国际空间太阳能电站发展现状
第３０卷第１０期
２００９年１０月
太阳能学报
ＡＣＴＡＥＮＥＲＧＩＡＥＳｏＩＡＲｌＳ
ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．３０．Ｎｏ．１０
Ｏｃｔ．，２００９
国际空间太阳能电站发展现状
侯欣宾１，王
立１，朱耀平２，董
娜２
（１．中国空间技术研究院，北京１０００９４；２．普兰德电力技术有限公司，北京１０００８５）
摘要：空间太阳能电站（ｓｏｌａｒ
Ｐｏｗｅｒ
Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ，ＳＰＳ）概念受到了国际的广泛关注，美国和Ｅｔ本都已制定了争取在
２０３０年左右实现商业化运行的发展路线图，并且在概念和技术层面开展了大量的研究工作。中国有必要尽快开展此方面的相关研究工作，为未来的长远发展奠定基础。关键词：太阳能；空间电站；无线能量传输中图分类号：ＴＭ６１５
文献标识码：Ａ
Ｏ
引罱
将太阳能转化为电能；能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式（激光也可以直接通过太阳能转化），并利用天线向地面发送能束；地面接收系统接收空间发射来的能束，再通过转换装置将其转换为电能。整个过程经历了太阳能一电能一微波（激
１９６８年，美国的彼得・格拉赛博士首次提出空间太阳能电站的构想。空间太阳能电站作为一种很有前景的可再生能源系统概念得到各发达国家的广泛关注，而且空间太阳能电站供电的灵活性在地面应急供电、减灾、甚至行星探测方面具有重要的应用前景。空间太阳能电站相对于地面太阳能电站，主要优势体现在不受昼夜和天气的影响，可以连续工作，太阳能利用效率高，对于太阳定向装置和能量存储装置要求低，而且地面天线对于环境的影响较小。但日前其技术还很不成熟，特别是研制、维护成本方面具有明显的劣势。从上世纪９０年代以来，随着世界能源供需矛盾和环境保护问题日益突出，以美国和日本为主的发达国家已经投入巨资和人员开展广泛的空间太阳能电站技术研究【１Ｊ。与４０年前相比，太阳能发电效率、微波转化效率以及相关的航天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很好的基础。
光）～电能的能量转变过程。
图１空间太阳能电站工作不意图Ｆ培．１
ＳｏｌａｒＰｏｗｅｒ
１国际空间太阳能电站发展概述
１．１空间太阳能电站概念
空间太阳能电站是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线方式传输到地面的电力系统。主要由３部分组成：太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置（图１）。太阳能发电装置
收稿日期：加０８－０３．１３
Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓｙｓｔｅｍ
１．２国际空间太阳能电站发展现状１．２．１美国
美国在２０世纪７０年代，投入约５０００万美元进行空间太阳能电站和关键技术研究，并且提出５ＧＷ的“１９７９ＳＰｓ基准系统”方案。１９９５年７月，ＮＡＳＡ开展了重新评估ＳｉＸ５可行性的研究，并提出多种创
基金项目：侯欣宾（１９ｒ７３～），男，博士、高级工程师，主要从事科学卫星总体技术、空间能源技术方面的研究。ｈａｚｘＪｎｂｉｎ＠ｃａｓｔ．棚
太阳能学报
３０卷
新方案。１９９９年，ＮＡＳＡ在２年内投资２２００万美元，开展ｒ“空间太阳能探索性研究和技术”的计划，提出ＳＰＳ未来发展的技术路线图，计划于２０２０年实现
１０ＭＷ系统的空间验证［２“］。２００１年后，ＮＡＳＡ和美
