1、WORD格式空間太陽能電站開展綜述及對構建全球能源互聯網的影響能源和環境問題是關系到國家政治、經濟和平安的重大戰略問題。空間太陽能電站作為一種能夠大規模穩定利用太陽能的方式，日益受到世界主要航天大國的高度關注。 隨著空間技術和相關技術領域的快速進步，空間太陽能電站有可能成為實現可再生能源戰略儲藏的重要手段。一、空間太陽能電站概述空間太陽能電站 SPS，也稱為太空發電站，是指在空間將太陽能轉化為電能， 再通過無線能量傳輸方式傳輸到地面的電力系統圖1，也包括直接將太陽光反射到地面、在地面進展發電的系統。專業資料整理WORD格式圖 1空間太陽能電站示意圖專業資料整理WORD格式相對于地面太陽能光伏發

2、電， 空間太陽能發電具有明顯的效率優勢。據中國空間技術研究院副院長、研究員李明介紹，由于太空的太陽輻射每平方米可以到達1353 瓦，是地面的5 倍以上，在地球同步軌道， 99%的時間可以承受太陽能輻射。如果在地球同步軌道上部署寬度為 1000 米的太陽能電池陣環帶， 以轉換效率 100%計算，從理論上說，其 1 年承受的太陽能輻射， 可以為地球可知開采石油儲能的能量總和。隨著世界能源供需矛盾和環境保護問題日益突出，國際上開展了廣泛的空間太陽能電站技術的研究，目前已經提出了幾十種概念方案，并且在無線能量傳輸等關鍵技術方面開展了重點研究。近年來，太陽能電池發電效率、微波轉化效率以及相關的空間技術取

3、得了很大進步，為未來空間太陽能電站的開展奠定了良好的根底。雖然空間太陽能電站沒有不可逾越的技術原理問題，但作為一個非常宏大的空間系統，其開展還存在許多核心技術難題，需要開展系統的研究工作， 以取得突破性進展。二、空間太陽能電站的最新進展2.1國外開展概況空間太陽能電站的應用前景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。 21 世紀以來，越來越多的國家、組織、企業和個人都開場關注專業資料整理WORD格式空間太陽能這種取之不盡的巨大空間能源。1美國美國是在 SPS領域投入資金最多的國家，也是研究最長的國家，推出了眾多創新性的概念方案和技術，雖然未

4、列入正式的國家開展計劃，但得到了持續的關注和支持。20 世紀 70 年代末，美國能源部和美國航空航天局 ( NASA) 耗資5000 萬美元開展 SPS 系統和關鍵技術研究，完成第一個詳細的 SPS 方案 5GW 的 1979 參考系統。 1995 年， NASA 開場重新評估空間太陽能電站的可行性。 1999 年，NASA 投資 2200 萬美元開展了“空間太陽能發電的探索研究和技術方案( SERT)研究。該方案提出了空間太陽能電站的開展路線圖， 并提出了集成對稱聚光系統等新概念。2007 年，美國國防部發表了“空間太陽能電站作為戰略平安的機遇中期報告，引發了新一輪的空間太陽能電站的研究熱潮

5、。2021年，美國 PGE 公司宣布與 Solaren 公司簽署了正式購置200MW SPS 電力的協議，成為世界第一個SPS 購電協議。2日本日本是第一個將SPS正式列入國家航天方案的國家，提出了正式的開展路線圖圖2，得到了長期持續的關注和開展。雖然投入有限，但在無線能量傳輸等領域處于世界先進水平。專業資料整理WORD格式圖 2 日本空間太陽能電站開展路線圖2021年從 20 世紀 80 年代起，日本就成立了特別委員會，組織數百名科學家參加了 15 個技術工作組，開場研究 SPS 概念方案和關鍵技術。2021年，日本宣布以三菱公司為主的集團將在2030 2040 年間建立世界第一個 GW 級

6、的商業 SPS 系統，總投資額將超過200 億美元。根據2021年日本公布的最新開展路線圖，日本 SPS開展將分為3 個階段。第一階段 : 研究階段，2021年前2021年前完成 1kW 級地面無線能量傳輸試驗。 微波無線傳輸功率為 1. 6kW，傳輸距離 50m。激光無線傳輸功率為 1kW，傳輸距離500m。2021 年利用小衛星或國際空間站 JEM 艙開展低軌無線能量傳輸驗證，微波無線能量傳輸功率為 kW 級。專業資料整理WORD格式第二階段 : 研發階段，2030 年前選擇無線能量傳輸方式，開展 100kW 系統驗證，預期地面接收能量為 10kW。研發 2 200MW 級系統。 2MW

