空間太陽(yáng)能電站的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展建議

王 立，侯欣賓

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

空間太陽(yáng)能電站（SSPS），也稱太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星或太空發(fā)電站，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)?？臻g太陽(yáng)能電站主要由三大部分組成（圖1）：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)能是一種可再生的綠色能源，對(duì)于解決世界能源緊張和環(huán)境污染問(wèn)題將發(fā)揮重大的作用。相對(duì)于地面太陽(yáng)能電站，空間太陽(yáng)能電站由于不受晝夜和天氣的影響，可以連續(xù)工作，太陽(yáng)能利用效率高，具有廣闊的應(yīng)用前景，已引起各航天大國(guó)的廣泛關(guān)注。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，以美國(guó)和日本為 主的發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展了廣泛的空間太陽(yáng)能電站技術(shù)研究，目前已經(jīng)提出20 多種概念，并且在無(wú)線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)方面開(kāi)展了重點(diǎn)研究[1-3]。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)的空間技術(shù)取得了很大進(jìn)步，為未來(lái)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著航天器技術(shù)和運(yùn)載技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的能源、環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，空間發(fā)電成本有望下降到具有商業(yè)價(jià)值的階段，目前國(guó)際上對(duì)空間太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)愿望不斷加強(qiáng)。雖然空間太陽(yáng)能電站不存在不可逾越的技術(shù)原理問(wèn)題，但作為一個(gè)非常宏大的空間系統(tǒng)，其真正實(shí)現(xiàn)還需要開(kāi)展系統(tǒng)的研究工作，在許多關(guān)鍵技術(shù)方面有待取得突破性進(jìn)展[4]。

圖1 空間太陽(yáng)能電站示意圖Fig.1 Sketch map of space solar power station

1 典型空間太陽(yáng)能電站概念

國(guó)際上已經(jīng)提出多種空間太陽(yáng)能電站概念構(gòu)想，典型的包括1979 SPS 基準(zhǔn)系統(tǒng)、太陽(yáng)帆塔SPS方案、分布式繩系太陽(yáng)能電站方案、集成對(duì)稱聚光系統(tǒng)、任意相控陣空間太陽(yáng)能電站、激光太陽(yáng)能電站等[5-6]。

1.1 1979 SPS 基準(zhǔn)系統(tǒng)

1979年，美國(guó)提出第一個(gè)空間太陽(yáng)能電站概念，名為“1979 SPS 基準(zhǔn)系統(tǒng)”（見(jiàn)圖2）。

圖2 1979 SPS 基準(zhǔn)系統(tǒng)Fig.2 The 1979 SPS reference system

該系統(tǒng)由巨型太陽(yáng)電池陣和大型發(fā)射天線組成。巨型太陽(yáng)電池陣保持對(duì)日定向，位于電池陣邊緣的巨大的發(fā)射天線保持對(duì)地球定向，兩者之間的相對(duì)位置變化利用大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以連續(xù)向地面接收站供電。單個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)電功率為5 GW。

1.2 太陽(yáng)帆塔空間太陽(yáng)能電站

歐洲基于美國(guó)提出的太陽(yáng)塔（Sun Tower）概念提出了太陽(yáng)帆塔太陽(yáng)能電站（Sail Tower SPS）方案（見(jiàn)圖3）。該系統(tǒng)采用重力梯度穩(wěn)定方式，使中央纜繩自動(dòng)保持垂直于地面，以保證末端的發(fā)射天線對(duì)準(zhǔn)地面。太陽(yáng)電池陣由數(shù)百個(gè)尺寸為150 m×150 m的太陽(yáng)發(fā)電陣模塊組成，根據(jù)總發(fā)電量的要求配置發(fā)電陣的數(shù)目。發(fā)電陣沿中央纜繩兩側(cè)排列成2 行或4 行，發(fā)出的電流通過(guò)由超導(dǎo)材料制成的中央纜繩輸送到纜繩末端的發(fā)射天線。每一個(gè)子陣發(fā)射入軌后自動(dòng)展開(kāi)，在低地球軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過(guò)電推力器運(yùn)往地球同步軌道。由于太陽(yáng)電池陣無(wú)法保持對(duì)日定向姿態(tài)，該系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)向地面接收站的連續(xù)供電。