国科学基金会共同出资开展“空间太阳能电站概念和技术程度研究”。２００７年美同国防部组织专家完成ｒ《空间太阳能电站作为战略安伞的机遇》中期评估撤告［５ｊ。报告对于美国政府组织开展夺间太阳能电站研究提出４点建议：①要有效的进行组织，以解决ＳＰＳ研制存在的问题；②要为ＳＰＳ的商业发展清除主要的技术风险；③为ＳＰＳ的研制创造一个有利的政策、制度和法律环境；④政府应成为ＳＰＳ早期的验证者、研制者和用户，并且激励其持续发展。１．２．２日本
日本是能源极缺的国家，从２０世纪８０年代就开始进行ＳＰＳ概念和关键技术研究。目前共有２００多名科学家参加１５个技术工作组，９０年代起陆续推出ＳＰＳ２０００、ＳＰＳ２００１、ＳＰＳ２００２、ＳＰＳ２００３、分布式绳系ＳＰＳ系统等概念设计，并且重点在微波传输、激光传输、材料及空间机器人技术方面开展工作。２００３年２月２７日，Ｅｌ本提出“促进窄问太阳能利用”ｉｔ－ｊｔ０，已列为国家计划，目标是在２０～３０年后实现商业化，目前已经提出在２０３０年实现１ＧＷ商业系统运行的技术路线图。１．２．３欧洲
欧洲在１９９８年开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了名为太阳帆塔的概念设计。２００２年８月，欧空局先进概念团队组建了欧洲空间太阳能电站研究网，重点在高效多层太阳电池、薄膜太阳电池、高效微波转化器、轻型大型空间结构等先进技术方面开展研究工作。１．２．４联合国
１９９９年７月召开的联合国第三次和平探索与利用外层李间会议，鼓励世界各组织进一步研究空间太阳能发电的技术与经济可行性。１．２．５国际无线电科学联盟
国际无线电科学联盟在２００１年建立了一个空间太阳能电站跨委员会工作组，于２００５年底发表了《空间太阳能电站白皮书》［６］，重点从无线传输的角度对空间太阳能电站的可行性和可能造成的影响进行了评估。决议认为：空间太阳能电站可以满足世界的能源需求而不产生明显的负面环境影响。
２空间太阳能电站系统方案
国际上已经提出几十种空间太阳能电站概念构想，总得来说空问太阳能电站概念可以分为两大类：一类是非聚光式，另一类是聚光式，而这两类又分别可以分为平台式和分布式。平台式非聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提｝｝｛的“１９７９ＳＰＳ基准系统”；分布式非聚光窄间太阳能电站的典型代表是日本提出的“分布式绳系太阳能电站卫星”；平台式聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提出的“集成对称聚光系统”；分布式聚光空间太阳能电站的典型代表是日本提出的“ＳＰＳ２００３”。从发展趋势上，空间太阳能电站概念的发展重点是从系统的轻型化、模块化等方面开展工作，同时要重点解决系统的散热和空间大功率电力的传输难题。下面给出几种典型的空间太阳能电站概念。
２．１
１９７９
ＳＰＳ基准系统
１９７９年美国提出第一个空问太阳能电站概念，名为“１９７９ＳＰＳ基准系统”。该设计方案为在地球静止轨道上布置６０个发电能力各为５ＧＷ的发电卫星，总设计目标为３００ＧＷ，约为美国电负荷的一半，系统主要性能参数见表１。
表１
１９７９
ＳＰＳ基准系统主要性能参数
Ｔａｂｌｅ１
１９７９ＳＰＳＲｅｆｅｒｅｎｃｅＳｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
参数数据
系统组成
卫星数目６０发电功率６０Ｘ
５ＧＷ
工作寿命３０年
重最
３×１０４～５
Ｘ
１０４ｔ
太阳帆板
尺寸１０ｋｍ×５ｋｍ×０．５ｋｍ
材料碳纤维复合材料轨道地球静止轨道太阳电池
硅或砷化镓
能量转换系统发射天线直径１ｋｍ电力输送系统频率
２．４５ＧＨｚ
地面接收天线尺寸１３ｋｍ×ｌＯｋｍ（椭圆）
系统采用桁架式太阳电池阵结构设计，体积和重量均较大，是后来的ＳＰＳ概念设计的基础。设计微波波束到达地面时的功率密度很小，波束中心约为２３ｍＷ／ｃｍ２，边缘只有１ｍＷ／ｃｍ２，对人、畜和庄稼不会造成危害。
