天基太陽能電站概述

劉 豪（北京空間科技信息研究所）

□□天基太陽能電站（SBSP）是設想在地球外層空間收集太陽能，將其轉化為電能，并通過無線手段傳輸?shù)降孛娴囊环N天基能源供應系統(tǒng)。隨著能源緊張日益加劇，全球環(huán)境問題越來越引起各國的重視，建造SBSP的呼聲也越來越高。美國、日本、歐洲、俄羅斯、加拿大等國家或地區(qū)已在SBSP戰(zhàn)略規(guī)劃和技術研究方面開展了大量工作，其中以美國、日本最為突出，而印度也開始關注這一領域的發(fā)展動向。

1 系統(tǒng)組成

SBSP系統(tǒng)由空間段（SBSP衛(wèi)星）和地面段（能量接收站）組成?？臻g段包括三個功能部分，即將太陽能轉換成電能的收集器、將電能轉換成微波的轉換器以及將微波傳送到地面的大型天線陣。典型設計的SBSP衛(wèi)星運行在地球靜止軌道上（個別方案設計是在中地球軌道上），可24h不間斷地收集太陽能。衛(wèi)星長達數(shù)千米，電能被轉換成頻率為2.45GHz或5.8GHz的微波發(fā)送到地面，功率高達數(shù)吉瓦。地面段是一個大型的整流天線陣列，用于接收微波能量并轉換成電能。電能經(jīng)過適當處理后，由地面電網(wǎng)傳送。

2 幾種方案模型的比較

在衛(wèi)星的設計方案上，美國航空航天局（NASA）提出了SBSP基準系統(tǒng)、中地球軌道太陽塔、太陽盤、算盤反射器和集成對稱集中器等多種模型，日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）提出了JAXA系列模型（最新的是JAXA 2004），日本無人宇宙試驗自由飛行器研究所（USEF）提出了系繩式模型，德國航空航天研究院（DLR）代表歐洲航天局（ESA）提出了帆塔模型。

SBSP系統(tǒng)方案模型比較

NA SA中地球軌道太陽塔模型

日本USEF系繩式模型

3 關鍵技術

SBSP的關鍵技術主要包括5個方面。

低成本發(fā)射和運輸技術SBSP衛(wèi)星采用分段發(fā)射方式，首先由一次性運載火箭或可重復使用運載器把組件送入低地球軌道，然后利用電推進軌道轉移器（OTV）送入地球靜止軌道，并完成整體結構的裝配。由于SBSP衛(wèi)星的質量高達1萬噸，需要進行若干次發(fā)射，因此開發(fā)低成本的運載器成為降低SBSP系統(tǒng)總體成本的重要環(huán)節(jié)。

在軌裝配及機器人技術 早期的SBSP系統(tǒng)實施方案是采用大量人力進行在軌裝配，隨著機器人技術的飛速發(fā)展，后續(xù)提出的方案均采用自主裝配或機器人輔助裝配的技術。JAXA已經(jīng)在這一領域成功開展了地面演示驗證工作。

日本地面機器人裝配試驗

無線能量傳輸技術 近年來，這一技術已成為熱門研究領域，主要包括微波傳輸和激光傳輸兩種方式。由于激光傳輸方式受云層影響較大，因此SBSP系統(tǒng)主要采用微波傳輸方式，傳輸頻率為2.45GHz或5.8GHz。在2007－2009年，美國、日本均在地面開展了多次微波傳輸試驗并獲得了成功，但這一技術距離實際應用還有很大差距。

衛(wèi)星熱控技術 最新的SBSP方案模型都采用了太陽能集中器，并采用微波夾層式系統(tǒng)模塊太陽電池來減少電線連接，這也導致了比較嚴重的熱控問題。NASA曾提出在太陽電池背面安裝大型熱輻射板，日本則提出可以覆蓋有波長選擇功能的表面來減少熱量輸入。

大型結構與機構技術 SBSP衛(wèi)星是一個巨大的天基系統(tǒng)，各模塊之間主要采用機械式連接，因此整體的姿態(tài)與結構穩(wěn)定性不容忽視。美國麻省理工大學Ryan M. McLinko等人提出了利用分布式星群實現(xiàn)天基太陽能發(fā)電的構想。該構想是利用若干顆分布式衛(wèi)星組成小星群，再由若干個小星群組成整個收集太陽能的大星群系統(tǒng)。在每個小星群中都包括一顆分波束衛(wèi)星，它能把收集到的能量傳輸給整個系統(tǒng)的主波束衛(wèi)星，再由主波束衛(wèi)星傳向地面。這種方案如果可行的話，將避免構建大型衛(wèi)星的各種結構與機構難題，但需要解決構建大型星群的技術問題。

除了上述關鍵技術，其他技術還包括模塊化技術、波束控制技術、電能管理與分配技術等。

4 國外發(fā)展

2007年10月，美國國防部國家安全空間辦公室發(fā)布了名為《天基太陽能電站為戰(zhàn)略安全提供機遇》的研究報告。該報告提出了美國天基太陽能發(fā)電的技術驗證系統(tǒng)路線圖，計劃在2011年完成初始技術集成和地面驗證，2013年完成100～300千瓦級低軌飛行驗證和支撐性飛行試驗，2016年完成60～100兆瓦級地球靜止軌道試驗驗證。2008年5月，NASA科學家在夏威夷2個相距148km的島嶼之間進行了無線能量傳輸試驗，盡管試驗的功率只有20W，接收到的能量也很微小，但這一地面試驗證明在大氣環(huán)境中無線能量傳輸是可行的。

據(jù)媒體報道，JAXA計劃在2015年發(fā)射一顆小型衛(wèi)星，演示驗證天基太陽能發(fā)電，并期望在2030年正式構建一個天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)。