未來(lái)能源之路—太空發(fā)電站

侯欣賓 王立（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）

未來(lái)能源之路—太空發(fā)電站

太陽(yáng)是地球和整個(gè)太陽(yáng)系取之不盡、用之不竭的核心能源系統(tǒng)。在地面上利用太陽(yáng)能，因受到大氣的吸收和散射、云雨的衰減，以及季節(jié)、晝夜更替的影響，能量密度變化巨大，很不穩(wěn)定。在地球同步軌道，由于太陽(yáng)光線不會(huì)被大氣減弱，也不受季節(jié)、晝夜變化的影響，陰影期很短，所以在99%的時(shí)間內(nèi)可穩(wěn)定接收太陽(yáng)輻射，平均約為1353W/m2，是地面的6倍以上，且可以實(shí)現(xiàn)空間向地面進(jìn)行能量的定點(diǎn)傳輸，是理想的建設(shè)太空發(fā)電站的位置。有效利用此軌道上的太陽(yáng)能，將可以為人類(lèi)提供優(yōu)質(zhì)的、巨大的清潔能源。

1 太空發(fā)電站的發(fā)展背景

太空發(fā)電站一般也稱(chēng)為空間太陽(yáng)能電站（SPS或SSPS）,它是指在空間將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)無(wú)線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。建造太空發(fā)電站是開(kāi)發(fā)利用空間資源的重要手段，其整體構(gòu)想最早由美國(guó)科學(xué)家彼得·格拉賽（Peter Glaser）于1968年提出。

太空發(fā)電站核心組成包括三大部分：太陽(yáng)能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置、地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。太陽(yáng)能發(fā)電裝置用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能；能量轉(zhuǎn)換裝置用于將電能轉(zhuǎn)換成微波或激光等形式（激光也可以直接通過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化），并利用發(fā)射裝置向地面發(fā)送波束；地面接收系統(tǒng)用于接收空間傳輸?shù)牟ㄊ?，通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成電能接入電網(wǎng)。整個(gè)過(guò)程將經(jīng)歷太陽(yáng)能－電能－微波（激光）－電能的能量轉(zhuǎn)變過(guò)程。

太空發(fā)電站示意圖

作為一種很有前景的可再生能源系統(tǒng)概念，太空發(fā)電站得到各航天大國(guó)的廣泛關(guān)注。相對(duì)于地面太陽(yáng)能電站，由于不受晝夜和天氣的影響，太空發(fā)電站可以連續(xù)工作，太陽(yáng)能利用效率高，同時(shí)在地面應(yīng)急供電、減災(zāi)、空間供電、行星探測(cè)等方面也具有重要的應(yīng)用前景。但目前其技術(shù)還很不成熟，在成本方面具有明顯的劣勢(shì)。國(guó)外提出發(fā)展太空發(fā)電站構(gòu)想已經(jīng)超過(guò)40年，但真正實(shí)現(xiàn)還需要幾十年的時(shí)間。從20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著世界能源供需矛盾和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日益突出，以美國(guó)和日本為主的發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展了廣泛的太空發(fā)電站技術(shù)研究，目前已經(jīng)提出幾十種概念，并且在無(wú)線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)方面開(kāi)展重點(diǎn)研究。近年來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電效率、微波轉(zhuǎn)化效率以及相關(guān)的航天技術(shù)都取得了很大進(jìn)步，為未來(lái)太空發(fā)電站的發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。但太空發(fā)電站作為一個(gè)非常宏大的空間系統(tǒng)，需要開(kāi)展系統(tǒng)的研究工作，在許多技術(shù)方面有待取得突破性進(jìn)展。

2 國(guó)外太空發(fā)電站發(fā)展現(xiàn)狀

太空發(fā)電站的廣泛應(yīng)用前景已引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。21世紀(jì)以來(lái)，隨著世界能源價(jià)格的不斷攀升和環(huán)境的日益惡化，越來(lái)越多的國(guó)家、組織、企業(yè)和個(gè)人，包括軍方都開(kāi)始關(guān)注空間太陽(yáng)能這種取之不盡的巨大空間能源。

美國(guó)

美國(guó)在太空發(fā)電站概念提出后不久，以能源部和美國(guó)航空航天局（NASA）為主的政府部門(mén)投入大量的研究經(jīng)費(fèi)（4年間投入約5000萬(wàn)美元）進(jìn)行太空發(fā)電站系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)研究，并且提出單個(gè)電站發(fā)電能力達(dá)到5GW的方案—“1979太空發(fā)電站基準(zhǔn)系統(tǒng)”。后來(lái)，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性問(wèn)題，以及核能項(xiàng)目和星球大戰(zhàn)等計(jì)劃的影響，后續(xù)十多年未開(kāi)展大規(guī)模的研究工作。