２．２集成对称聚光系统
ＮＡＳＡ在２０世纪９０年代末的ＳＥＲＴ研究计划中
１０期侯欣宾等：国际空间太阳能电站发展现状
１４４５
提出新一代的名为“集成对称聚光系统”的设计方案，结构示意图见图２。采用了薄膜聚光设计，薄膜聚光采用Ｏ．５ｍｍ厚的Ｋａｐｔｏｎ膜，表面太阳光反射率
达到０．９，聚光膜到光伏电池的集光率为４．２５。设计将聚光太阳阵与微波发射天线布置在很近的位置，可以大大减小空间电力传输系统的体积和质量。
图２集成对称聚光系统
Ｆｉｇ．２
ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｙｍｍｅｔｒｉｃａｌＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｃｏｎｃｅｐｔ
２．３
日本空间太阳能电站方案概念
日本在空间太阳能电站研究中提出了多种方
夹层结构，大大简化了结构设计和空间装配的难度，但散热问题极难解决。在ＳＰＳ２００２方案中，改进了ＳＰＳ２００１的夹层结构，将太阳电池、发射天线布置在同一面，另一面作为热辐射器，可以大大改善热控的效果，但给能量转化效率和电池兼容性带来一定问题。ＳＰＳ２００３方案是在ＳＰＳ２００２方案的基础上，在辐射面后面增加了太阳屏，更加有利于系统的散热。ＳＰＳ２００３的另一个重要特点是各部件将采用编队飞行的方式保持相对位置稳定，是一个真正的分布式系统。
分布式绳系太阳能电站卫星概念减小了单个模块的复杂性和重量，更有利于系统的构建和组合。其基本单元由尺寸为１００ｍ
Ｘ
案，主要包括ＳＰＳ２００１、ＳＰＳ２００２、ＳＰＳ２００３、分布式绳系太阳能电站卫星概念等［７，ｓｌ（见图３）。
９５ｍ的单元板和卫星
平台组成，单元板为太阳电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板。每个单元板的总重约为４２．５ｔ，微波能量传输功率为２．１ＭＷ，单元板和卫星平台间采用４根２，１０ｋｍ的绳系悬挂在一起。由２５块单元板组成子板，２５块子板组成整个系统。
图３
日本空间太阳能电站方案概念设计
ＤｉｆｆｅｒｅｎｔＳＩＳｃｏｎｃｅｐｔｓｏｆ
２．４太阳帆塔
欧洲在１９９８年开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了太阳帆塔概
念‘９瑚］，主要参数见表２。
Ｆｉｇ．３
Ｊａｐａｎ
其中ＳＰＳ２００１采用了聚光系统，并且创新性的提出将太阳电池、微波转换装置和发射天线集成为
１４４６
太
阳能学报３０卷
表２欧洲太阳帆塔概念基本参数
Ｆｉｇ．２
ＳａｉｌＴｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
参数数据
轨道ＳＰＳ数量个
ＳｉＸ５塔
长度质量发电功率
Ｗ
发射天线
磁控管频率Ｄ疆半径质量发射功率
接收天线
数量咖姗‰季～一撇‰姗一螂
Ｗ
天线尺寸
ｌｌｉｍａ×１４ｋｍ
包括安全区域的基站面积２７Ｉ（Ｈｌ×３０ｋｍ
提供电功率每个ＳＰＳ塔
２７５ＭＷ总功率
５１０ＧＷ
该方案设计基础是基于美国提ｆ｛；的太阳塔概念，但采用丁许多新技术，主要是采用了可展开的轻
型结构——太阳帆，可以大大降低系统的总重量、减
小系统的装配难度。每一块太阳帆电池阵为一个模块，尺寸为１５０ｍ×１５０ｍ，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器运往地球同步轨道。
３空间太阳能电站的关键技术
３．１空间运输技术
卒Ｉ刈太阳能电站体积大、重量大，需要多次发射到近地轨道（ＬＥＯ）进行组装，再送往地球同步轨道（ＧＥＯ）。冈此，空间太阳能电站系统需要两类卒间运输技术：低成本大运载近地运载器，高性能轨道问推进系统。
