在空間建設太陽能發(fā)電站

□ 侯欣賓

自從首顆人造地球衛(wèi)星于1957年成功發(fā)射以來，人類就在不斷擴展空間探索和空間應用的范圍。目前航天器已經(jīng)被廣泛的應用于通信、遙感、導航和科學探測，作為主要的信息獲取和信息傳遞的手段極大地改變了人們的生活方式。宇宙也是一個資源豐富的地方，能量資源和物質(zhì)資源遠遠超過地球，空間資源利用成為人類開發(fā)利用太空的夢想，也是人類長期追求的目標。太陽能是地球空間最為豐富的資源，如果能夠進行大規(guī)模開發(fā)利用，對于人類未來的可持續(xù)發(fā)展將具有重要的意義。

空間太陽能電站原理

太陽能是地球能夠利用的最豐富、最持久、最清潔的能源，由于受到晝夜，大氣和天氣等的影響，地面太陽能能量密度波動大，需要配置大規(guī)模的蓄電裝置才能保證供電的穩(wěn)定。在空間利用太陽能，不受季節(jié)、晝夜變化等的影響，接收的太陽能穩(wěn)定、能量密度高，約為每平方米1353瓦左右。同時，通過選取特定的電磁譜段，傳輸過程受到天氣的影響很小，可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛妫m合于太陽能的大規(guī)模開發(fā)利用。在地球同步軌道99%的時間可以穩(wěn)定接收太陽能，并能向地面固定接收站進行穩(wěn)定的能量傳輸。從長遠考慮，在空間利用太陽能資源有可能成為大規(guī)模能源供給的方式。開發(fā)利用地球同步軌道上的太陽能資源，為地面提供大規(guī)模供電的大型供電系統(tǒng)稱為空間太陽能電站（SPS-Space Power Satellite或SSPS-Space Solar Power Station），也稱為太空發(fā)電站。

建造空間太陽能電站的構想由美國科學家彼得·格拉賽先生于1968年提出。

空間太陽能電站主要包括三大部分：太陽能發(fā)電裝置，能量轉換和發(fā)射裝置,地面接收和轉換裝置。太陽能發(fā)電裝置將太陽能轉化成為電能。能量轉換裝置將電能轉換成微波或激光（一般考慮采用微波），并利用發(fā)射裝置向地面發(fā)送波束。地面接收系統(tǒng)接收空間傳輸?shù)牟ㄊㄟ^轉換裝置將其轉換成為電能接入電網(wǎng)。

空間太陽能電站概念方案

空間太陽能電站概念提出以后，引起了國際上的廣泛關注，以美國、日本等為代表的多個國家對于空間太陽能電站開展了長期的研究工作，并且已經(jīng)列入日本的航天發(fā)展規(guī)劃，美國近幾年也組織了空間太陽能電站國際競賽。進入21世紀以來，隨著世界能源價格的不斷攀升和環(huán)境的日益惡化，越來越多的國家、組織、企業(yè)和個人都開始研究空間太陽能這種取之不盡的巨大空間能源。隨著航天技術的發(fā)展，中國在近十年來也開始了在此領域的探索性研究工作。

空間太陽能電站作為一個空間資源利用系統(tǒng)，規(guī)模宏大，與傳統(tǒng)的航天器設計存在很大的不同。國際上已經(jīng)提出幾十種空間太陽能電站概念方案，大致可以分為平臺式空間太陽能電站、聚光式空間太陽能電站、重力梯度穩(wěn)定空間太陽能電站三類。

平臺式空間太陽能電站

平臺式空間太陽能電站的概念與傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星非常類似，將太陽能電池陣和微波發(fā)射天線相互旋轉以保證在任意時刻的太陽能電池陣對日定向以及微波發(fā)射天線的對地定向。該方案控制相對簡單，能夠維持穩(wěn)定的太陽能接收以及微波能量的傳輸，其最大的技術難點在于維持太陽能電池陣和微波發(fā)射天線間相互旋轉的超大功率導電旋轉關節(jié)。

1979年，美國設計完成第一個空間太陽能電站的系統(tǒng)方案，名為“1979 SPS基準系統(tǒng)”。該方案是一種典型的平臺式空間太陽能電站，系統(tǒng)由50千米2巨型太陽電池陣和1千米直徑的大型發(fā)射天線組成，兩者通過巨大的導電旋轉關節(jié)連接，質(zhì)量約30000噸，無線能量傳輸采用2.45GHz微波，地面接收天線直徑約為10千米，波束中心大約為23米瓦/厘米2，邊緣為1米瓦/厘米2，單個系統(tǒng)的發(fā)電功率為5GW。該方案的提出成為后續(xù)多種概念方案研究的基礎。

