□ 侯欣賓

自從首顆人造地球衛(wèi)星于1957年成功發(fā)射以來(lái)，人類(lèi)就在不斷擴(kuò)展空間探索和空間應(yīng)用的范圍。目前航天器已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于通信、遙感、導(dǎo)航和科學(xué)探測(cè)，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(gè)資源豐富的地方，能量資源和物質(zhì)資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球，空間資源利用成為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用太空的夢(mèng)想，也是人類(lèi)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。太陽(yáng)能是地球空間最為豐富的資源，如果能夠進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，對(duì)于人類(lèi)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展將具有重要的意義。

空間太陽(yáng)能電站原理

太陽(yáng)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(yáng)能能量密度波動(dòng)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(yáng)能，不受季節(jié)、晝夜變化等的影響，接收的太陽(yáng)能穩(wěn)定、能量密度高，約為每平方米1353瓦左右。同時(shí)，通過(guò)選取特定的電磁譜段，傳輸過(guò)程受到天氣的影響很小，可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛?，適合于太陽(yáng)能的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。在地球同步軌道99%的時(shí)間可以穩(wěn)定接收太陽(yáng)能，并能向地面固定接收站進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳輸。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，在空間利用太陽(yáng)能資源有可能成為大規(guī)模能源供給的方式。開(kāi)發(fā)利用地球同步軌道上的太陽(yáng)能資源，為地面提供大規(guī)模供電的大型供電系統(tǒng)稱(chēng)為空間太陽(yáng)能電站（SPS-Space Power Satellite或SSPS-Space Solar Power Station），也稱(chēng)為太空發(fā)電站。

建造空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想由美國(guó)科學(xué)家彼得·格拉賽先生于1968年提出。

空間太陽(yáng)能電站主要包括三大部分：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)能發(fā)電裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為電能。能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)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?，通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能接入電網(wǎng)。

空間太陽(yáng)能電站概念方案

空間太陽(yáng)能電站概念提出以后，引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注，以美國(guó)、日本等為代表的多個(gè)國(guó)家對(duì)于空間太陽(yáng)能電站開(kāi)展了長(zhǎng)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(guó)近幾年也組織了空間太陽(yáng)能電站國(guó)際競(jìng)賽。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著世界能源價(jià)格的不斷攀升和環(huán)境的日益惡化，越來(lái)越多的國(guó)家、組織、企業(yè)和個(gè)人都開(kāi)始研究空間太陽(yáng)能這種取之不盡的巨大空間能源。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)在近十年來(lái)也開(kāi)始了在此領(lǐng)域的探索性研究工作。

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

平臺(tái)式空間太陽(yáng)能電站

平臺(tái)式空間太陽(yáng)能電站的概念與傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星非常類(lèi)似，將太陽(yáng)能電池陣和微波發(fā)射天線(xiàn)相互旋轉(zhuǎn)以保證在任意時(shí)刻的太陽(yáng)能電池陣對(duì)日定向以及微波發(fā)射天線(xiàn)的對(duì)地定向。該方案控制相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠維持穩(wěn)定的太陽(yáng)能接收以及微波能量的傳輸，其最大的技術(shù)難點(diǎn)在于維持太陽(yáng)能電池陣和微波發(fā)射天線(xiàn)間相互旋轉(zhuǎn)的超大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

1979年，美國(guó)設(shè)計(jì)完成第一個(gè)空間太陽(yáng)能電站的系統(tǒng)方案，名為“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”。該方案是一種典型的平臺(tái)式空間太陽(yáng)能電站，系統(tǒng)由50千米2巨型太陽(yáng)電池陣和1千米直徑的大型發(fā)射天線(xiàn)組成，兩者通過(guò)巨大的導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，質(zhì)量約30000噸，無(wú)線(xiàn)能量傳輸采用2.45GHz微波，地面接收天線(xiàn)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(gè)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(chǔ)。