1995年，美國(guó)啟動(dòng)了18個(gè)月的重新評(píng)估太空發(fā)電站可行性的研究—“Fresh Look”研究計(jì)劃，提出了多種新型太空發(fā)電站概念方案（太陽(yáng)塔、太陽(yáng)盤(pán)等）。1999年，美國(guó)航空航天局開(kāi)展了“空間太陽(yáng)能探索性研究和技術(shù)”（SERT）計(jì)劃，耗資2200萬(wàn)美元，提出了集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)和算盤(pán)式太空發(fā)電站等新概念，并且提出了太空發(fā)電站技術(shù)研究發(fā)展路線圖建議，相關(guān)研究工作經(jīng)過(guò)了美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)的評(píng)估，認(rèn)為太空發(fā)電站在技術(shù)上是可行的。2003年，由美國(guó)航空航天局負(fù)責(zé)開(kāi)展、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）參與了太空發(fā)電站方案與技術(shù)成熟化計(jì)劃（SCTP）。2007年4月，國(guó)防部國(guó)家安全空間辦公室（NSSO）成立了太空發(fā)電站研究組，組織國(guó)防部、美國(guó)航空航天局、能源部、學(xué)術(shù)界以及航天、能源等相關(guān)工業(yè)部門(mén)的170多位專(zhuān)家參與研究完成“太空發(fā)電站—戰(zhàn)略安全的機(jī)遇”研究報(bào)告，引發(fā)新一輪太空發(fā)電站研究熱潮。2009年，美國(guó)太平洋天然氣與電力公司（PG&E）宣布，正式向Solaren公司購(gòu)買(mǎi)200MW的空間太陽(yáng)能電力，成為首個(gè)空間供電商業(yè)合同。2012年，在美國(guó)航空航天局創(chuàng)新概念項(xiàng)目支持下，提出了一種新的概念方案—任意相控陣太空發(fā)電站。

美國(guó)SERT太空發(fā)電站發(fā)展路線圖

日本

日本是開(kāi)展太空發(fā)電站技術(shù)研究較早的國(guó)家之一，也是積極開(kāi)展空間太陽(yáng)能發(fā)電研究的最主要國(guó)家。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本就開(kāi)始進(jìn)行了廣泛的研究。90年代起組織了15個(gè)專(zhuān)題研究組，陸續(xù)推出太空發(fā)電站2000、太空發(fā)電站2001、分布式繩系太空發(fā)電站系統(tǒng)等概念，并且在無(wú)線能量傳輸技術(shù)研究和試驗(yàn)（包括火箭搭載試驗(yàn)）方面處于世界領(lǐng)先地位，在世界上首次完成電離層無(wú)線能量傳輸（WPT）火箭試驗(yàn)和空間機(jī)器人帕興網(wǎng)狀天線試驗(yàn)。

2004年，日本正式將發(fā)展太空發(fā)電站列入國(guó)家航天長(zhǎng)期規(guī)劃。在經(jīng)產(chǎn)省和日本宇宙研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的支持下，以無(wú)人空間飛行研究機(jī)構(gòu)、三菱公司、石川島播磨重工宇航公司、清水建設(shè)集團(tuán)、京都大學(xué)、東京大學(xué)、神戶(hù)大學(xué)等為代表的國(guó)家研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和高校，形成“官產(chǎn)學(xué)”聯(lián)合研究的模式。2009年，日本宣布以三菱公司為主的集團(tuán)將在2030－2040年建設(shè)世界上第一個(gè)吉瓦級(jí)商業(yè)太空發(fā)電站系統(tǒng)，總投資額將超過(guò)200億美元。根據(jù)2013年日本最新公布的航天基本計(jì)劃，空間太陽(yáng)能發(fā)電研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目列入七大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，并且作為3個(gè)國(guó)家長(zhǎng)期支持的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一（其他2個(gè)為空間科學(xué)和深空探測(cè)領(lǐng)域、載人空間活動(dòng)領(lǐng)域）。日本提出的最新太空發(fā)電站發(fā)展路線圖包括3個(gè)階段：

第一階段：研究階段，2020年前完成千瓦級(jí)地面無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)，2020年開(kāi)展低軌無(wú)線能量傳輸驗(yàn)證及百千瓦級(jí)系統(tǒng)驗(yàn)證。

