国际空间太阳能电站领域的最新进展

侯欣宾（钱学森空间技术实验室）

1 引言

1968年，美国的彼得·格拉赛博士首次提出发展空间太阳能电站的具体构想。全世界在此领域开展的相关研究工作已经持续了超过50年，投入较大规模的经费和人员进行了长期的研究。期间曾经历了几次快速发展期，也经历了一定的发展停滞。美国在20世纪70年代末和90年代末曾组织开展了两次较大规模的研究工作。2015年，诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman）投入1750万美元，委托加州理工学院（CalTech）开展空间太阳能电站相关技术研究。日本从20世纪80年代开始开展了持续的研究工作，特别在无线能量传输技术方面处于世界领先。我国从2006年开始了空间太阳能电站的研究，在系统方案和部分关键技术方面取得重要进展，成为国际关注的重点。韩国从2018年也启动了空间太阳能电站领域的研究项目，并提出初步的发展计划。目前，空间太阳能电站的研究重心主要在亚洲，中国、日本和韩国成为推动空间太阳能电站发展的核心力量。

第二届韩国空间太阳能电站国际研讨会参会人员合影

2 国际空间太阳能电站研讨会回顾

第一届韩国空间太阳能电站国际研讨会

2017年11月6日，韩国空间太阳能电站研究协会（Korea Research Society for Space Based Solar Power）和韩国工程院机械工程委员会联合组办了“第一届韩国空间太阳能电站国际研讨会”，会议地点在韩国国会大厦，参加人员约40人，包括2名国会议员和众多重要研究机构领导人和大学教授。会议邀请了中国和日本专家介绍了中日在空间太阳能电站方面的研究进展。

日本空间太阳能电站学会年会

2018年11月6日，日本空间太阳能电站学会年会在京都大学宇治校区的生存圈研究所召开，会议主席为世界著名无线能量传输专家Naoki Shinohara教授，参加人员约40人，包括日本空间太阳能电站研究的主要机构研究人员和大学教授。会议首次邀请中国和韩国专家参加，分别介绍了中韩在空间太阳能电站方面的研究进展。日本空间太阳能电站学会会长Hiroshi Matsumoto教授主持会议，并致开幕词。

第二届韩国空间太阳能电站国际研讨会

2019年2月16日，韩国空间太阳能电站研究协会和韩国宇航研究院（KARI）在韩国国会大厦联合组办了“第二届韩国空间太阳能电站国际研讨会”，会议规模扩大到约100人，参会人员包括了韩国执政党现任主席、前总理李海瓒和三位国会议员等多位政要，以及现任KARI院长Cheol-Ho Lim等韩国科技界重要人员，凸显了韩国对此领域的重视程度。此次研讨会上，韩国提出了空间太阳能电站未来十年发展计划建议，并且首次展示了韩国提出的空间太阳能电站概念。会议邀请了中国、日本、美国和英国的5位专家参加会议，分别介绍了中国、日本、美国和英国在空间太阳能电站领域的研究进展。

K-SSPS主要参数

韩国空间太阳能电站2020－2029年发展计划建议

K-SSPS在近地轨道状态

3 韩国空间太阳能电站发展现状

韩国从2016年开始关注空间太阳能电站的发展。2017年，韩国建立了空间太阳能电站研究协会，作为一个非政府组织，由国会议员、前科学技术部副部长、韩国总统顾问、研究机构院长、大学校长和教授、研究员等组成，形成“官产学研”组织，致力于推动空间太阳能电站在韩国的发展，协会主席为KARI前院长Seung-Jo Kim教授，共同主席为国会议员Sang-Min Lee。

在2017年第一届国际研讨会之后，韩国组织开展第一阶段的研究工作，研究周期从2018年4月到2019年3月，主要开展空间太阳能电站的概念和发展规划的初步研究。在2019年2月召开的第二届国际空间太阳能电站研讨会上，介绍了韩国空间太阳能电站在未来十年的发展计划建议。该计划分为三个阶段。第一阶段将开展空间太阳能电站相关关键技术的研究；第二阶段将开展用于小卫星间无线能量传输验证的技术地面试验，并开始研制小卫星；第三阶段将发射2颗小卫星开展空间无线能量传输技术验证。韩国的空间太阳能电站研究工作主要由韩国宇航研究院和韩国电子技术研究院（KERI）负责。

在第二届研讨会上，KARI首次展示了韩国的空间太阳能电站概念方案K-SSPS。该方案属于传统的非聚光电站方案，设计发电功率为2GW，整个系统效率设计为13.5%。系统采用面积达到10.8km2的铜铟镓硒（CIGS）柔性太阳电池阵，包括4000个可独立的可卷绕式展开的太阳电池阵模块。结构的中央为边长为1km的正方形发射天线，微波频率为5.8GHz，接收天线直径约为4km。整个系统将在近地轨道进行组装，之后整体利用电推进系统运输到地球静止轨道。在近地轨道，只有部分的太阳电池阵展开，用于为电推进系统供电。达到地球静止轨道后，所有的太阳电池阵展开，整个发电系统开始工作。

日本开展的无人机微波无线能量传输验证

4 日本空间太阳能电站发展现状

日本的空间太阳能电站研究主要包括两个支持渠道，一个是通过经济产业省（METI）主要支持无人宇宙实验系统研究开发机构（USEF）的研究工作，2012年变更为日本宇宙系统开发利用机构（JSS），主要针对绳系太阳能电站概念开展研究。另一个渠道是通过文部科学省（MEXT），主要支持日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）开展工作，主要研究方案是聚光型电站方案和太阳光直接激光泵浦电站方案。JAXA目前的研究重点主要包括微波无线能量传输技术、激光无线能量传输技术和大型空间结构装配技术。JAXA提出利用微波无线能量传输技术为不同高度的飞艇进行供电的验证建议，以及利用激光无线能量传输技术用于月球阴影区的月球车供电设想，并考虑将大型空间结构装配技术应用于GEO SAR卫星天线。