2014年，中國空間技術研究院的研究人員以簡化平臺式空間太陽能電站超大功率導電旋轉關節(jié)難度為目標，提出一種多旋轉關節(jié)空間太陽能電站概念（MR-SPS，Multi-Rotary Joint SPS）。電站由三大部分組成：太陽電池陣、微波發(fā)射天線、主結構，設計總質(zhì)量接近10000噸，總長度達到11.8千米，發(fā)電功率為1GW。其中太陽電池陣由多個太陽電池子陣組成，太陽電池子陣與微波發(fā)射天線通過主結構進行連接。利用持續(xù)對日定向的多個相互獨立的太陽電池子陣接收太陽能，電能通過多個獨立的導電旋轉關節(jié)傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射天線，以微波無線能量傳輸?shù)姆绞较蛭挥诘孛娴慕邮仗炀€進行能量傳輸。該方案實現(xiàn)了整體太陽電池陣的模塊化設計，將單一的導電旋轉關節(jié)轉變?yōu)槎鄠€獨立導電旋轉關節(jié)，大幅降低了導電旋轉關節(jié)的導電功率，消除了導電關節(jié)的單點失效問題，在太陽電池陣的設計方面是一個重大的進步。但是仍然需要遠距離的電力傳輸，在千米尺度的發(fā)射天線方面仍需要創(chuàng)新的設計。

聚光式空間太陽能電站

聚光式空間太陽能電站是國際上近年來發(fā)展的重點，其主要技術特點是利用聚光系統(tǒng)和三明治結構（將太陽能發(fā)電、電源管理、微波轉化發(fā)射集成為一體）的組合消除了平臺式空間太陽能電站的大功率導電旋轉關節(jié)和遠距離電力傳輸問題，但是在大型聚光系統(tǒng)及其控制和高熱流密度的熱控問題上需要重大的技術突破。

2007年，美國提出一種二次聚光空間太陽能電站概念。該設計方案的最大特點是采用了二次聚光系統(tǒng)設計方案，利用大型聚光主鏡和二次鏡組成的聚光系統(tǒng)，通過對日指向控制實現(xiàn)在運行軌道各個方位能夠將入射太陽光反射到聚光電池陣表面，聚光比大約為5個太陽常數(shù)。聚光電池陣與電源管理系統(tǒng)、微波轉化系統(tǒng)和發(fā)射天線集成為三明治夾層結構，將太陽陣光伏發(fā)電以最短的路徑傳輸?shù)轿⒉ㄆ骷?，轉化為微波并發(fā)射，以保證系統(tǒng)的高效率。通過初步的分析，該方案的總體質(zhì)量較平臺式電站略輕，但是尺寸更大，控制復雜，三明治夾層結構溫度高，聚光電池陣表面的太陽光照無法在一個軌道周期內(nèi)保持均勻。

2012年，在美國航宇局創(chuàng)新概念項目支持下，由美國、日本和英國科學家共同提出了一種新的空間太陽能電站概念方案——任意相控陣空間太陽能電站（SPS-ALPHA）。該方案的核心思想還是聚光式空間太陽能電站，創(chuàng)新性的提出了無需控制的聚光系統(tǒng)概念（該聚光系統(tǒng)的有效性還有待進一步分析），對于控制系統(tǒng)的壓力大大減小。并采用了模塊化的設計思想以降低技術難度、降低研制成本，整個系統(tǒng)的質(zhì)量約為10000噸～12000噸。

重力梯度穩(wěn)定空間太陽能電站

重力梯度穩(wěn)定空間太陽能電站是一類技術上相對簡化的概念方案。其最大特點是太陽電池陣與發(fā)射天線保持相對位置不變，整個系統(tǒng)采用重力梯度穩(wěn)定的方式實現(xiàn)發(fā)射天線對地定向，無需進行太陽電池陣的對日定向控制。該種電站方案大大簡化了系統(tǒng)控制的難度，但是最大的問題是無法實現(xiàn)連續(xù)的發(fā)電，所以無法向地面接收站進行連續(xù)供電，也就失去了空間太陽能電站最大的優(yōu)勢。