圖3 太陽(yáng)帆塔太陽(yáng)能電站概念Fig.3 The Sail Tower SPS concept

1.3 分布式繩系太陽(yáng)能電站

為降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和質(zhì)量，日本提出了分布式繩系太陽(yáng)能電站（Tether SPS）概念（見(jiàn)圖4）。其基本組成單元由尺寸為100 m×95 m 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2～10 km 的繩系懸掛在一起。單元板為太陽(yáng)電池、微波發(fā)射機(jī)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42.5 t，微波能量傳輸功率為2.1 MW。由25 塊單元板組成子板，25 塊子板組成整個(gè)系統(tǒng)。該方案的模塊化設(shè)計(jì)思想非常清晰，有利于系統(tǒng)的小規(guī)模驗(yàn)證、擴(kuò)展、組裝和維護(hù)。但由于太陽(yáng)電池?zé)o法持續(xù)指向太陽(yáng)，所以整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電會(huì)出現(xiàn)巨大的波動(dòng)，總體效率較低。

圖4 分布式繩系太陽(yáng)能電站Fig.4 The distributed tether solar power station

1.4 集成對(duì)稱聚光系統(tǒng)

NASA 在20世紀(jì)90年代末的SERT 研究計(jì)劃中提出“集成對(duì)稱聚光系統(tǒng)”（ISC）的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的聚光型SPS 結(jié)構(gòu)如圖5。該方案的最大特點(diǎn)是采用了聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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“三明治”夾層結(jié)構(gòu)板，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薄膜聚光器通過(guò)機(jī)構(gòu)控制指向太陽(yáng)，將太陽(yáng)光反射聚集到三明治結(jié)構(gòu)板上，電池發(fā)出的電能傳遞到微波發(fā)射機(jī)，取消了對(duì)于大功率導(dǎo)電滑環(huán)和長(zhǎng)距離電力傳輸?shù)男枨蟆Ｈ髦谓Y(jié)構(gòu)板的發(fā)射天線陣面指向地球，聚光器與桅桿間相互旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)軌道變化。

圖5 聚光型SPS 系統(tǒng)Fig.5 The concentrating SPS system

1.5 任意相控陣空間太陽(yáng)能電站

在NASA 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空間太陽(yáng)能電站概念方案——任意相控陣空間太陽(yáng)能電站（SPS-ALPHA）[7]，見(jiàn)圖6。該方案仍基于聚光式空間太陽(yáng)能電站的思想，創(chuàng)新性地提出了無(wú)須控制的聚光系統(tǒng)概念（其有效性還有待進(jìn)一步分析），對(duì)控制系統(tǒng)的要求大大降低，采用了模塊化的設(shè)計(jì)，降低技術(shù)難度和研制成本。整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量約為1.0～1.2 萬(wàn)t。

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

1.6 激光太陽(yáng)能電站

1）俄羅斯的空間太陽(yáng)能電站

俄羅斯于2012年提出了一種基于激光無(wú)線能量傳輸?shù)目臻g太陽(yáng)能電站（R-SPS）方案（見(jiàn)圖7）。其主要的思路是采用多個(gè)分離的太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星編隊(duì)飛行，建立太陽(yáng)電池和半導(dǎo)體激光器組成的三明治結(jié)構(gòu)，并利用激光無(wú)線能量傳輸（LPT）的方式向由浮空器支撐的接收平臺(tái)進(jìn)行能量傳輸，再通過(guò)電纜直接將電能傳輸?shù)降孛妗Ｔ摲桨赴喾N可能的變化，如將激光直接傳輸?shù)降孛娼邮照荆ㄌ鞖饬己玫那闆r下），或采用微波無(wú)線能量傳輸?shù)姆绞綄㈦娔軓母】掌鱾鬏數(shù)降孛妗?/p>