7、系統為商業系統的一個完整的模塊單元 ( 2024 年) ，200MW 系統為商業系統的 1 /5 縮比模型 ( 2030 年前 ) ，為最終的驗證系統。第三階段 : 商業階段2035 年前后，實現1GW 的商業系統。根據2021年日本最新公布的航天根本方案，空間太陽能發電研究開發工程列入七大重點開展領域， 并且作為國家三個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。3其他國家歐空局、加拿大、俄羅斯等國及相關國際組織非常關注該領域的開展，提出一些新概念，并重點在無線能量傳輸、超輕大型空間構造等先進技術方面開展研究工作。 2007 年，國際無線電科學聯盟URS

8、I正式發布“URSI空間太陽能發電衛星 SPS白皮書。2021年 10 月，國際宇航科學院組織的國際聯合工作組正式發表“空間太陽能電站第一次國際評估：機遇、問題及可能的開展途徑研究報告。2.2我國開展概況2006 年 7 月，中國航天科技集團公司組織進展了“空間太陽能電站開展必要性及概念研究研討。2021年，國防科工局啟動“我專業資料整理WORD格式國空間太陽能電站概念和開展思路研究工程的研究工作。 2021 年，由中國空間技術研究院王希季、 閔桂榮等七位院士牽頭開展中國科學院學部咨詢評議工程空間太陽能電站技術開展預測和對策研究。2021年，中國空間技術研究院組織召開首次“全國空間太陽能電站開

9、展技術研討會，多位院士和近百位專家參加。2021年 5 月，“空間太陽能電站開展的機遇與挑戰 香山科學會議召開， 多個領域的專家研討了開展空間太陽能電站的重大科學問題和開展建議。 國際上也非常關注中國在此領域的開展。 利用國際會議和交流時機， 我國與美國、日本、歐洲和俄羅斯的專家開展了廣泛深入的技術研討。2021年，國際宇航大會在召開，中國專家應邀作了“ 21 世紀人類的能源革命空間太陽能發電 的空間發電分會主旨發言， 葛昌純院士作為特邀專家代表中國參加空間太陽能發電論壇。在相關研究的根底上， “十二五期間，在國防科工局等的支持下，國內有更多的研究團隊開展了相關研究工作。 包括中國航天科技集團

10、公司、中國工程物理研究院、*電子科技大學、*大學、*大學、理工大學、*工業大學、科技大學和中科院*光機所等單位，開展了空間太陽能電站系統方案和多項與空間太陽能電站相關的關鍵技術研究工作。 在中國航天科技集團公司原總經理馬興瑞指示下，中國空間技術研究院于2021年 6 月論證形成"系統謀劃，加快推進中國空間太陽能電站領域開展"的研究報告，提出了我國 SPS開展路線初步建議。2021年，楊士中院士和段寶巖院士向國家建議開展太空發電站關鍵技術研究， 引起了相關部門的重視， 正專業資料整理WORD格式在組織開展其開展論證工作。今年 3 月 6 日，國航天科技集團五院載人飛船系統總設

11、計師X柏楠在全國兩會期間向記者透露，五院“錢學森空間技術實驗室團隊已開展太陽能電站具體研究工作，目前正處于研究試驗階段。三、空間太陽能電站關鍵技術與類型通過對十幾種空間太陽能電站概念進展分析和比較，可從運行軌道、構型、無線能量傳輸方式、發電方式、電源管理等幾個主要方面對于空間太陽能電站進展分類(表 1) 。空間太陽能電站概念的開展重點是以輕型化、模塊化等為目標，重點解決系統的控制、大功率電力管理、散熱等難題。表 1空間太陽能電站概念的比較3.1運行軌道空間太陽能電站可能的運行軌道包括: LEO( 低地球軌道) 、GEO( 地球靜止軌道 ) 、SSO( 太陽同步軌道 ) 、L1( 太陽 -地球第

12、一拉專業資料整理WORD格式格朗日點 ) 、月球及行星環繞軌道等。低地球軌道的優點是軌道高度較低、發射或接收天線面積較小、運輸本錢較低、可利用空間站進展組裝維護; 缺點是每個軌道內需經歷較大的陰影期，無法實現連續供電，地面需多個接收站與之配合，運行控制和姿態軌道維持較為復雜。低地球軌道較適于小型試驗系統。太陽同步軌道可較好地保持太陽電池陣的對日定向和發射天線的對地球定向，全年的大局部時間均可連續工作 ; 缺點是地面需要非常多的接收站與之配合，才能實現連續供電，控制非常復雜。地球同步軌道是空間太陽能電站的最正確運行軌道， 可以很好地實現與地面接收站間的定點傳輸， 易于實現太陽電池陣的對日定向和發