2001年，歐洲基于美國提出的太陽塔概念設計出太陽帆塔概念方案。太陽電池陣由數(shù)百個尺寸為150米×150米的太陽帆類的電池陣模塊組成，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排列成2行，發(fā)出的電流通過由超導材料制成的中央纜繩輸送到纜繩末端的發(fā)射天線。中央纜繩垂直于地面，以保證末端的發(fā)射天線指向地球。典型的太陽帆塔方案的質(zhì)量為2140噸，長度為15千米，發(fā)電功率為450MW。

2004年，為減小系統(tǒng)的復雜性和重量，日本提出了分布式繩系太陽能電站概念。其基本組成單元由尺寸為100米×95米的單元板和衛(wèi)星平臺組成，單元板和衛(wèi)星平臺間采用四根約10千米的繩系懸掛在一起。單元板為三明治夾層結構，每塊單元板的總重約為42.5噸，微波能量傳輸功率為2.1MW。由25塊單元板組成系統(tǒng)子板，由25塊子板組成整個系統(tǒng)。典型的分布式繩系太陽能電站的質(zhì)量為26600噸，長度為10千米，三明治夾層結構為2.5千米×2.375千米，發(fā)電功率為1GW。該方案的模塊化設計思想非常清晰，有利于系統(tǒng)的小規(guī)模驗證、系統(tǒng)的擴展、組裝和維護，是日本重點研究的方案。

發(fā)展空間太陽能電站的挑戰(zhàn)

通過以上介紹，可以看出空間太陽能電站是一項宏大的工程，其規(guī)模遠遠超過人類研制的最大的航天器——國際空間站，因此空間太陽能電站的發(fā)展對于運輸能力、空間技術和航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出很大的挑戰(zhàn)，同時也面臨著安全性、經(jīng)濟性等問題。

（1）空間太陽能電站對運載發(fā)射能力的挑戰(zhàn)

發(fā)展空間太陽能電站，需要建立年發(fā)射上千噸載荷能力的天地運輸系統(tǒng)，對于運載能力和發(fā)射能力帶來巨大的挑戰(zhàn)。單次運載發(fā)射能力應當比現(xiàn)有運載火箭高出一個數(shù)量級，達到上百噸，需要發(fā)展重型運載火箭；單次運載發(fā)射成本應當比現(xiàn)有水平降低一個數(shù)量級，將每千克發(fā)射成本降低到10000元人民幣以下，需要發(fā)展可重復使用的新概念的低成本運載技術；年發(fā)射次數(shù)應當達到數(shù)百次以上量級，對于目前的發(fā)射場設施也提出了極大的考驗?？臻g太陽能電站的最佳運行軌道為GEO軌道，需要發(fā)展低成本可重復使用的軌道間轉移器，實現(xiàn)將載荷從LEO軌道運輸?shù)紾EO軌道。

（2）空間太陽能電站對于在軌組裝及維護能力的挑戰(zhàn)

空間太陽能電站質(zhì)量巨大、面積巨大，從尺寸和重量上都不可能采用整體發(fā)射的方式，必須分成單獨的模塊，分次發(fā)射到軌道進行在軌組裝。電站的組裝模塊數(shù)量達到上千個，組裝規(guī)模巨大，同時電站壽命達到30年以上，必須發(fā)展高效率、低成本的在軌組裝及維護技術。如果采用航天員參與的方式，將需要發(fā)展GEO軌道空間站。如果采用機器人組裝方式，將需要發(fā)展高度自主的、功能強大的空間組裝機器人。同時需要建立一個功能強大的空間支持系統(tǒng)，用于電站的在軌構建、維護和補給等。

（3）空間太陽能電站對于傳統(tǒng)航天器研制模式的挑戰(zhàn)

空間太陽能電站研制的工程量巨大，為了實現(xiàn)商業(yè)化和低成本，從材料、器件、部組件到系統(tǒng)的生產(chǎn)必須形成產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?，改變目前航天器的小批量研制的高成本、低效率模式，從而大幅提升效率、提高產(chǎn)能、降低成本。發(fā)展空間太陽能電站對于傳統(tǒng)的航天器研制模式是一個巨大的挑戰(zhàn)，有可能極大地改變航天基礎工業(yè)發(fā)展模式，并吸引大量商業(yè)資本的進入，真正實現(xiàn)航天領域的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化發(fā)展。