目前最大的运载火箭包括美国的土星五号和俄罗斯的能源号运载火箭，近地轨道运载能力超过１００ｔ。而目前广泛使用的商用运载火箭，包括“德尔塔”、“质子”、“阿里亚娜”和“长征”等，近地轨道运载能力从１１．２—２５．０ｔ不等。为了节约成本，有必要发展大刑的可重复使用的运载丁具。
高比冲、长寿命的电推进系统是空间太阳能电站最自ｊ前途的空间轨道转移推进方式。美国已经研制５０ｋＷ霍尔电推力器，需要进一步研究大推力的
电推进系统，以适应窄问太阳能发电站的需求。３．２太阳能发电技术
空间太阳电站的太阳能发电考虑两种形式，即光电转化形式和热电转化形式。上世纪９０年代，考
虑到热电转换的较高效率，在空间站的电源系统设计中曾对空间太阳能热动力系统进行了广泛研究。随着光电转化技术的进步，其较高的效率（已经成熟的窄Ｉ＇日Ｊ太阳能电池的效率接近３０％）和高町靠件使得窄间太阳能电站的太阳能发电更多的立足于光电转化。目前。从空间太阳能电站的需求来看，为了提高系统的效率，降低系统的质量，研究重点是发展
聚光太阳电池和薄膜太阳电池技术，以提高能量转换效率，减轻产品重量，并需要进一步增强抗辐射等空间环境适应能力，降低生产成本。其中聚光太阳电池最为看好，也是目前空间太阳能电站系统较多采用的方案。图４为美国的ＳＥＲＴ计划给出的与空间太阳能电站发展目标相对应的太阳能发电技术目标。
３．３无线能量传输技术
无线能啭传输技术是空间太阳能电站的主要关键技术，在空间将太刚能转换成电能后，进一步转换为微波或激光，通过ｗＰｒｒ传输到地面，再通过微波或激光接收装置转换回电能。
目前来看，微波无线能量传输技术相对更为町
行。１９６４年，一个２．４ｋｇ重的无线电力传输直升飞机进行了验证，接收功率达到２７０Ｗ，飞行高度为１５ｍ。１９７５年，更大功率的微波电力传输试验在美国的ＪＰＬ试验成功，传输距离达到１．６ｋｍ，接收功率达到３０ｋＷ，接收端的直流转化效率达到０．８４。１３本已进行了几次空间微波电力传输试验，主要研究微波波束在空间等离子体环境下的相瓦作用。
激光传输能量集中，所需的接收设备小，造价便宜，且可以直接转化为氢等存储起来。但是，激光穿过大气层时，有能量损耗，在恶劣气候条件下不能使用，而且大功率的激光技术目前还有许多难点，需要进一步研究才能应用。
日前无线能量传输技术研究的重点是大功率、高效率、长寿命的能量转化器件技术，这对于降低系统的质量、减小热控等的复杂性都非常重要。
１０期侯欣宾等：国际空间太阳能电站发展现状
．ＭＢＧ厂≮
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・系统／结构・减小放电
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ｌ列霉
・高压绝缘／材料突破Ｉ李岔
・高耐热性能
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＝一
图４太阳能发电技术目标
Ｆｉｇ．４
Ｓｏｌａｒｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
３．４空间技术
１）空｜’日Ｊ组装、维护和维修技术：空间太阳能电站系统体积和重量巨大，需在近地轨道进行空间装配，而且系统在轨工作寿命达３０～４０年，在全任务周期内，面临着大量空间碎片和微流星体等的威胁，此外由于窄问太阳能电站运行时问长，其携带的燃料有限，需要进行在轨加注，维护任务需求很大，需要研究结构和部件模块自主组装技术、空间无人维护和维修技术。
２００６年１月２２１３，日本成功发射了Ｆｕｒｏｓｈｉｋｉ卫星¨¨，多个卫星在空间释放后，相互展开形成天线网格，之后整个系统旋转，以保证天线网格的张力。天线网格搭建完毕后，机器人就可以在网格上工作以建造相控阵天线。主要验证新型自主空间展开天线和空间机器人技术。