13、射天線的對地定向，全年的大局部時間均可連續工作 ; 缺點是軌道高度高、距離地球遠，因此發射天線和接收天線面積大、運輸本錢高、維護困難。日地 L1 點軌道作為日地第一平動點，僅需很小的姿態控制即可實現太陽電池陣的對日定向和發射天線的對地球定向 ; 缺點是距離地球遠 ( 約 150 萬 km) ，發射天線面積大、 運輸本錢高、維護困難，且地面需多個接收站與之配合。月球及行星環繞軌道主要用于月球和行星 ( 火星 ) 探索的供電。目前已提出基于行星環繞軌道的供電方案， 為行星外表移動目標、 極地陰影區探測器和行星基地供電。國際上也提出了利用月球外表建立月球空間太陽能電站的設想。從目前的軌道分析， 大規

14、模能源利用最優的空間太陽能電站運行軌道專業資料整理WORD格式為 GEO 軌道，但空間太陽能電站構建的關鍵在軌組裝過程，應從運載能力和裝配能力角度考慮 LEO 和 GEO 兩種軌道。3. 2 構造型式空間太陽能電站從構型角度可分為兩大類 : 一類是聚光空間太陽能電站概念， 保持聚光器對日定向， 并利用聚光器改變太陽光的方向，入射到太陽電池陣上 ; 另一類是非聚光空間太陽能電站概念，利用旋轉機構保持太陽電池陣列對太陽指向或不對太陽定向。非聚光空間太陽能電站的代表為 1979 SPS 基準系統。系統配置相對簡單，易于擴展功率水平，但也存在一些難題，特別是高功率傳輸和電源管理的挑戰。其主要技術特點包

15、括 : 構型簡單，太陽電池陣適合采用較輕的薄膜太陽電池 ; 通過增加太陽電池陣列模塊可輕松實現功率的擴展 ; 需采用高功率旋轉機構，維持太陽電池陣指向太陽 ; 將電能從太陽電池陣傳輸到微波器件，需大量的輸電電纜進展遠距離、大功率的電力傳輸，會產生較大的功率損耗。聚光空間太陽能電站是空間太陽能電站開展的新方向， 典型代表為最新提出的聚光系統方案。主要技術特點包括 : 采用聚光系統確保發射天線對地球定向的同時，入射太陽光可反射到太陽電池外表 ; 消除了高功率導電旋轉機構 ; 采用高效率聚光電池，減小電池陣的面積 ; 采用夾層構造很好地解決了長距離電力傳輸問題 ; 由于增加了聚光系統， 通常包括主聚

16、光器和二級聚光器以及支撐構造， 構型和控制變得非常復雜，系統規模很難擴展 ; 在高聚光比情況下系專業資料整理WORD格式統散熱將成為一個重要問題，需采用高溫部件。3. 3 太陽能發電技術太陽能發電技術是影響空間太陽能電站整個系統的效率、尺寸、重量和截面積的主要因素， 重點是要提高發電效率、 比功率和增加壽命 ( 30a 以上 ) 。主要考慮太陽能光伏發電系統和太陽能熱動力發電系統兩種方式。 太陽能熱動力發電系統從未在空間中應用， 故不以此作為主要候選方式。光伏發電技術成熟，在空間應用超過 50a，隨著太陽電池效率的逐步提高， 光伏發電系統成為空間太陽能電站研究的主要選用方式。空間太陽能發電系統

17、追求較高的光電轉化效率和較高的功率 / 質量比。而對于不同的空間太陽能電站概念方案， 需選取不同的太陽能光伏發電技術，分析多種 SPS 概念認為可主要選擇兩種光伏電池，一是適用于非聚光空間太陽能電站系統的薄膜太陽電池，其質量輕、本錢低，但效率低，導致電池陣面積較大，目前的重點研究方向為適應空間環境的銅銦鎵硒薄膜電池 ; 另一種是適用于聚光空間太陽能電站系統的聚光太陽電池，其效率較高，所需的太陽電池面積較小，可采用具有高效率的聚光多結砷化鎵太陽電池， 國際上的應用目標是光電轉換效率到達 45%以上，本錢可降至目前的一半。 對于聚光太陽電池的應用，難題在于需要和高性能的聚光和散熱系統， 且保持器件