第二階段：研發(fā)階段，2030年前研發(fā)2～200兆瓦級(jí)系統(tǒng)，200MW系統(tǒng)為商業(yè)系統(tǒng)的1：5縮比模型，是最后一個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)。

第三階段：商業(yè)階段，2035年左右實(shí)現(xiàn)1GW商業(yè)系統(tǒng)。

日本太空發(fā)電站發(fā)展路線圖

其他國(guó)家和組織

世界其他各主要航天國(guó)家，包括歐洲航天局（ESA）、俄羅斯、印度、加拿大等國(guó)家和組織都在開(kāi)展相關(guān)研究工作。歐洲在1998年開(kāi)展了“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)研究”計(jì)劃，提出了名為“太陽(yáng)帆塔”（Sail Tower SPS）的概念設(shè)計(jì)。2002年8月，歐洲航天局先進(jìn)概念團(tuán)隊(duì)組建了歐洲太空發(fā)電站研究網(wǎng)。2010年，歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司宣布，正在論證一個(gè)大型太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星驗(yàn)證項(xiàng)目，將采用激光無(wú)線能量傳輸方式。2012年，俄羅斯專(zhuān)家也提出了新型的基于激光無(wú)線能量傳輸?shù)闹欣^式太空發(fā)電站概念，并提出分階段的發(fā)展路線建議。2010年，美國(guó)、印度發(fā)表聯(lián)合報(bào)告“卡拉姆-國(guó)家空間協(xié)會(huì)能源技術(shù)全球倡議”，將發(fā)展太空發(fā)電站作為美印戰(zhàn)略合作的一個(gè)重要方向。

相關(guān)國(guó)際組織也積極開(kāi)展太空發(fā)電站相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟于2007年正式發(fā)表了《太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星白皮書(shū)》。2011年10月，國(guó)際宇航科學(xué)院（IAA）研究報(bào)告《太空發(fā)電站—第一次國(guó)際評(píng)估：機(jī)遇、問(wèn)題以及可能的前進(jìn)路線》正式出版。

21世紀(jì)以來(lái)，更多的國(guó)家開(kāi)始關(guān)注并開(kāi)展太空發(fā)電站相關(guān)的研究工作。但由于系統(tǒng)規(guī)模巨大，需要的技術(shù)跨越性極大，真正商業(yè)意義電站的實(shí)現(xiàn)還需要幾十年的時(shí)間。作為一個(gè)巨大的空間工程，太空發(fā)電站對(duì)于國(guó)家能源安全和技術(shù)的革命性發(fā)展都有重大的意義，但需要一個(gè)協(xié)調(diào)的國(guó)家級(jí)甚至國(guó)際級(jí)的發(fā)展計(jì)劃和規(guī)劃。

典型太空發(fā)電站概念

1）1979 太空發(fā)電站基準(zhǔn)系統(tǒng)。它是第一個(gè)太空發(fā)電站系統(tǒng)方案，以全美國(guó)50%的發(fā)電量為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由美國(guó)在1979年完成。其設(shè)計(jì)方案為在地球靜止軌道（GEO）上布置60個(gè)發(fā)電能力各為5GW的發(fā)電衛(wèi)星?？紤]到微波對(duì)于生物的影響，該設(shè)計(jì)方案中微波波束到達(dá)地面時(shí)的功率密度在波束中心大約為23mW/cm2，邊緣只有1mW/cm2。

2）集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)。美國(guó)航空航天局在20世紀(jì)90年代末的SERT研究計(jì)劃中提出了新一代的集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。采用了位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽(yáng)能反射到2個(gè)位于中央的光伏陣列。聚光器面向太陽(yáng)，桅桿、電池陣、發(fā)射陣作為一體，旋轉(zhuǎn)對(duì)地。聚光器與桅桿間相互旋轉(zhuǎn)維持每天的軌道變化和季節(jié)變化。

每個(gè)聚光器由36面平面鏡組成，直徑為455.5m，表面平面度為0.5°，鏡面反射率為0.9，鏡面為0.5mm的Kapton材料，依靠一個(gè)環(huán)形可膨脹環(huán)和一個(gè)可膨脹背板支撐，安裝在聚光器結(jié)構(gòu)上，形成主鏡。桅桿長(zhǎng)6373m，主鏡尺寸為3559m×3642m。

1979太空發(fā)電站基準(zhǔn)電站構(gòu)型示意圖

1979 太空發(fā)電站基準(zhǔn)系統(tǒng)主要參數(shù)

集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)