圖7 俄羅斯空間太陽(yáng)能電站方案示意Fig.7 The Russian SSPS scheme

2）太陽(yáng)光直接泵浦激光太陽(yáng)能電站

太陽(yáng)光直接泵浦激光太陽(yáng)能電站（L-SSPS）是空間太陽(yáng)能電站概念發(fā)展的另外一個(gè)重要方向。采用拋物面太陽(yáng)聚光鏡或菲涅耳透鏡進(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?；地面采用特定的光伏電池接收轉(zhuǎn)化為電能，或者直接用于制氫。L-SSPS 概念基本組成包括太陽(yáng)聚光鏡、散熱器、太陽(yáng)光泵浦激光器、激光發(fā)射器和其他支持系統(tǒng)（見(jiàn)圖8）。

一個(gè)10 MW 級(jí)的L-SSPS 的典型幾何參數(shù)為：太陽(yáng)聚光鏡100 m×100 m×2 塊；散熱器100 m× 100 m×2 塊。一個(gè)GW 級(jí)的電站由100 個(gè)10 MW基本單元組合而成。在L-SSPS 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。

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

2 典型空間太陽(yáng)能電站概念的技術(shù)比較

通過(guò)對(duì)多種空間太陽(yáng)能電站概念介紹，可以從整體構(gòu)型、太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、無(wú)線能量傳輸方式、電力傳輸與管理等方面進(jìn)行比較（表1）[8]。

表1 典型空間太陽(yáng)能電站概念的比較Table 1 Comparison among typical SSPS concepts

2.1 結(jié)構(gòu)型式

空間太陽(yáng)能電站從構(gòu)型角度可以分為兩大類：一是聚光空間太陽(yáng)能電站概念，即采用聚光器將太陽(yáng)光投射到太陽(yáng)電池陣；另一種是非聚光空間太陽(yáng)能電站概念，即利用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)保持太陽(yáng)電池陣列對(duì)日定向。對(duì)于太陽(yáng)電池陣或聚光器對(duì)日定向的概念，具有發(fā)電波動(dòng)較小、效率較高的特點(diǎn)。

非聚光空間太陽(yáng)能電站代表為1979 SPS。系統(tǒng)配置相對(duì)簡(jiǎn)單，易于功率擴(kuò)展。但也存在一些難題，特別是高功率傳輸和電源管理的挑戰(zhàn)。主要技術(shù)特點(diǎn)包括：構(gòu)型簡(jiǎn)單，太陽(yáng)電池陣適合采用較輕的薄膜太陽(yáng)電池；通過(guò)增加太陽(yáng)電池陣列模塊可容易實(shí)現(xiàn)功率的擴(kuò)展；需要采用高功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，維持太陽(yáng)電池陣列指向太陽(yáng)和發(fā)射天線指向地球；需要大量的輸電電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大功率的電力傳輸，并會(huì)產(chǎn)生更多的功率損耗。

聚光空間太陽(yáng)能電站是空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的新方向，典型代表為ISC 系統(tǒng)，可大幅減少太陽(yáng)電池的面積，顯著降低電力管理和分配技術(shù)難度，但系統(tǒng)控制和熱控制難度大。主要技術(shù)特點(diǎn)包括：采用聚光系統(tǒng)確保發(fā)射天線對(duì)地球定向的同時(shí)，入射太陽(yáng)光可以反射到太陽(yáng)電池表面；無(wú)須采用高功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，而且很好地解決了長(zhǎng)距離電力傳輸問(wèn)題；采用高效率聚光電池，減小了電池陣的面積；增加了聚光系統(tǒng)，使得構(gòu)型和控制變得復(fù)雜，系統(tǒng)難以擴(kuò)展；高聚光比下系統(tǒng)的散熱成為一個(gè)重要的問(wèn)題，需要采用耐高溫部件。

2.2 太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是影響整個(gè)空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)的效率、尺寸、質(zhì)量和截面積的主要因素，重點(diǎn)是關(guān)注發(fā)電技術(shù)的發(fā)電效率、比功率和壽命（達(dá)到30年以上）。主要考慮太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太 陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。后者系統(tǒng)復(fù)雜，從未在空間中應(yīng)用，不考慮作為主要候選方式。而光伏發(fā)電技術(shù)成熟，在空間應(yīng)用超過(guò)50年；隨著太陽(yáng)能電池效率的逐步提高，光伏發(fā)電系統(tǒng)成為空間太陽(yáng)能電站研究的主要選用方式。

