑战

空间太阳能电站研制的工程量巨大，为了实现商业化和低成本，从材料、器件、部组件到系统的生产必须形成产业化和规模化，改变目前航天器的小批量研制的高成本、低效率模式，从而大幅提升效率、提高产能、降低成本。发展空间太阳能电站对于传统的航天器研制模式是一个巨大的挑战，有可能极大地改变航天基础工业发展模式，并吸引大量商业资本的进入，真正实现航天领域的产业化和商业化发展。

（4）空间太阳能电站发展的环境安全性问题

空间太阳能电站作为一个能量传输系统，其安全性受到了很大关注。根据目前的设计，由于能量传输距离远（36000千米），根据微波传输特性，实际接收天线的能量密度还是比较低的。以目前典型的1GW系统为例，微波频率为5.8GHz，发射天线直径为1千米，接收天线直径为4.5千米，则接收天线中心的最大微波能量密度约为27mW/cm2，接收天线边缘微波能量密度约为1mW/cm2，已经处于比较安全的范围。同时，为了防止波束偏离造成的危害，需要设置一定的安全区。而对于飞机等飞行器，虽然穿越波束的时间非常短，但还是有可能对于飞行安全造成影响，微波传输区域有可能会设为禁飞区。当然，微波对于大气环境以及对于生态环境的影响仍需要开展长期的研究和监测。

（5）空间太阳能电站发展的经济性问题

经济性是制约空间太阳能电站发展的最主要因素之一。由于系统规模巨大，整个系统建设和运行全周期的投资规模巨大，主要包括电站的研制成本、运输成本、运行维护成本等。考虑到现有航天器的研制、发射和运行成本，在新概念、新技术应用和大规模商业化发展之前，其收益将无法补偿整个系统的建造和运行成本。所以需要大幅提升技术水平，并且实现规模化建设，全面降低研制、运输、建设和维护成本，将成本至少降低一个数量级以上，空间太阳能发电有可能在未来的新能源市场占据重要的地位。

空间太阳能电站的长远发展规划

2012年，国际宇航科学院发布《空间太阳能电站——第一次国际评估：机遇、问题及可能的发展途径》报告。分析了空间太阳能发电在应对未来对于快速增长的可再生能源需求方面可能扮演的角色，并且评估了与空间太阳能电站概念相关的技术成熟度和技术风险，最终形成一份发展路线图报告。该报告提出了空间太阳能电站未来的发展路线图建议，作为各国发展空间太阳能电站的参考。

2009年，日本宣布以三菱公司为主的集团将在2030-2040年间建设世界第一个GW级商业SPS系统，总投资额将超过200亿美元。根据日本于2011年提出最新SPS发展路线图，拟通过研究、研发和商业三个发展阶段在2040年左右建设商业SPS系统。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，并且作为三个国家长期支持的重点研究领域之一（其它两个为空间科学和深空探测领域、载人空间活动领域）。

从空间太阳能发电长远的发展来看，利用月球资源在月球表面建立太阳能电站，实现向地球的输电也许是一种更好的方式。月表太阳光照条件稳定，不存在空气和水汽的影响。而且月球力学条件稳定，不会受到天气、地震活动和生物过程的影响，非常适合于大面积太阳能发电。同时，月球资源十分丰富，月尘和岩石材料包含了至少20%的硅、40%的氧、10%的金属，可以直接通过月球原位资源利用生产所需的太阳电池、导线、结构部件、微波部件等，适合于开展太阳能电站的建设。2009年，日本提出一种称为月亮环的月球太阳能电站概念。通过在月球表面建立一条太阳能发电带，通过面向地面的天线实现连续的电力供给。

大规模空间资源利用是人类未来空间探索的目标之一。空间太阳能电站作为空间能源大规模利用的手段有可能成为空间资源利用的第一步，也将为人类长期的空间资源利用活动的开展奠定基础。

航天领域的快速发展为空间太阳能电站的发展带来很好的机遇。但是空间太阳能电站规模宏大，其商业化建设还需要几十年的时间，对于航天技术的发展提出了很大的挑战，将吸引激励年轻一代投身于航天事业，实现人类探索利用宇宙的梦想。