空间太阳能电站发展综述及对构建全球能源互联网的影响之欧阳育创编.docx

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空间太阳能电站发展综述及对构建全球能源互联网的影响之欧阳育创编

空间太阳能电站发展综述及对构建全球能源互联网的影响

时间：

2021.02.04

创作：

欧阳育

能源和环境问题是关系到国家政治、经济和安全的重大战略问题。

空间太阳能电站作为一种能够大规模稳定利用太阳能的方式，日益受到世界主要航天大国的高度关注。

随着空间技术和相关技术领域的快速进步，空间太阳能电站有可能成为实现可再生能源战略储备的重要手段。

一、空间太阳能电站概述

空间太阳能电站（SPS），也称为太空发电站，是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统（图1），也包括直接将太阳光反射到地面、在地面进行发电的系统。

图1空间太阳能电站示意图

相对于地面太阳能光伏发电，空间太阳能发电具有明显的效率优势。

据中国空间技术研究院副院长、研究员李明介绍，由于太空的太阳辐射每平方米可以达到1353瓦，是地面的5倍以上，在地球同步轨道，99%的时间可以接受太阳能辐射。

如果在地球同步轨道上部署宽度为1000米的太阳能电池阵环带，以转换效率100%计算，从理论上说，其1年接受的太阳能辐射，可以为地球可知开采石油储能的能量总和。

随着世界能源供需矛盾和环境保护问题日益突出，国际上开展了广泛的空间太阳能电站技术的研究，目前已经提出了几十种概念方案，并且在无线能量传输等关键技术方面开展了重点研究。

近年来，太阳能电池发电效率、微波转化效率以及相关的空间技术取得了很大进步，为未来空间太阳能电站的发展奠定了良好的基础。

虽然空间太阳能电站没有不可逾越的技术原理问题，但作为一个非常宏大的空间系统，其发展还存在许多核心技术难题，需要开展系统的研究工作，以取得突破性进展。

二、空间太阳能电站的最新进展

2.1国外发展概况

空间太阳能电站的应用前景引起了国际上的广泛关注，以美国、日本等为代表的多个国家对于空间太阳能电站开展了长期的研究工作。

21世纪以来，越来越多的国家、组织、企业和个人都开始关注空间太阳能这种取之不尽的巨大空间能源。

（1）美国

美国是在SPS领域投入资金最多的国家，也是研究最长的国家，推出了众多创新性的概念方案和技术，虽然未列入正式的国家发展计划，但得到了持续的关注和支持。

20世纪70年代末，美国能源部和美国航空航天局（NASA）耗资5000万美元开展SPS系统和关键技术研究，完成第一个详细的SPS方案——5GW的1979参考系统。

1995年，NASA开始重新评估空间太阳能电站的可行性。

1999年，NASA投资2200万美元开展了“空间太阳能发电的探索研究和技术计划（SERT）”研究。

该计划提出了空间太阳能电站的发展路线图，并提出了集成对称聚光系统等新概念。

2007年，美国国防部发表了“空间太阳能电站作为战略安全的机遇”中期报告，引发了新一轮的空间太阳能电站的研究热潮。

2009年，美国PG＆E公司宣布与Solaren公司签署了正式购买200MWSPS电力的协议，成为世界第一个SPS购电协议。

（2）日本

日本是第一个将SPS正式列入国家航天计划的国家，提出了正式的发展路线图（图2），得到了长期持续的关注和发展。

虽然投入有限，但在无线能量传输等领域处于世界先进水平。

图2日本空间太阳能电站发展路线图（2011年）

从20世纪80年代起，日本就成立了特别委员会，组织数百名科学家参加了15个技术工作组，开始研究SPS概念方案和关键技术。

2009年，日本宣布以三菱公司为主的集团将在2030～2040年间建设世界第一个GW级的商业SPS系统，总投资额将超过200亿美元。

根据2011年日本公布的最新发展路线图，日本SPS发展将分为3个阶段。

第一阶段:

研究阶段，2020年前

2012年前完成1kW级地面无线能量传输试验。

微波无线传输功率为1.6kW，传输距离50m。

激光无线传输功率为1kW，传输距离500m。

2015年利用小卫星或国际空间站JEM舱开展低轨无线能量传输验证，微波无线能量传输功率为kW级。

第二阶段:

研发阶段，2030年前

选择无线能量传输方式，开展100kW系统验证，预期地面接收能量为10kW。

研发2～200MW级系统。

2MW系统为商业系统的一个完整的模块单元（2024年），200MW系统为商业系统的1/5缩比模型（2030年前），为最终的验证系统。

第三阶段:

商业阶段

2035年前后，实现1GW的商业系统。

根据2013年日本最新公布的航天基本计划，空间太阳能发电研究开发项目列入七大重点发展领域，并且作为国家三个长期支持的重点研究领域之一（其它两个为空间科学和深空探测领域、载人空间活动领域）。