太陽(yáng)電池陣的平均聚光率大約為4.25，考慮采用量子點(diǎn)技術(shù)，陣列效率可達(dá)到39%。太陽(yáng)電池陣采用了肋化設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)散熱20%。太陽(yáng)電池陣背板結(jié)構(gòu)是一個(gè)可膨脹環(huán)網(wǎng)。每個(gè)1000m直徑的太陽(yáng)電池陣由多個(gè)40m×25.6m的子陣組成。

2007聚光式太空發(fā)電站

分布式繩系衛(wèi)星系統(tǒng)

分布式繩系衛(wèi)星主要參數(shù)

2007年，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案將關(guān)鍵的太陽(yáng)電池、微波發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線集成為夾層結(jié)構(gòu)（三明治結(jié)構(gòu)），即外層板為太陽(yáng)電池、中間夾層為微波發(fā)射機(jī)、底層為微波發(fā)射天線。利用位于桅桿兩邊的大型聚光器通過(guò)機(jī)構(gòu)控制指向太陽(yáng)，將太陽(yáng)光反射聚集到夾層結(jié)構(gòu)板上，電池發(fā)出的電力可以通過(guò)較短的電纜傳遞到微波發(fā)射機(jī)，消除了對(duì)于大功率導(dǎo)電滑環(huán)和長(zhǎng)距離電力傳輸?shù)男枨?。夾層結(jié)構(gòu)板的發(fā)射陣面指向地球。

3）分布式繩系衛(wèi)星系統(tǒng)。為減小單個(gè)模塊的復(fù)雜性和質(zhì)量，日本提出了分布式繩系衛(wèi)星的概念。其基本單元由尺寸為100m×95m的單元板和衛(wèi)星平臺(tái)組成，單元板和衛(wèi)星平臺(tái)間采用4根2～10km的繩系懸掛在一起。單元板為太陽(yáng)電池、微波轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線組成的夾層結(jié)構(gòu)板，共包含3800個(gè)模塊。每個(gè)單元板的總質(zhì)量約為42.5t，微波能量傳輸功率為2.1MW。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個(gè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方案的模塊化設(shè)計(jì)思想非常清晰，有利于系統(tǒng)的組裝、維護(hù)。但系統(tǒng)的質(zhì)量仍顯巨大，特別是利用效率較低。

4）任意相控陣太空發(fā)電站（SPS-ALPHA）。在美國(guó)航空航天局創(chuàng)新概念項(xiàng)目支持下，由美國(guó)、日本和英國(guó)科學(xué)家共同提出了一種新的概念方案—任意相控陣太空發(fā)電站。

該方案采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，并且創(chuàng)新性地提出了無(wú)需控制的聚光系統(tǒng)概念（該聚光系統(tǒng)的有效性還有待進(jìn)一步完善），對(duì)于控制系統(tǒng)的壓力大大減小。整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量約為10000～12000t。

任意相控陣太空發(fā)電站概念圖

任意相控陣太空發(fā)電站主要組成模塊

任意相控陣太空發(fā)電站概念的主要組成模塊

5）激光太空發(fā)電站（L-SSPS）。它是太空發(fā)電站概念發(fā)展的另外一個(gè)重要方向。在日本的太空發(fā)電站研究中，激光太空發(fā)電站占到很大的研究比重，重點(diǎn)研究太陽(yáng)光直接泵浦激光方式。激光太空發(fā)電站基本單元包括太陽(yáng)聚光鏡、散熱器、激光發(fā)生器、激光發(fā)射器和支持系統(tǒng)。采用太陽(yáng)聚光鏡（如拋物面）或透鏡（如菲涅耳）進(jìn)行太陽(yáng)光高聚光比聚焦，聚集的太陽(yáng)光發(fā)送到激光發(fā)生器，利用直接泵浦激光方式產(chǎn)生激光，激光擴(kuò)束后傳輸?shù)降孛?，地面可以采用特定的光伏電池接收轉(zhuǎn)化為電力，或者直接用于制氫。對(duì)太陽(yáng)直接泵浦激光器，有幾種類(lèi)型的材料適合作為激光介質(zhì)：從抵抗熱應(yīng)力的角度來(lái)看，藍(lán)寶石似乎是最佳的激光介質(zhì)材料。由于大量藍(lán)寶石晶體生產(chǎn)難度很大，大多數(shù)材料取用釔鋁石榴石（YAG）激光晶體。一個(gè)10兆瓦級(jí)的激光太空發(fā)電站的典型幾何參數(shù)為太陽(yáng)聚束鏡面100m×100m×2，散熱器100m×100m×2。