（4）空間太陽能電站發(fā)展的環(huán)境安全性問題

空間太陽能電站作為一個能量傳輸系統(tǒng)，其安全性受到了很大關注。根據(jù)目前的設計，由于能量傳輸距離遠（36000千米），根據(jù)微波傳輸特性，實際接收天線的能量密度還是比較低的。以目前典型的1GW系統(tǒng)為例，微波頻率為5.8GHz，發(fā)射天線直徑為1千米，接收天線直徑為4.5千米，則接收天線中心的最大微波能量密度約為27mW/cm2，接收天線邊緣微波能量密度約為1mW/cm2，已經(jīng)處于比較安全的范圍。同時，為了防止波束偏離造成的危害，需要設置一定的安全區(qū)。而對于飛機等飛行器，雖然穿越波束的時間非常短，但還是有可能對于飛行安全造成影響，微波傳輸區(qū)域有可能會設為禁飛區(qū)。當然，微波對于大氣環(huán)境以及對于生態(tài)環(huán)境的影響仍需要開展長期的研究和監(jiān)測。

（5）空間太陽能電站發(fā)展的經(jīng)濟性問題

經(jīng)濟性是制約空間太陽能電站發(fā)展的最主要因素之一。由于系統(tǒng)規(guī)模巨大，整個系統(tǒng)建設和運行全周期的投資規(guī)模巨大，主要包括電站的研制成本、運輸成本、運行維護成本等?？紤]到現(xiàn)有航天器的研制、發(fā)射和運行成本，在新概念、新技術應用和大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展之前，其收益將無法補償整個系統(tǒng)的建造和運行成本。所以需要大幅提升技術水平，并且實現(xiàn)規(guī)模化建設，全面降低研制、運輸、建設和維護成本，將成本至少降低一個數(shù)量級以上，空間太陽能發(fā)電有可能在未來的新能源市場占據(jù)重要的地位。

空間太陽能電站的長遠發(fā)展規(guī)劃

2012年，國際宇航科學院發(fā)布《空間太陽能電站——第一次國際評估：機遇、問題及可能的發(fā)展途徑》報告。分析了空間太陽能發(fā)電在應對未來對于快速增長的可再生能源需求方面可能扮演的角色，并且評估了與空間太陽能電站概念相關的技術成熟度和技術風險，最終形成一份發(fā)展路線圖報告。該報告提出了空間太陽能電站未來的發(fā)展路線圖建議，作為各國發(fā)展空間太陽能電站的參考。

2009年，日本宣布以三菱公司為主的集團將在2030-2040年間建設世界第一個GW級商業(yè)SPS系統(tǒng)，總投資額將超過200億美元。根據(jù)日本于2011年提出最新SPS發(fā)展路線圖，擬通過研究、研發(fā)和商業(yè)三個發(fā)展階段在2040年左右建設商業(yè)SPS系統(tǒng)。根據(jù)2013年日本最新公布的航天基本計劃，空間太陽能發(fā)電研究開發(fā)項目列入七大重點發(fā)展領域，并且作為三個國家長期支持的重點研究領域之一（其它兩個為空間科學和深空探測領域、載人空間活動領域）。

從空間太陽能發(fā)電長遠的發(fā)展來看，利用月球資源在月球表面建立太陽能電站，實現(xiàn)向地球的輸電也許是一種更好的方式。月表太陽光照條件穩(wěn)定，不存在空氣和水汽的影響。而且月球力學條件穩(wěn)定，不會受到天氣、地震活動和生物過程的影響，非常適合于大面積太陽能發(fā)電。同時，月球資源十分豐富，月塵和巖石材料包含了至少20%的硅、40%的氧、10%的金屬，可以直接通過月球原位資源利用生產(chǎn)所需的太陽電池、導線、結構部件、微波部件等，適合于開展太陽能電站的建設。2009年，日本提出一種稱為月亮環(huán)的月球太陽能電站概念。通過在月球表面建立一條太陽能發(fā)電帶，通過面向地面的天線實現(xiàn)連續(xù)的電力供給。

大規(guī)模空間資源利用是人類未來空間探索的目標之一?？臻g太陽能電站作為空間能源大規(guī)模利用的手段有可能成為空間資源利用的第一步，也將為人類長期的空間資源利用活動的開展奠定基礎。

航天領域的快速發(fā)展為空間太陽能電站的發(fā)展帶來很好的機遇。但是空間太陽能電站規(guī)模宏大，其商業(yè)化建設還需要幾十年的時間，對于航天技術的發(fā)展提出了很大的挑戰(zhàn)，將吸引激勵年輕一代投身于航天事業(yè)，實現(xiàn)人類探索利用宇宙的夢想。