2014年，中國(guó)空間技術(shù)研究院的研究人員以簡(jiǎn)化平臺(tái)式空間太陽(yáng)能電站超大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)難度為目標(biāo)，提出一種多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽(yáng)能電站概念（MR-SPS，Multi-Rotary Joint SPS）。電站由三大部分組成：太陽(yáng)電池陣、微波發(fā)射天線(xiàn)、主結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)總質(zhì)量接近10000噸，總長(zhǎng)度達(dá)到11.8千米，發(fā)電功率為1GW。其中太陽(yáng)電池陣由多個(gè)太陽(yáng)電池子陣組成，太陽(yáng)電池子陣與微波發(fā)射天線(xiàn)通過(guò)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。利用持續(xù)對(duì)日定向的多個(gè)相互獨(dú)立的太陽(yáng)電池子陣接收太陽(yáng)能，電能通過(guò)多個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射天線(xiàn)，以微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)姆绞较蛭挥诘孛娴慕邮仗炀€(xiàn)進(jìn)行能量傳輸。該方案實(shí)現(xiàn)了整體太陽(yáng)電池陣的模塊化設(shè)計(jì)，將單一的導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)獨(dú)立導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，大幅降低了導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的導(dǎo)電功率，消除了導(dǎo)電關(guān)節(jié)的單點(diǎn)失效問(wèn)題，在太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)方面是一個(gè)重大的進(jìn)步。但是仍然需要遠(yuǎn)距離的電力傳輸，在千米尺度的發(fā)射天線(xiàn)方面仍需要?jiǎng)?chuàng)新的設(shè)計(jì)。

聚光式空間太陽(yáng)能電站

聚光式空間太陽(yáng)能電站是國(guó)際上近年來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)，其主要技術(shù)特點(diǎn)是利用聚光系統(tǒng)和三明治結(jié)構(gòu)（將太陽(yáng)能發(fā)電、電源管理、微波轉(zhuǎn)化發(fā)射集成為一體）的組合消除了平臺(tái)式空間太陽(yáng)能電站的大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)距離電力傳輸問(wèn)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(wèn)題上需要重大的技術(shù)突破。

2007年，美國(guó)提出一種二次聚光空間太陽(yáng)能電站概念。該設(shè)計(jì)方案的最大特點(diǎn)是采用了二次聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用大型聚光主鏡和二次鏡組成的聚光系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)日指向控制實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行軌道各個(gè)方位能夠?qū)⑷肷涮?yáng)光反射到聚光電池陣表面，聚光比大約為5個(gè)太陽(yáng)常數(shù)。聚光電池陣與電源管理系統(tǒng)、微波轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和發(fā)射天線(xiàn)集成為三明治夾層結(jié)構(gòu)，將太陽(yáng)陣光伏發(fā)電以最短的路徑傳輸?shù)轿⒉ㄆ骷D(zhuǎn)化為微波并發(fā)射，以保證系統(tǒng)的高效率。通過(guò)初步的分析，該方案的總體質(zhì)量較平臺(tái)式電站略輕，但是尺寸更大，控制復(fù)雜，三明治夾層結(jié)構(gòu)溫度高，聚光電池陣表面的太陽(yáng)光照無(wú)法在一個(gè)軌道周期內(nèi)保持均勻。

2012年，在美國(guó)航宇局創(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）。該方案的核心思想還是聚光式空間太陽(yáng)能電站，創(chuàng)新性的提出了無(wú)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(jìn)一步分析），對(duì)于控制系統(tǒng)的壓力大大減小。并采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想以降低技術(shù)難度、降低研制成本，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量約為10000噸～12000噸。

重力梯度穩(wěn)定空間太陽(yáng)能電站

重力梯度穩(wěn)定空間太陽(yáng)能電站是一類(lèi)技術(shù)上相對(duì)簡(jiǎn)化的概念方案。其最大特點(diǎn)是太陽(yáng)電池陣與發(fā)射天線(xiàn)保持相對(duì)位置不變，整個(gè)系統(tǒng)采用重力梯度穩(wěn)定的方式實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)對(duì)地定向，無(wú)需進(jìn)行太陽(yáng)電池陣的對(duì)日定向控制。該種電站方案大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制的難度，但是最大的問(wèn)題是無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的發(fā)電，所以無(wú)法向地面接收站進(jìn)行連續(xù)供電，也就失去了空間太陽(yáng)能電站最大的優(yōu)勢(shì)。