一個(gè)吉瓦級(jí)的電站由100個(gè)基本單元組合而成，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形狀對(duì)稱(chēng)，太陽(yáng)輻射壓形成的干擾不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，用于姿態(tài)控制和軌道保持所需推進(jìn)器的質(zhì)量較小。在激光太空發(fā)電站設(shè)計(jì)中，由于聚光比達(dá)到幾百倍，激光器的效率和系統(tǒng)的熱控制是非常關(guān)鍵的因素。高精度的激光波束指向控制也是一個(gè)非常重要的難點(diǎn)技術(shù)。

激光太空發(fā)電站概念圖

3 我國(guó)太空發(fā)電站研究現(xiàn)狀

我國(guó)研究人員從20世紀(jì)80年代以來(lái)就一直在關(guān)注國(guó)際太空發(fā)電站的發(fā)展。20世紀(jì)90年代，多位中國(guó)學(xué)者參加相關(guān)國(guó)際研究活動(dòng)。近年來(lái)，越來(lái)越多的專(zhuān)家開(kāi)始關(guān)注太空發(fā)電站的發(fā)展?！笆晃濉逼陂g，在中國(guó)航天科技集團(tuán)公司莊逢甘院士、王希季院士等為代表的國(guó)內(nèi)科技專(zhuān)家積極推動(dòng)下，我國(guó)太空發(fā)電站研究工作也步入了起步階段。

2006年7月，中國(guó)空間技術(shù)研究院組織進(jìn)行了太空發(fā)電站發(fā)展研討會(huì)。根據(jù)專(zhuān)家的研討意見(jiàn)，建議開(kāi)展太空發(fā)電站概念和發(fā)展思路研究。2010年，王希季、閔桂榮等7位院士牽頭開(kāi)展中國(guó)科學(xué)院學(xué)部咨詢(xún)?cè)u(píng)議項(xiàng)目—太空發(fā)電站技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)和對(duì)策研究。項(xiàng)目在深入分析了太空發(fā)電站涉及的主要工程技術(shù)難題后，提出了我國(guó)發(fā)展太空發(fā)電站的頂層考慮和對(duì)策及發(fā)展建議。2010年，中國(guó)空間技術(shù)研究院組織了“全國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展技術(shù)研討會(huì)”，12位院士和近百位專(zhuān)家參加，他們研討了我國(guó)太空發(fā)電站發(fā)展的建議。2013年10月，國(guó)防科技工業(yè)局組織召開(kāi)了“我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展思路”研討會(huì)。2014年5月，“空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)”香山科學(xué)會(huì)議在北京召開(kāi)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)參與太空發(fā)電站的研究團(tuán)隊(duì)在逐漸擴(kuò)大，主要研究單位包括：中國(guó)航天科技集團(tuán)公司、中國(guó)工程物理研究院、重慶大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、四川大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等。國(guó)防科技工業(yè)局支持了與太空發(fā)電站相關(guān)的總體和關(guān)鍵技術(shù)研究工作。目前，在總體規(guī)劃、總體概念方案、微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)等方面取得了一定的成果，同時(shí)也帶動(dòng)了大型空間結(jié)構(gòu)、空間薄膜太陽(yáng)能發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)在開(kāi)展太空發(fā)電站研究的同時(shí)，與美國(guó)、日本、俄羅斯、歐洲等國(guó)家的科學(xué)家建立了良好的溝通渠道。2013年，國(guó)際宇航聯(lián)大會(huì)在北京召開(kāi)，中國(guó)專(zhuān)家應(yīng)邀作了“21世紀(jì)人類(lèi)的能源革命—空間太陽(yáng)能發(fā)電”的主旨發(fā)言。

4 太空發(fā)電站的技術(shù)挑戰(zhàn)及主要關(guān)鍵技術(shù)

太空發(fā)電站是一個(gè)宏大的工程，國(guó)際上對(duì)此的研究已經(jīng)超過(guò)40年，仍然是國(guó)際空間領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)方向并持續(xù)開(kāi)展的研究。但是到目前為止，還未研制出一個(gè)演示型太空發(fā)電站，也反映出其發(fā)展還面臨著很大的挑戰(zhàn)，包括技術(shù)難度、投入和安全性等。

太空發(fā)電站規(guī)模巨大，質(zhì)量達(dá)到萬(wàn)噸，結(jié)構(gòu)達(dá)到千米，發(fā)電功率為吉瓦級(jí)，壽命需要在30年以上。相比于目前的衛(wèi)星，其尺寸、質(zhì)量、功率等都要提升多個(gè)數(shù)量級(jí)，壽命也比目前的衛(wèi)星高出約1倍。對(duì)于新型運(yùn)載技術(shù)、新型材料、高效能量轉(zhuǎn)化器件、超大型航天器結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)、在軌組裝維護(hù)技術(shù)等都提出了很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