（3）其他国家

欧空局、加拿大、俄罗斯等国及相关国际组织非常关注该领域的发展，提出一些新概念，并重点在无线能量传输、超轻大型空间结构等先进技术方面开展研究工作。

2007年，国际无线电科学联盟（URSI）正式发布“URSI空间太阳能发电卫星（SPS）白皮书”。

2011年10月，国际宇航科学院组织的国际联合工作组正式发表“空间太阳能电站——第一次国际评估：

机遇、问题及可能的发展途径”研究报告。

2.2我国发展概况

2006年7月，中国航天科技集团公司组织进行了“空间太阳能电站发展必要性及概念研究”研讨。

2008年，国防科工局启动“我国空间太阳能电站概念和发展思路研究”项目的研究工作。

2010年，由中国空间技术研究院王希季、闵桂荣等七位院士牵头开展中国科学院学部咨询评议项目——空间太阳能电站技术发展预测和对策研究。

2010年，中国空间技术研究院组织召开首次“全国空间太阳能电站发展技术研讨会”，多位院士和近百位专家参加。

2014年5月，“空间太阳能电站发展的机遇与挑战”香山科学会议召开，多个领域的专家研讨了发展空间太阳能电站的重大科学问题和发展建议。

国际上也非常关注中国在此领域的发展。

利用国际会议和交流机会，我国与美国、日本、欧洲和俄罗斯的专家开展了广泛深入的技术研讨。

2013年，国际宇航大会在北京召开，中国专家应邀作了“21世纪人类的能源革命——空间太阳能发电”的空间发电分会主旨发言，葛昌纯院士作为特邀专家代表中国参加空间太阳能发电论坛。

在相关研究的基础上，“十二五”期间，在国防科工局等的支持下，国内有更多的研究团队开展了相关研究工作。

包括中国航天科技集团公司、中国工程物理研究院、西安电子科技大学、重庆大学、四川大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学和中科院长春光机所等单位，开展了空间太阳能电站系统方案和多项与空间太阳能电站相关的关键技术研究工作。

在中国航天科技集团公司原总经理马兴瑞指示下，中国空间技术研究院于2013年6月论证形成《系统谋划，加快推进中国空间太阳能电站领域发展》的研究报告，提出了我国SPS发展路线初步建议。

2013年，杨士中院士和段宝岩院士向国家建议开展太空发电站关键技术研究，引起了相关部门的重视，正在组织开展其发展论证工作。

今年3月6日，国航天科技集团五院载人飞船系统总设计师张柏楠在全国两会期间向记者透露，五院“钱学森空间技术实验室”团队已开展太阳能电站具体研究工作，目前正处于研究试验阶段。

三、空间太阳能电站关键技术与类型

通过对十几种空间太阳能电站概念进行分析和比较，可从运行轨道、构型、无线能量传输方式、发电方式、电源管理等几个主要方面对于空间太阳能电站进行分类（表1）。

空间太阳能电站概念的发展重点是以轻型化、模块化等为目标，重点解决系统的控制、大功率电力管理、散热等难题。

表1空间太阳能电站概念的比较

3.1运行轨道

空间太阳能电站可能的运行轨道包括:

LEO（低地球轨道）、GEO（地球静止轨道）、SSO（太阳同步轨道）、L1（太阳-地球第一拉格朗日点）、月球及行星环绕轨道等。

低地球轨道的优点是轨道高度较低、发射或接收天线面积较小、运输成本较低、可利用空间站进行组装维护;缺点是每个轨道内需经历较大的阴影期，无法实现连续供电，地面需多个接收站与之配合，运行控制和姿态轨道维持较为复杂。

低地球轨道较适于小型试验系统。

太阳同步轨道可较好地保持太阳电池阵的对日定向和发射天线的对地球定向，全年的大部分时间均可连续工作;缺点是地面需要非常多的接收站与之配合，才能实现连续供电，控制非常复杂。

地球同步轨道是空间太阳能电站的最佳运行轨道，可以很好地实现与地面接收站间的定点传输，易于实现太阳电池阵的对日定向和发射天线的对地定向，全年的大部分时间均可连续工作;缺点是轨道高度高、距离地球远，因此发射天线和接收天线面积大、运输成本高、维护困难。

日地L1点轨道作为日地第一平动点，仅需很小的姿态控制即可实现太阳电池阵的对日定向和发射天线的对地球定向;缺点是距离地球远（约150万km），发射天线面积大、运输成本高、维护困难，且地面需多个接收站与之配合。