光伏發(fā)電系統(tǒng)追求高的光電轉(zhuǎn)化效率和高的功率/質(zhì)量比。對(duì)于不同的空間太陽(yáng)能電站概念方案，需要選取不同的太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。通過(guò)分析多種SPS 概念，主要選擇兩種光伏電池：一是適用于非聚光空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)的薄膜太陽(yáng)電池，質(zhì)量輕、效率高、可折展；另一種是適用于聚光空間太陽(yáng)能電站的聚光用太陽(yáng)電池，在2～5 倍聚光比下具有較高的效率，所需的太陽(yáng)電池陣面積較小，如多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，國(guó)際上的應(yīng)用目標(biāo)使其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到45%以上。對(duì)于聚光太陽(yáng)電池的應(yīng)用，難點(diǎn)在于高性能的散熱系統(tǒng)（如光譜選擇性涂層）和高溫性能好的太陽(yáng)電池。

2.3 無(wú)線能量傳輸技術(shù)

無(wú)線能量傳輸技術(shù)是空間太陽(yáng)能電站的關(guān)鍵技術(shù)，主要有微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)（MPT）和激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)（LPT）。兩種傳輸技術(shù)的比較見(jiàn)表2。

表2 無(wú)線能量傳輸技術(shù)的比較Table 2 Comparison between two kinds of wireless power transmission technologies

微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)是空間太陽(yáng)能電站研究較多的傳輸方式，具有較高的轉(zhuǎn)化和傳輸效率，在特定頻段上的大氣、云層穿透性非常好，技術(shù)相對(duì)成熟，波束功率密度低，且可以通過(guò)波束進(jìn)行高精度指向控制，具有較高的安全性。但由于波束寬，發(fā)射和接收天線的規(guī)模都非常大，工程實(shí)現(xiàn)具有較大的難度，比較適合于超大功率的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)。

激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)主要特點(diǎn)是傳輸波束窄、發(fā)射和接收裝置尺寸小，應(yīng)用更為靈活。通過(guò)合理選擇頻率，可以減小大氣損耗，比較適合于中小功率的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)。難點(diǎn)在于大功率激光器技術(shù)成熟性較差，高指向精度實(shí)現(xiàn)難度大，存在較大的安全隱患。主要缺點(diǎn)是大氣透過(guò)性差，傳輸效率受天氣影響大。

2.4 電力管理與分配技術(shù)

作為超大功率系統(tǒng)，空間太陽(yáng)能電站的電力管理與分配技術(shù)（PMAD）又是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)?；诓煌母拍罘桨?，電力管理與分配方式總體分為集中式PMAD 和分布式PMAD。

集中式PMAD 需要將電能匯集到一個(gè)連接點(diǎn)（如高功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)），而集中的電能根據(jù)需求進(jìn)行變換并傳輸分配到微波或激光裝置，適合于非聚光空間太陽(yáng)能電站概念，如1979 SPS、Sail Tower SPS 等。其優(yōu)點(diǎn)是：通過(guò)大功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)集中供電，便于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣的對(duì)日定向，可以保證整個(gè)系統(tǒng)較高的效率；太陽(yáng)電池陣的面積可以根據(jù)系統(tǒng)需求擴(kuò)大。其缺點(diǎn)是：超大功率（GW 級(jí)）的空間導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度極大；太陽(yáng)電池陣的電能傳輸?shù)綄?dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)需要非常遠(yuǎn)距離的傳輸導(dǎo)線，電力損耗大，所需導(dǎo)線非常重。

分布式PMAD 不需要將電能集中到一起，每個(gè)發(fā)電子陣產(chǎn)生的電能可以直接進(jìn)行變換并分配到對(duì)應(yīng)的微波或激光裝置，主要用于三明治結(jié)構(gòu)板，適合于聚光空間太陽(yáng)能電站概念，如分布式繩系系統(tǒng)、集成對(duì)稱聚光系統(tǒng)、任意相控陣空間太陽(yáng)能電站等概念。分布式PMAD 無(wú)須大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，避免了單點(diǎn)失效，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性；其電力傳輸距離短，損耗小。