2001年，歐洲基于美國(guó)提出的太陽(yáng)塔概念設(shè)計(jì)出太陽(yáng)帆塔概念方案。太陽(yáng)電池陣由數(shù)百個(gè)尺寸為150米×150米的太陽(yáng)帆類(lèi)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(cè)排列成2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(xiàn)。中央纜繩垂直于地面，以保證末端的發(fā)射天線(xiàn)指向地球。典型的太陽(yáng)帆塔方案的質(zhì)量為2140噸，長(zhǎng)度為15千米，發(fā)電功率為450MW。

2004年，為減小系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量，日本提出了分布式繩系太陽(yáng)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(tái)組成，單元板和衛(wèi)星平臺(tái)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(jié)構(gòu)，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(gè)系統(tǒng)。典型的分布式繩系太陽(yáng)能電站的質(zhì)量為26600噸，長(zhǎng)度為10千米，三明治夾層結(jié)構(gòu)為2.5千米×2.375千米，發(fā)電功率為1GW。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、系統(tǒng)的擴(kuò)展、組裝和維護(hù)，是日本重點(diǎn)研究的方案。

發(fā)展空間太陽(yáng)能電站的挑戰(zhàn)

通過(guò)以上介紹，可以看出空間太陽(yáng)能電站是一項(xiàng)宏大的工程，其規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)研制的最大的航天器——國(guó)際空間站，因此空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展對(duì)于運(yùn)輸能力、空間技術(shù)和航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也面臨著安全性、經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題。

（1）空間太陽(yáng)能電站對(duì)運(yùn)載發(fā)射能力的挑戰(zhàn)

發(fā)展空間太陽(yáng)能電站，需要建立年發(fā)射上千噸載荷能力的天地運(yùn)輸系統(tǒng)，對(duì)于運(yùn)載能力和發(fā)射能力帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。單次運(yùn)載發(fā)射能力應(yīng)當(dāng)比現(xiàn)有運(yùn)載火箭高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到上百?lài)?，需要發(fā)展重型運(yùn)載火箭；單次運(yùn)載發(fā)射成本應(yīng)當(dāng)比現(xiàn)有水平降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(fù)使用的新概念的低成本運(yùn)載技術(shù)；年發(fā)射次數(shù)應(yīng)當(dāng)達(dá)到數(shù)百次以上量級(jí)，對(duì)于目前的發(fā)射場(chǎng)設(shè)施也提出了極大的考驗(yàn)?？臻g太陽(yáng)能電站的最佳運(yùn)行軌道為GEO軌道，需要發(fā)展低成本可重復(fù)使用的軌道間轉(zhuǎn)移器，實(shí)現(xiàn)將載荷從LEO軌道運(yùn)輸?shù)紾EO軌道。

（2）空間太陽(yáng)能電站對(duì)于在軌組裝及維護(hù)能力的挑戰(zhàn)

空間太陽(yáng)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(dú)的模塊，分次發(fā)射到軌道進(jìn)行在軌組裝。電站的組裝模塊數(shù)量達(dá)到上千個(gè)，組裝規(guī)模巨大，同時(shí)電站壽命達(dá)到30年以上，必須發(fā)展高效率、低成本的在軌組裝及維護(hù)技術(shù)。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(jī)器人組裝方式，將需要發(fā)展高度自主的、功能強(qiáng)大的空間組裝機(jī)器人。同時(shí)需要建立一個(gè)功能強(qiáng)大的空間支持系統(tǒng)，用于電站的在軌構(gòu)建、維護(hù)和補(bǔ)給等。

（3）空間太陽(yáng)能電站對(duì)于傳統(tǒng)航天器研制模式的挑戰(zhàn)

空間太陽(yáng)能電站研制的工程量巨大，為了實(shí)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)模化，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(yáng)能電站對(duì)于傳統(tǒng)的航天器研制模式是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，有可能極大地改變航天基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展模式，并吸引大量商業(yè)資本的進(jìn)入，真正實(shí)現(xiàn)航天領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化發(fā)展。