月球及行星环绕轨道主要用于月球和行星（火星）探索的供电。

目前已提出基于行星环绕轨道的供电方案，为行星表面移动目标、极地阴影区探测器和行星基地供电。

国际上也提出了利用月球表面建立月球空间太阳能电站的构想。

从目前的轨道分析，大规模能源利用最优的空间太阳能电站运行轨道为GEO轨道，但空间太阳能电站构建的关键在轨组装过程，应从运载能力和装配能力角度考虑LEO和GEO两种轨道。

3.2结构型式

空间太阳能电站从构型角度可分为两大类:

一类是聚光空间太阳能电站概念，保持聚光器对日定向，并利用聚光器改变太阳光的方向，入射到太阳电池阵上;另一类是非聚光空间太阳能电站概念，利用旋转机构保持太阳电池阵列对太阳指向或不对太阳定向。

非聚光空间太阳能电站的代表为1979SPS基准系统。

系统配置相对简单，易于扩展功率水平，但也存在一些难题，特别是高功率传输和电源管理的挑战。

其主要技术特点包括:

①构型简单，太阳电池阵适合采用较轻的薄膜太阳电池;通过增加太阳电池阵列模块可轻松实现功率的扩展;②需采用高功率旋转机构，维持太阳电池阵指向太阳;③将电能从太阳电池阵传输到微波器件，需大量的输电电缆进行远距离、大功率的电力传输，会产生较大的功率损耗。

聚光空间太阳能电站是空间太阳能电站发展的新方向，典型代表为最新提出的聚光系统方案。

主要技术特点包括:

①采用聚光系统确保发射天线对地球定向的同时，入射太阳光可反射到太阳电池表面;②消除了高功率导电旋转机构;③采用高效率聚光电池，减小电池阵的面积;④采用夹层结构很好地解决了长距离电力传输问题;⑤由于增加了聚光系统，通常包括主聚光器和二级聚光器以及支撑结构，构型和控制变得非常复杂，系统规模很难扩展;⑥在高聚光比情况下系统散热将成为一个重要问题，需采用高温部件。

3.3太阳能发电技术

太阳能发电技术是影响空间太阳能电站整个系统的效率、尺寸、重量和截面积的主要因素，重点是要提高发电效率、比功率和增加寿命（30a以上）。

主要考虑太阳能光伏发电系统和太阳能热动力发电系统两种方式。

太阳能热动力发电系统从未在空间中应用，故不以此作为主要候选方式。

光伏发电技术成熟，在空间应用超过50a，随着太阳电池效率的逐步提高，光伏发电系统成为空间太阳能电站研究的主要选用方式。

空间太阳能发电系统追求较高的光电转化效率和较高的功率/质量比。

而对于不同的空间太阳能电站概念方案，需选取不同的太阳能光伏发电技术，分析多种SPS概念认为可主要选择两种光伏电池，一是适用于非聚光空间太阳能电站系统的薄膜太阳电池，其质量轻、成本低，但效率低，导致电池阵面积较大，目前的重点研究方向为适应空间环境的铜铟镓硒薄膜电池;另一种是适用于聚光空间太阳能电站系统的聚光太阳电池，其效率较高，所需的太阳电池面积较小，可采用具有高效率的聚光多结砷化镓太阳电池，国际上的应用目标是光电转换效率达到45%以上，成本可降至目前的一半。

对于聚光太阳电池的应用，难题在于需要和高性能的聚光和散热系统，且保持器件在高温下的性能。

3.4无线能量传输技术

无线能量传输技术是空间太阳能电站的技术基础。

主要包括两种技术，即微波无线能量传输技术（MPT）和激光无线能量传输技术（LPT），两种技术的对比详见表2。

表2无线能量传输技术的比较

微波无线能量传输是指从空间到地面利用微波的方式进行能量传输。

为了使微波能更高效地在大气中传输，一般使用不受云、雨等气象条件影响的工业、科学和医疗（ISM）频带2.45GHz或5.8GHz（波长0.12m或0.05m）的微波频率。

激光无线能量传输是指将太阳光直接泵浦激光或太阳光发电后再转化成的激光传输到地面，利用光电转换装置将接收到的激光转换为电力或直接分解海水制造氢气。

微波传输和激光传输的主要区别在于波长的不同，它们之间有约5个数量级的差异，这决定了两者的主要差别。

微波无线能量传输技术具有较高的转化传输效率，最大的优势是大气、云层穿透性好且安全性较好，但其波束宽、天线尺寸较大。

激光无线能量传输技术效率较低，受天气影响大，存在较大的安全隐患，但灵活性更强、波束窄，更适合于空间目标间的无线能量传输。

微波无线能量传输技术被认为是较为成熟的技术，可行性更高，是空间太阳能电站研究的重点。

激光无线能量传输技术由于其在灵活供电和直接制氢方面的优势，也被认为是一个重要的候选方案，需合理选择频率来减小大气损耗。

3.5电源管理与分配技术

作为一个空间的超大功率系统，空间太阳能电站的电源管理和分配技术（PMAD）是最重要的技术之一。

基于不同的概念方案，空间太阳能电站的电源管理和分配方式总体分为两类，集中式PMAD和分布式PMAD。

集中式PMAD是指由太阳电池阵发出的电能需集中到一个连接点（如高功率旋转机构，如图3），然后集中的电能根据需求进行变换并分配到微波装置，该技术适合于非聚光空间太阳能电站概念。