3 空間太陽(yáng)能電站核心問(wèn)題分析

空間太陽(yáng)能電站作為一個(gè)巨大的空間系統(tǒng)，其主要技術(shù)特點(diǎn)是面積大、質(zhì)量大、功率大，其發(fā)展所面臨的核心問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面。

1）降低系統(tǒng)面積

空間太陽(yáng)能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；二是微波發(fā)射天線面積。對(duì)于發(fā)電部分，不論是否采用聚光的形式，提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率是減少面積最有效的措施。對(duì)于聚光形式，聚光器的面積與太陽(yáng)電池的發(fā)電功率和聚光效率直接相關(guān)，提高聚光效率可以有效減少聚光器的面積。對(duì)于微波發(fā)射天線，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

系統(tǒng)的質(zhì)量主要集中在幾個(gè)方面：空間太陽(yáng)能電站主結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)電池陣、能量轉(zhuǎn)化裝置及發(fā)射天線、電力管理及傳輸電纜等。減小系統(tǒng)質(zhì)量應(yīng)重點(diǎn)考慮：

· 降低單位面積的質(zhì)量（減小太陽(yáng)電池、聚光器、發(fā)射天線的面密度）；

· 降低結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的質(zhì)量（縮小結(jié)構(gòu)體積，降低結(jié)構(gòu)密度）；

· 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）；

· 提高轉(zhuǎn)化效率，減小微波轉(zhuǎn)化器件、電壓變換設(shè)備的質(zhì)量。

3）減小系統(tǒng)的收攏體積

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)。重點(diǎn)考慮的技術(shù)包括：折疊展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)；充氣式結(jié)構(gòu)；折疊展開(kāi)太陽(yáng)電池子陣、聚光器、天線模塊；收攏展開(kāi)電纜等。

4）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)問(wèn)題

為了保證空間太陽(yáng)能電站的高效率工作，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)。由于空間太陽(yáng)能電站體積、質(zhì)量巨大，特別是功率巨大，給旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。目前的空間太陽(yáng)能電站概念方案設(shè)計(jì)一般考慮如下幾種情況：

· 采用聚光方案。利用聚光器系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)，可以取消大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

· 采用微波反射方式。通過(guò)驅(qū)動(dòng)微波反射器，可以替代大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

· 采用無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的方式。使發(fā)射天線與電池陣相對(duì)位置固定，但會(huì)損失系統(tǒng)的效率。

5）提高運(yùn)輸發(fā)射能力

運(yùn)輸能力是制約空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的主要技術(shù)因素。不僅要求運(yùn)載能夠運(yùn)輸較大的質(zhì)量，還要求有足夠大的運(yùn)輸包絡(luò)?？紤]到大規(guī)模運(yùn)載發(fā)射的難度及大幅降低成本的需要，可重復(fù)使用的軌道間轉(zhuǎn)移器在電站建設(shè)中也是一個(gè)可選擇方案。

6）在軌組裝與維護(hù)的可實(shí)現(xiàn)性

受到運(yùn)載質(zhì)量和包絡(luò)的限制，空間太陽(yáng)能電站必須拆分成上千個(gè)模塊，發(fā)射到軌道上進(jìn)行在軌組裝。如果采用航天員組裝方式，風(fēng)險(xiǎn)較大；如果采用機(jī)器人組裝方式，目前還缺乏能夠在空間進(jìn)行大規(guī)模組裝的技術(shù)可行性。在軌組裝與維護(hù)也是制約空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的主要技術(shù)因素。

7）環(huán)境可靠性與安全問(wèn)題

當(dāng)人們第一次接觸到空間太陽(yáng)能電站這一概念時(shí)，最關(guān)心的問(wèn)題是安全問(wèn)題，如高能束潛在的軍事用途、巨大的衛(wèi)星更易受攻擊等。而事實(shí)上發(fā)展空間太陽(yáng)能電站更關(guān)注的安全問(wèn)題一是大型空間電站自身安全與環(huán)境可靠性問(wèn)題，二是大功率無(wú)線能量傳輸中的長(zhǎng)期環(huán)境影響問(wèn)題（生態(tài)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)）。