成本問(wèn)題也是制約太空發(fā)電站發(fā)展的主要因素之一。除了技術(shù)領(lǐng)域跨越式突破以外，還需要采用大批量的生產(chǎn)方式和商業(yè)運(yùn)作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)其規(guī)?；ㄔO(shè)，以降低研制和運(yùn)行成本。在未來(lái)傳統(tǒng)能源可能消耗殆盡的情況下，新能源市場(chǎng)將占據(jù)重要地位。規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化對(duì)于現(xiàn)有的航天器制造和發(fā)射能力都提出了巨大的挑戰(zhàn)，將需要現(xiàn)有航天工業(yè)生產(chǎn)體系發(fā)生根本性變革。

長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性也是發(fā)展太空發(fā)電站需要特別重視的問(wèn)題。理論上分析，雖然太空發(fā)電站功率很大，但如果采用微波能量傳輸模式，在地球同步軌道（GEO）由于距離遠(yuǎn)（36000km），根據(jù)微波傳輸特性，實(shí)際接收天線的能量密度較低。典型系統(tǒng)的接收天線中心的最大微波能量密度約為23mW/cm2，天線邊緣微波能量密度約為1mW/cm2。雖然從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度已經(jīng)限制了波束密度，可以滿(mǎn)足安全性要求，但長(zhǎng)期微波輻射下的生態(tài)、大氣、生物體等的影響問(wèn)題需要開(kāi)展長(zhǎng)期的研究。同時(shí)，軌道和頻率資源也將成為太空發(fā)電站發(fā)展的重要限制條件之一，有必要從現(xiàn)在開(kāi)始啟動(dòng)相關(guān)研究工作。太空發(fā)電站發(fā)展的核心問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面。

（1）降低系統(tǒng)面積

太空發(fā)電站的面積主要由兩部分決定，一是太陽(yáng)能發(fā)電部分的面積，即太陽(yáng)電池陣面積或聚光器面積。不論是否采用聚光的形式，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率都是減小太陽(yáng)能發(fā)電部分面積最有效的措施。二是微波發(fā)射天線面積。在選定的軌道和微波頻率下，微波發(fā)射天線面積與地面接收面積成反比，需要優(yōu)化確定發(fā)射天線的面積。

（2）降低系統(tǒng)質(zhì)量

太空發(fā)電站系統(tǒng)的質(zhì)量主要集中在幾個(gè)方面：太空發(fā)電站主結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)電池陣、聚光器、微波轉(zhuǎn)化裝置、發(fā)射天線、電力傳輸及管理系統(tǒng)等。減小系統(tǒng)質(zhì)量可以重點(diǎn)考慮：①降低單位面積的質(zhì)量（降低太陽(yáng)電池、聚光陣、發(fā)射天線的面密度）；②降低結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的質(zhì)量（降低結(jié)構(gòu)體積和結(jié)構(gòu)密度）；③降低傳輸電纜的質(zhì)量（縮短電纜長(zhǎng)度，減小電纜截面積和密度）；④提高轉(zhuǎn)化效率，降低微波轉(zhuǎn)化器件、電壓變換設(shè)備的質(zhì)量。

（3）降低系統(tǒng)的收攏體積

太空發(fā)電站是一個(gè)巨大的空間系統(tǒng)，在空間所占的體積非常大，需要多個(gè)模塊在軌組裝。為了提高運(yùn)載的效率，除考慮運(yùn)輸質(zhì)量能力外，還要充分考慮運(yùn)載器的包絡(luò)限制，要求每個(gè)模塊在發(fā)射階段為收攏狀態(tài)、在空間進(jìn)行展開(kāi)，盡可能地提高運(yùn)輸載荷的收攏率，將盡可能多的載荷運(yùn)輸?shù)娇臻g。重點(diǎn)研究的技術(shù)包括：折疊展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)；折疊展開(kāi)太陽(yáng)電池子陣、聚光器；折疊展開(kāi)天線模塊；充氣式結(jié)構(gòu)等。