2015年，JSS成功组织开展了地面55m距离的基于反向波束控制技术的高精度无线能量传输验证。经过改进的该项技术计划被用于在2019年3月进行的无人机微波无线能量传输验证。

2017年，JSS提出更新的空间太阳能电站发展路线图，以绳系空间太阳能电站发展为目标，分为地面验证和空间验证两大阶段，对应提出了一系列以微波无线能量传输为主的验证项目，并将GW商业电站的发展时间从2009年提出的2030年推迟到2050年。该路线图主要提出的验证项目包括：

1）验证项目一：2018－2019年，50m级垂直方向微波无线能量传输（WPT）波束控制技术验证。利用无人机安装接收整流天线，通过改变位置以及波束测量验证反向导引波束控制技术的有效性，将采用2015年地面验证的发射天线进行能量传输，频率为5.8GHz，发射功率1.8kW，传输距离50m，接收电功率约60W。

2）验证项目二：2023－2025年，千米级垂直方向微波无线能量传输技术验证。利用直升机携带三明治结构板进行空间-地面的微波无线能量传输，重点验证远距离波束控制技术的有效性，同时验证轻型三明治结构技术，并且评估无线能量传输的电磁兼容性。频率为5.8GHz，发射功率1kW，传输距离1km以上，三明治结构天线板尺寸为2m×2m。

3）验证项目三：2030年，低轨到地面的微波无线能量传输技术验证。利用运行于低轨的小卫星安装三明治结构板，开展空间到地面的微波无线能量传输验证。主要验证空间-地面能量传输反向导引波束控制技术、空间三明治结构板在轨展开技术，并评估微波能量传输与电离层的相互作用。卫星轨道高度约300km，三明治结构板尺寸为1.5m×1.5m，发射功率数级，由于与地面接收站的可见性，单次有效传输时间约为5s。

4）验证项目四：2035年，GEO到地面的微波无线能量传输技术验证。发射绳系太阳能电站三明治结构的1/4单元进入GEO轨道，开展空间到地面的连续微波无线能量传输验证。主要验证大尺度三明治结构的在轨展开和组装、GEO轨道-地面能量传输反向导引波束控制技术。频率为5.8GHz，发射功率500kW，三明治结构天线板尺寸为50m×48m，质量约为 15t。

日本2017年更新的空间太阳能电站发展路线图

5）验证项目五：2040年，GEO三明治结构单元的微波无线能量传输技术验证。发射一个绳系太阳能电站三明治结构单元进入GEO轨道，开展空间到地面的连续微波无线能量传输验证。主要验证大尺度三明治结构的在轨展开和组装、GEO轨道-地面能量传输反向导引波束控制技术。频率为5.8GHz，发射功率2MW，三明治结构天线板尺寸为100m×96m，质量约为60t。

5 其他国家发展现状

2015年，美国的诺思罗普·格鲁曼公司委托加州理工学院开展新型空间太阳能电站技术研究，提出一种称为“微波蠕虫”（Microwave Swarm）的电站概念。其基本单元是称为瓦片的由薄膜聚光镜、高效太阳能电池和发射天线组成的10cm×10cm结构。多个瓦片单元组成1.5m宽的柔性条带组件。多个条带组件按照太阳帆的模式折叠成60m×60m的一个基本航天器单元，包含3×105个瓦片单元。最终由2500个基本航天器单元形成一个3km×3km的GW级电站。

2017年，英国的Ian Cash在WISEE2017会议上提出一种新型的空间太阳能电站方案，名为“恒定口径固态集成轨道相控阵” (CASSIOPeiA)。采用多层结构组成类似于生物学DNA的双螺旋结构，并且在层与层之间采用了特殊的可以在360°方向控制波束的特殊天线设计，在不采用旋转部件的情况下实现在轨道周期内太阳电池持续接收太阳光照，同时微波发射天线持续对地进行能量传输。

CASSIOPeiA设计成一个异型曲面结构，结构直径约为1.43km。太阳能收集部分采用了基于菲涅耳透镜和科勒光学系统的局部聚光系统，一方面为了提高光电转化效率，另一方面可以节约太阳电池的用量。如采用目前的四结砷化镓电池技术，在508个太阳常数光照下可以达到46%的效率。在整个系统的上方和下方各布置一套聚光系统。聚光系统与电站主体结构保持固定连接，聚光系统维持对日定向，并且将太阳光从上下两个方向向电站主体结构进行反射，反射光到达每一层结构的上下表面，可照射到太阳光的表面均安装局部聚光系统和太阳能电池，产生的电力直接传输到对应部位的微波发射天线。

CASSIOPeiA的概念效果图和结构示意

6 总结

空间太阳能电站概念提出已经超过50年，作为一个颇具前景的能够提供新能源的巨大空间系统，其对空间技术的带动作用对于各主要航天国家具有很大的吸引力，得到了各国的长期关注和研究。20世纪空间太阳能电站的研究重心主要在美国和日本。现阶段，空间太阳能电站的研究重心主要集中在亚洲，在各国航天部门和政府的支持下，中国、日本和韩国正在成为推动空间太阳能电站发展的核心力量。