由于空間太陽(yáng)能電站設(shè)計(jì)壽命達(dá)30年以上，而且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，新技術(shù)應(yīng)用多，如多母線超高壓大功率電力系統(tǒng)、高效薄膜太陽(yáng)電池陣以及大功率微波輸能系統(tǒng)等，其空間環(huán)境可靠性都將是重大研究課題。

發(fā)展和應(yīng)用空間太陽(yáng)能電站技術(shù)的潛在環(huán)境影響已經(jīng)被初步確定。許多的國(guó)際報(bào)告都分析了能量傳輸對(duì)于天文、大氣、生物系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、地面利用、航天操作人員、靜止軌道衛(wèi)星等的影響[9]。雖然空間太陽(yáng)能電站功率很大，而且電磁能量波束的物理基礎(chǔ)是無(wú)法改變的，但地球同步軌道距離地面很遠(yuǎn)，波束會(huì)發(fā)散，而不是武器所需要的能量匯聚，即使匯聚比較弱的波束，也需要一個(gè)引導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行，同時(shí)也可以設(shè)計(jì)包含另外的失效保護(hù)機(jī)制。因此波束彌散在城市上空的可能性是很低的，即使發(fā)生，也是較安全的。當(dāng)然，微波對(duì)于大氣環(huán)境以及對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響需要開(kāi)展長(zhǎng)期的研究和監(jiān)測(cè)。

4 空間太陽(yáng)能電站關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議

通過(guò)對(duì)于空間太陽(yáng)能電站概念和核心問(wèn)題的分析，初步提出空間太陽(yáng)能電站發(fā)展所涉及的9 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及其研究重點(diǎn)[10]。

1）空間超大型可展開(kāi)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)

主結(jié)構(gòu)用于支撐整個(gè)空間太陽(yáng)能電站，考慮到姿態(tài)和軌道調(diào)整的要求，主結(jié)構(gòu)應(yīng)保持足夠的剛度。同時(shí)，還要充分考慮在軌組裝和在軌維護(hù)的需要。重點(diǎn)專業(yè)技術(shù)包括：

· 超長(zhǎng)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)；

· 超大面積剛性板展開(kāi)結(jié)構(gòu)；

· 超大面積薄膜展開(kāi)結(jié)構(gòu)；

· 可重復(fù)使用對(duì)接機(jī)構(gòu)；

· 空間超大型結(jié)構(gòu)的姿態(tài)軌道控制技術(shù)。

2）空間高效太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化及超大發(fā)電陣技術(shù)

提高系統(tǒng)的效率、降低質(zhì)量，以及提高電壓和使用壽命是空間太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。需要發(fā)展高效率、空間環(huán)境適應(yīng)性好的薄膜太陽(yáng)電池，同時(shí)需要發(fā)展在軌展開(kāi)的超大面積的柔性太陽(yáng)電池陣。為了減小電力損耗，需要發(fā)展高壓太陽(yáng)電池陣技術(shù)。重點(diǎn)專業(yè)技術(shù)包括：

· 高效砷化鎵薄膜太陽(yáng)電池技術(shù)；

· 可組裝超大柔性太陽(yáng)電池陣技術(shù)；

· 高壓太陽(yáng)電池陣技術(shù)。

3）空間超大功率電力傳輸與管理技術(shù)

作為一個(gè)超大功率的空間系統(tǒng)，空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)十km 的電力傳輸電纜，為了減小損耗，需要采用超高電壓。同時(shí)需要發(fā)展超大功率高效電壓變換技術(shù)以及超大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)等。重點(diǎn)專業(yè)技術(shù)包括：

· 超高壓、大功率傳輸母線；

· 超大功率電壓變換器；

· 超大功率導(dǎo)電關(guān)節(jié)；

· 空間超導(dǎo)輸電技術(shù)。

4）無(wú)線能量傳輸技術(shù)

功率高、效率高、傳輸距離遠(yuǎn)和高精度方向控制是無(wú)線能量傳輸?shù)闹饕夹g(shù)特點(diǎn)，超過(guò)30年的壽命要求也對(duì)無(wú)線能量傳輸技術(shù)提出了很高的要求。重點(diǎn)技術(shù)包括：