（4）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

為了保證太空發(fā)電站的高效率工作，需要太陽(yáng)電池陣（或聚光器）對(duì)日定向、發(fā)射天線對(duì)地球接收站定向。在一個(gè)軌道周期內(nèi)，太陽(yáng)電池陣（或聚光器）與發(fā)射天線間的相對(duì)位置變化達(dá)到360°，必須采用大型旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。由于太空發(fā)電站體積、質(zhì)量巨大，特別是功率巨大，給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶來(lái)很大的困難。目前的太空發(fā)電站概念設(shè)計(jì)一般考慮幾種情況：①采用大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，技術(shù)難度大；②無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，采用發(fā)射天線與電池陣固定的方式，但以增加系統(tǒng)質(zhì)量、損失系統(tǒng)效率為代價(jià)，特別是功率的劇烈波動(dòng)；③采用聚光方案，利用聚光器系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)，可以消除大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；④采用微波反射方式，通過(guò)微波反射器旋轉(zhuǎn)，可以消除大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

太空發(fā)電站的主要關(guān)鍵技術(shù)及重點(diǎn)研究領(lǐng)域包括10個(gè)方向：空間超大型可展開(kāi)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)；空間高效太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化及超大發(fā)電陣技術(shù)；空間超大功率電力傳輸與管理技術(shù)；天線能量傳輸技術(shù)；軌道間轉(zhuǎn)移技術(shù)及大功率電推進(jìn)技術(shù)；空間復(fù)雜系統(tǒng)在軌組裝及維護(hù)技術(shù)；大型運(yùn)載器及高密度發(fā)射技術(shù)；電站系統(tǒng)運(yùn)行控制及地面接收管理技術(shù)；電站發(fā)展的基礎(chǔ)材料和器件研究；電站經(jīng)濟(jì)性、政策、環(huán)境保護(hù)、商業(yè)化等相關(guān)問(wèn)題研究。

5 太空發(fā)電站的應(yīng)用前景

太空發(fā)電站發(fā)展的核心應(yīng)用目標(biāo)是為地面提供商業(yè)化、大規(guī)模的電力供給，解決人類(lèi)長(zhǎng)期對(duì)于穩(wěn)定的可再生能源的需求問(wèn)題。同時(shí)，太空發(fā)電站對(duì)于地面偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電、調(diào)節(jié)環(huán)境等方面都具有重要的應(yīng)用前景。太空發(fā)電站的發(fā)展也將為更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的月球太陽(yáng)能電站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

地面電力供給

空間太陽(yáng)能最大的優(yōu)勢(shì)在于可以幾乎不間斷地為地面提供清潔的可再生能源。如果能夠有效地利用空間太陽(yáng)能，將可以為人類(lèi)提供巨大的、無(wú)盡的清潔能源儲(chǔ)備。假設(shè)在空間地球靜止軌道上每間隔0.5°（間距約360km）布置一個(gè)太空發(fā)電站，每個(gè)太空發(fā)電站的發(fā)電功率為5GW，則可以為地面連續(xù)提供約3.6×109kW的電力。同時(shí)巨大的空間供電還可以用于地面的海水淡化、制氫等，從而可以用于其他的清潔能源利用。同時(shí)，太空發(fā)電站作為一種大型的空間供電基礎(chǔ)設(shè)施，覆蓋面非常寬，可以靈活地用于地面移動(dòng)目標(biāo)的供電和緊急情況下的供電，包括偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島、災(zāi)區(qū)等。

激光能量傳輸太空發(fā)電站供電示意圖

航天器電力供給

太空發(fā)電站可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可視范圍內(nèi)的低軌、中軌和高軌航天器供電，由于不會(huì)受到地球大氣層的影響，比較好的方式是采用激光無(wú)線能量傳輸，可以保證長(zhǎng)距離上較好的指向性，還可以減小發(fā)射和接收端的面積。采用無(wú)線能量傳輸供給的航天器，由于不需要巨大的太陽(yáng)電池陣，功率水平和控制精度將大大增加，對(duì)于未來(lái)的大功率通信衛(wèi)星、高精度科學(xué)衛(wèi)星等的發(fā)展具有重要的價(jià)值。未來(lái)也可以利用太空發(fā)電站直接進(jìn)行空間燃料生產(chǎn)以及進(jìn)行空間加工制造，使得未來(lái)的空間工業(yè)發(fā)展變成可能。

火星表面無(wú)線能量傳輸示意圖

太空發(fā)電站作為一種較好的空間大功率供電方式，也可以作為深空探測(cè)能源系統(tǒng)的候選方案。一方面，太空發(fā)電站利用無(wú)線能量傳輸可以為深空探測(cè)器的先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)提供持續(xù)的能量供給，利用激光推進(jìn)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)2～5年內(nèi)到達(dá)小行星帶內(nèi)的多顆小行星，并實(shí)現(xiàn)采樣返回；另一方面，可以利用在行星軌道運(yùn)行的太空發(fā)電站為行星表面的基地提供能量供給。