采取集中式PMAD的空间太阳能电站概念包括1979年参考系统、太阳塔、太阳盘等。

图3集中式电源管理与分配方式

集中式PMAD的优点是通过大功率旋转机构集中供电，便于实现太阳电池阵的对日定向，可保证整个系统较高的效率;太阳电池阵的面积可根据系统需求扩大，易于实现大功率空间太阳能电站系统，较适合采用较轻的、较低成本的薄膜式太阳电池，便于提供从LEO到GEO轨道运输所需的大功率电能。

其缺点是超大功率（GW级）的空间旋转机构技术实现难度极大。

由于太阳阵面积极大，将太阳电池阵的电力传输到旋转机构需远距离的传输导线，电力损耗大，所需导线较重，可考虑采用超导传输方式。

分布式PMAD是指由太阳电池阵产生的电能无需集中到一起，每个发电子阵产生的电能可直接进行变换并分配到对应的微波器件模块（图4），主要用于三明治结构，适合于聚光空间太阳能电站概念。

采用分布式PMAD的SPS概念包括SPS2001、集成对称聚光系统等。

图4分布式电源管理与分配方式

分布式PMAD的优点是无需采用大功率旋转机构，解决了空间太阳能电站最大的技术难题之一;采用分布式供电，避免了单点失效，可提高整个系统的可靠性;太阳电池阵发出的电能经很短的距离即可实现电力调节和为微波装置供电，电力损耗小，所需导线大大减少。

其缺点是为了实现系统的高效率，必须采用聚光系统，系统控制复杂，难以提供LEO到GEO轨道运输所需的大功率电能;太阳电池阵的面积受发射天线面积限制，系统功率的扩展很难。

四、空间太阳能电站面临的挑战

目前建设空间太阳能电站首先是技术难题。

空间太阳能电站是一个巨大的工程，对于现有的航天器技术提出了很大挑战：

规模大，质量达到万吨以上，比目前的卫星高出4个数量级，需要采用新材料和新型运载技术；面积达到数平方公里以上，比目前的卫星高出6个数量级，需要采用特殊的结构、空间组装和姿态控制技术；功率大，发电功率为吉瓦，比目前的卫星高出6个数量级，需要特别的电源管理和热控技术；寿命长，至少达到30年以上，比目前的卫星高出一倍以上，需要新材料和在轨维护技术；效率高，需要先进的空间太阳能转化技术和微波转化传输技术。

以1G瓦（100万千瓦）的空间太阳能电站为例，需要10平方公里的空间太阳能光伏板，其重量约相当于3000吨~4000吨，而这个重量相对于当前的火箭发射技术尚有难度。

据其介绍，目前最大的在轨物体为美国的国际空间站，其重量也不过400吨左右；而中国目前的火箭发射重量也不大，按照4000吨的重量，则需要发送50次以上，之后的空间组装技术也是一大难题。

其次是成本问题。

有专家估算，目前地球同步轨道每公斤的发射成本高达10万元左右，建设一个天基太阳能发电站需要耗资3000亿至10000亿美元。

根椐有关方面分析，要使空间太阳能发电具有实际应用价值，需要将地球同步轨道每公斤的发射成本降至为0.13万元左右，即要求运载器每公斤的发射成本下降2个数量级。

在新概念、新技术和大规模商业化之前，收入难以补偿整个系统的建造和运行成本。

再次是环境影响。

大功率无线能量传输对于天文、大气、生物系统、电磁系统、地面利用、航天操作人员、静止轨道卫星等可能存在一定影响。

最后是运行问题。

空间太阳能电站运行中还有许多问题，其中包括需采取相应措施对波束进行安全控制问题、对于飞行器的影响、空间碎片可能对空间太阳能电站造成局部损害、易攻击性、可能成为空间垃圾等。

此外，还有轨道和频率、产能、发射能力等问题。

五、空间太阳能电站对构建全球能源互联网的影响

空间太阳能电站采用无线方式从太空向地面传输能量，从经济角度来看，接收端必将建设在负荷中心附近，稍微调整太空能量束的发射角度即可实现能量在地面的远距离转移，因此，空间太阳能电站一旦投运将削弱地面远距离输电的必要性，不利于特高压电网建设。

不过，空间太阳能电站还存于实验研究阶段，距商业化应用还有较远距离，中短期对全球能源互联网建设没有实质影响。

时间：

2021.02.04

创作：

欧阳育