· 大功率高效能量轉(zhuǎn)化技術(shù)；

· 高效功率空間合成技術(shù)；

· 超大型空間天線技術(shù)；

· 高精度指向控制技術(shù)；

· 大功率高效激光器及指向控制技術(shù)；

· 高熱流密度熱控制技術(shù)。

5）軌道間轉(zhuǎn)移技術(shù)及大功率電推進(jìn)技術(shù)

為了降低運(yùn)輸?shù)紾EO 的成本，初步考慮采用重型運(yùn)載將載荷運(yùn)輸?shù)絃EO，利用可在LEO 和GEO 間進(jìn)行往返運(yùn)輸?shù)能壍擂D(zhuǎn)移器將載荷運(yùn)輸?shù)紾EO。為了減少燃料消耗，需要發(fā)展大功率電推進(jìn)系統(tǒng)，利用多個(gè)電推力器的組合實(shí)現(xiàn)大型電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移器。重點(diǎn)技術(shù)包括：

· 大功率電推進(jìn)技術(shù)；

· 大型軌道轉(zhuǎn)移器技術(shù)。

6）空間復(fù)雜系統(tǒng)在軌組裝及維護(hù)技術(shù)

空間太陽(yáng)能電站作為一個(gè)宏大的長(zhǎng)壽命系統(tǒng)，必須發(fā)展功能強(qiáng)大的在軌組裝及維護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的、復(fù)雜的在軌組裝、在軌維護(hù)和燃料補(bǔ)給等。重點(diǎn)技術(shù)包括：

· 空間組裝及維護(hù)技術(shù)；

· 空間機(jī)器人技術(shù)；

· 燃料補(bǔ)給技術(shù)；

· 空間支持系統(tǒng)；

· 空間原位3D 打印技術(shù)。

7）大型運(yùn)載器及高密度發(fā)射技術(shù)

空間太陽(yáng)能電站質(zhì)量達(dá)到數(shù)千t 以上，再考慮其建設(shè)、維護(hù)所需的人員及貨物運(yùn)輸需求，對(duì)于運(yùn)輸能力、運(yùn)輸頻率、運(yùn)輸成本提出巨大的挑戰(zhàn)。重點(diǎn)技術(shù)包括：

· 重型運(yùn)載火箭技術(shù)；

· 可重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)；

· 超高密度發(fā)射技術(shù)。

8）電站系統(tǒng)運(yùn)行控制及地面接收管理技術(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行控制及地面運(yùn)行管理主要包括兩方面的內(nèi)容：對(duì)整個(gè)空間系統(tǒng)狀態(tài)信息的接收和處理以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制與健康管理；地面大功率電力的接收、調(diào)節(jié)、控制及入網(wǎng)技術(shù)等。重點(diǎn)技術(shù)包括：

· 天地一體化電站運(yùn)行管理系統(tǒng)研究；

· 大型可組裝式高效微波能量接收系統(tǒng)研究。

9）電站發(fā)展的基礎(chǔ)材料和器件研究

為了實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能的高效利用和傳輸，且大幅降低空間太陽(yáng)能電站的整體質(zhì)量、提高系統(tǒng)的壽命，空間太陽(yáng)能電站發(fā)展需要相關(guān)基礎(chǔ)材料和器件性能的極大提升。重點(diǎn)技術(shù)包括：

· 高效、高溫能量轉(zhuǎn)化（光/電、電/微波、電/光、微波/電、熱/電）材料及器件；

· 超輕、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料；

· 超輕、超低損耗導(dǎo)電材料。

5 結(jié)束語(yǔ)

空間太陽(yáng)能發(fā)電站的建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)而復(fù)雜的工作，對(duì)于我國(guó)能源安全及航天工業(yè)發(fā)展具有重大意義。作為一個(gè)非常宏大的空間系統(tǒng)，其發(fā)展還存在許多核心技術(shù)難題，需要開(kāi)展系統(tǒng)而持續(xù)的研究工作。我們期待通過(guò)集思廣益，發(fā)揮各方力量，實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能的大規(guī)模利用并造福人類。

（References）

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