環(huán)境調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)化石能源的利用引起了地球溫度的升高，隨之產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)等惡劣氣象的頻繁出現(xiàn)給人類(lèi)帶來(lái)巨大的災(zāi)難。目前，科學(xué)家已經(jīng)提出并且分析了利用太空發(fā)電站減緩或改變臺(tái)風(fēng)路徑的可行性。核心思想是采用水氣等易于吸收譜段的微波，將太空發(fā)電站的巨大能量傳輸?shù)烬埦盹L(fēng)所在的區(qū)域，通過(guò)改變臺(tái)風(fēng)的溫度分布，從而破壞龍卷風(fēng)的形成過(guò)程。近期，科學(xué)家也提出了利用太空發(fā)電站減緩大氣霧霾的思想，也可以起到環(huán)境調(diào)節(jié)的作用。

月球太陽(yáng)發(fā)電站

在太空發(fā)電站基礎(chǔ)上提出的另外一種可能的大功率空間能源利用方式是月球表面太空發(fā)電站，利用月球資源建立月表太陽(yáng)發(fā)電站，實(shí)現(xiàn)向地球的輸電。

月表環(huán)境非常適合于大面積太陽(yáng)能發(fā)電。月表太陽(yáng)光照條件穩(wěn)定，不存在空氣和水汽的影響，不會(huì)影響大面積薄膜裝置的性能。采用轉(zhuǎn)化效率為10%的太陽(yáng)電池，就可以實(shí)現(xiàn)1km2產(chǎn)生130MW的電能，而且月球星體力學(xué)條件穩(wěn)定，不會(huì)受到天氣、地震活動(dòng)和生物過(guò)程的影響。月球物質(zhì)十分豐富，月塵和巖石材料包含了至少20%的硅、40%的氧、10%的金屬，可以直接進(jìn)行月球原位資源利用生產(chǎn)所需的太陽(yáng)電池、電線、微電路部件、反射屏等，適合于月球太陽(yáng)能電站的建設(shè)。

月球太陽(yáng)發(fā)電站概念圖

6 結(jié)束語(yǔ)

可再生能源重要性的提升為太空發(fā)電站的發(fā)展提出了實(shí)質(zhì)的需求，太空發(fā)電站將可能成為未來(lái)可再生能源組成中的一個(gè)重要部分。作為一個(gè)巨大的空間應(yīng)用系統(tǒng)，其規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類(lèi)目前研制出的最大航天器—“國(guó)際空間站”，其面臨的技術(shù)難度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有空間技術(shù)水平，對(duì)于航天技術(shù)的發(fā)展提出了很大的挑戰(zhàn)。

航天領(lǐng)域經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的飛速發(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，特別是載人登月和“國(guó)際空間站”的建成是人類(lèi)最具里程碑的航天成就。我國(guó)在對(duì)地遙感、通信導(dǎo)航、載人航天、深空探測(cè)幾大領(lǐng)域取得的突破性成就表明，我國(guó)在航天領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)目前正在研制的長(zhǎng)征－5大型運(yùn)載火箭將在2014年左右實(shí)現(xiàn)約20t的近地軌道運(yùn)輸能力，2020年左右將要建設(shè)我國(guó)的空間站，未來(lái)可能發(fā)展更大規(guī)模的運(yùn)載火箭，航天領(lǐng)域的快速發(fā)展將給我國(guó)太空發(fā)電站的發(fā)展帶來(lái)很大的機(jī)遇。

習(xí)近平總書(shū)記在接見(jiàn)天宮－1與神舟－10載人飛行任務(wù)代表時(shí)提到，我國(guó)空間技術(shù)已跨入國(guó)際先進(jìn)行列，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)，是我們不懈追求的航天夢(mèng)。我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)掌握航天技術(shù)的國(guó)家，也是僅有的3個(gè)能夠獨(dú)立開(kāi)展載人航天的國(guó)家之一。我國(guó)空間技術(shù)和空間工業(yè)基礎(chǔ)的快速發(fā)展，將為我們進(jìn)一步利用、開(kāi)發(fā)空間資源開(kāi)辟新的空間。航天領(lǐng)域的快速發(fā)展為我國(guó)發(fā)展太空發(fā)電站奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，太空發(fā)電站同時(shí)也將很好地帶動(dòng)空間技術(shù)的跨越式進(jìn)步，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)我國(guó)的航天夢(mèng)。

陸征/本文編輯