18、在高溫下的性能。專業資料整理WORD格式3. 4 無線能量傳輸技術無線能量傳輸技術是空間太陽能電站的技術根底。主要包括兩種技術，即微波無線能量傳輸技術( MPT) 和激光無線能量傳輸技術( LPT) ，兩種技術的比照詳見表2。表 2無線能量傳輸技術的比較微波無線能量傳輸是指從空間到地面利用微波的方式進展能量傳輸。為了使微波能更高效地在大氣中傳輸，一般使用不受云、雨等氣象條件影響的工業、科學和醫療( ISM) 頻帶2. 45GHz 或5.8GHz( 波長 0. 12m 或 0. 05m) 的微波頻率。激光無線能量傳輸是指將太陽光直接泵浦激光或太陽光發電后再轉化成的激光傳輸到地面，利用光電轉換裝置

19、將接收到的激光轉換為電力或直接分解海水制造氫氣。微波傳輸和激光傳輸的主要區別在于波長的不同，它們之間有約5 個數量級的差異， 這決定了兩者的主要差異。 微波無線能量傳輸技專業資料整理WORD格式術具有較高的轉化傳輸效率， 最大的優勢是大氣、 云層穿透性好且平安性較好，但其波束寬、天線尺寸較大。激光無線能量傳輸技術效率較低，受天氣影響大，存在較大的平安隱患， 但靈活性更強、波束窄，更適合于空間目標間的無線能量傳輸。微波無線能量傳輸技術被認為是較為成熟的技術，可行性更高，是空間太陽能電站研究的重點。 激光無線能量傳輸技術由于其在靈活供電和直接制氫方面的優勢， 也被認為是一個重要的候選方案， 需合理

20、選擇頻率來減小大氣損耗。3. 5 電源管理與分配技術作為一個空間的超大功率系統， 空間太陽能電站的電源管理和分配技術 ( PMAD) 是最重要的技術之一。基于不同的概念方案，空間太陽能電站的電源管理和分配方式總體分為兩類，集中式 PMAD 和分布式 PMAD。集中式PMAD 是指由太陽電池陣發出的電能需集中到一個連接點 ( 如高功率旋轉機構，如圖 3) ，然后集中的電能根據需求進展變換并分配到微波裝置， 該技術適合于非聚光空間太陽能電站概念。 采取集中式 PMAD 的空間太陽能電站概念包括 1979 年參考系統、 太陽塔、太陽盤等。專業資料整理WORD格式圖 3集中式電源管理與分配方式集中式P

21、MAD 的優點是通過大功率旋轉機構集中供電，便于實現太陽電池陣的對日定向，可保證整個系統較高的效率; 太陽電池陣的面積可根據系統需求擴大，易于實現大功率空間太陽能電站系統，較適合采用較輕的、 較低本錢的薄膜式太陽電池， 便于提供從 LEO 到GEO 軌道運輸所需的大功率電能。其缺點是超大功率( GW 級) 的空間旋轉機構技術實現難度極大。由于太陽陣面積極大， 將太陽電池陣的電力傳輸到旋轉機構需遠距離的傳輸導線，電力損耗大，所需導線較重，可考慮采用超導傳輸方式。分布式 PMAD 是指由太陽電池陣產生的電能無需集中到一起，每個發電子陣產生的電能可直接進展變換并分配到對應的微波器件模塊圖 4，主要用

22、于*治構造， 適合于聚光空間太陽能電站概念。采用分布式 PMAD 的 SPS 概念包括 SPS2001、集成對稱聚光系統等。專業資料整理WORD格式圖 4分布式電源管理與分配方式分布式PMAD 的優點是無需采用大功率旋轉機構，解決了空間太陽能電站最大的技術難題之一;采用分布式供電，防止了單點失效，可提高整個系統的可靠性; 太陽電池陣發出的電能經很短的距離即可實現電力調節和為微波裝置供電， 電力損耗小，所需導線大大減少。其缺點是為了實現系統的高效率， 必須采用聚光系統，系統控制復雜，難以提供 LEO 到 GEO 軌道運輸所需的大功率電能; 太陽電池陣的面積受發射天線面積限制，系統功率的擴展很難。

23、四、空間太陽能電站面臨的挑戰目前建立空間太陽能電站首先是技術難題 。空間太陽能電站是一個巨大的工程，對于現有的航天器技術提出了很大挑戰：規模大，質量到達萬噸以上， 比目前的衛星高出4 個數量級，需要采用新材料和新型運載技術； 面積到達數平方公里以上， 比目前的衛星高出6 個數量級，需要采用特殊的構造、空間組裝和姿態控制技術；功率大，發電功率為吉瓦， 比目前的衛星高出6 個數量級，需要特別的電源管理和熱控技術；壽命長，至少到達30 年以上，比目前的衛星高出一倍專業資料整理WORD格式以上，需要新材料和在軌維護技術；效率高，需要先進的空間太陽能轉化技術和微波轉化傳輸技術。以 1G 瓦100 萬千瓦的空