２）姿态控制及波束指向控制技术：空间太阳能电站的面积将达到几十平方公里，在运行过程中，既要保证太阳电池阵尽可能对日定向，又要保证微波波束与地面接收天线精确定向，给系统的姿态控制和波束指向控制带来很大的难题。特别是波束指向控制技术对于空间太阳能电站的安全有效运行极其重要。
３）热控材料及热控技术：空间太阳能电站中的光．电、电．微波能量转换过程中所产生的热量排散是方案设计中的主要技术难题之一，而适合的工作温度又是保证系统长期正常工作的必要条件，采用合理的热控方案和热控材料对于提高系统可靠性、降低系统质量具有承要意义。
４）空间电力管理与输送技术：空间太阳能电站的输出功率达到ＧＷ级，其电流十分强大，如果采用常规技术，需要大量的电缆、绝缘材料和散热材料，严晕影响到空间太阳能电站的重量和成本。需研制高温超导输电电缆、长寿命高可靠制冷器、高效直流变换器及新型的绝缘、散热材料等。
５）轻型、长寿命的结构及其部件：空间太阳能电站的体积巨大，工作寿命长达３０年以上，为降低发射成本，需研制超轻型的展开式结构、充气膨胀结构和创新的多功能结构以及耐空间辐射环境的轻型复合材料。
４结论
空间太阳能电站对于未来的能源发展和灾害救援等具有重要意义，是一项宏伟的窀间和地面工程，不仅涉及到航天技术，还涉及到能源、材料、电子、微
１４４８
太阳能学报３０卷
波、激光、机器人、防护等诸多领域，系统规模浩大。虽然固际还没有成熟的系统上天，但其研究的深度和广度已经远远走在我们的前面。我国一些研究人员已经开展了一些研究工作Ｈ２ｌ，有必要组成一支较为完整的科研团队尽快开展此方面的相关研究工作，为未来的长远发展奠定基础。
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国际空间太阳能电站发展现状
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
侯欣宾， 王立， 朱耀平， 董娜
侯欣宾,王立(中国空间技术研究院,北京,100094)， 朱耀平,董娜(普兰德电力技术有限公司,北京,100085)
太阳能学报
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12. Li Guoxin.The Chinese view concerning power from spaceProspects for the 21st century[A].IAF-96-R.2.01[C].1996.10.
相似文献(2条)
1.期刊论文 朱毅麟 空间太阳电站的发展前景评估 -上海航天2001,18(5)
首先回顾了NASA的空间太阳电站1979 SPS基准系统方案及其产生与搁置的背景,强调了1995 ～1997年新一轮论证中所提方案的高度模块化特点,这一特点使空间太阳电站的技术可行性大为增加.其次介绍了空间电站研究的工作分解结构和所需的关键技术.最后从全球对电能的需求、有关国家的态度、关键技术的进展等几个方面,给出了对空间电站发展前景的不同评价.
2.期刊论文 李国欣. 徐传继. Li Guoxin. Xu Chuanji 我国发展空间太阳能电站的必要性和相关技术基础分析 -太阳能学报1998,19(4)
对我国建立空间太阳能电站的必要性进行了讨论.在分析建设空间电站相关技术的基础上,提出了发展我国空间电站的构想.发展空间太阳能电站是我国解决能源需求、优化能源结构的理想选择;我国的技术基础已具备建立空间电站的能力,需对一些关键技术进行重点论证、研究,要加快发展载人航天技术和空间站技术;应首先发展太阳能发电卫星,之后再发展电力传输卫星等其它空间电站形式.从现在起就开始准备,我国可能在20年左右时间内建立初步的空间电站演示系统.
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