（4）空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的環(huán)境安全性問(wèn)題

空間太陽(yáng)能電站作為一個(gè)能量傳輸系統(tǒng)，其安全性受到了很大關(guān)注。根據(jù)目前的設(shè)計(jì)，由于能量傳輸距離遠(yuǎn)（36000千米），根據(jù)微波傳輸特性，實(shí)際接收天線(xiàn)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(xiàn)直徑為1千米，接收天線(xiàn)直徑為4.5千米，則接收天線(xiàn)中心的最大微波能量密度約為27mW/cm2，接收天線(xiàn)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(shí)，為了防止波束偏離造成的危害，需要設(shè)置一定的安全區(qū)。而對(duì)于飛機(jī)等飛行器，雖然穿越波束的時(shí)間非常短，但還是有可能對(duì)于飛行安全造成影響，微波傳輸區(qū)域有可能會(huì)設(shè)為禁飛區(qū)。當(dāng)然，微波對(duì)于大氣環(huán)境以及對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響仍需要開(kāi)展長(zhǎng)期的研究和監(jiān)測(cè)。

（5）空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題

經(jīng)濟(jì)性是制約空間太陽(yáng)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(gè)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行全周期的投資規(guī)模巨大，主要包括電站的研制成本、運(yùn)輸成本、運(yùn)行維護(hù)成本等。考慮到現(xiàn)有航天器的研制、發(fā)射和運(yùn)行成本，在新概念、新技術(shù)應(yīng)用和大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展之前，其收益將無(wú)法補(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的建造和運(yùn)行成本。所以需要大幅提升技術(shù)水平，并且實(shí)現(xiàn)規(guī)?；ㄔO(shè)，全面降低研制、運(yùn)輸、建設(shè)和維護(hù)成本，將成本至少降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，空間太陽(yáng)能發(fā)電有可能在未來(lái)的新能源市場(chǎng)占據(jù)重要的地位。

空間太陽(yáng)能電站的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃

2012年，國(guó)際宇航科學(xué)院發(fā)布《空間太陽(yáng)能電站——第一次國(guó)際評(píng)估：機(jī)遇、問(wèn)題及可能的發(fā)展途徑》報(bào)告。分析了空間太陽(yáng)能發(fā)電在應(yīng)對(duì)未來(lái)對(duì)于快速增長(zhǎng)的可再生能源需求方面可能扮演的角色，并且評(píng)估了與空間太陽(yáng)能電站概念相關(guān)的技術(shù)成熟度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，最終形成一份發(fā)展路線(xiàn)圖報(bào)告。該報(bào)告提出了空間太陽(yáng)能電站未來(lái)的發(fā)展路線(xiàn)圖建議，作為各國(guó)發(fā)展空間太陽(yáng)能電站的參考。

2009年，日本宣布以三菱公司為主的集團(tuán)將在2030-2040年間建設(shè)世界第一個(gè)GW級(jí)商業(yè)SPS系統(tǒng)，總投資額將超過(guò)200億美元。根據(jù)日本于2011年提出最新SPS發(fā)展路線(xiàn)圖，擬通過(guò)研究、研發(fā)和商業(yè)三個(gè)發(fā)展階段在2040年左右建設(shè)商業(yè)SPS系統(tǒng)。根據(jù)2013年日本最新公布的航天基本計(jì)劃，空間太陽(yáng)能發(fā)電研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目列入七大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，并且作為三個(gè)國(guó)家長(zhǎng)期支持的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一（其它兩個(gè)為空間科學(xué)和深空探測(cè)領(lǐng)域、載人空間活動(dòng)領(lǐng)域）。

從空間太陽(yáng)能發(fā)電長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看，利用月球資源在月球表面建立太陽(yáng)能電站，實(shí)現(xiàn)向地球的輸電也許是一種更好的方式。月表太陽(yáng)光照條件穩(wěn)定，不存在空氣和水汽的影響。而且月球力學(xué)條件穩(wěn)定，不會(huì)受到天氣、地震活動(dòng)和生物過(guò)程的影響，非常適合于大面積太陽(yáng)能發(fā)電。同時(shí)，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(guò)月球原位資源利用生產(chǎn)所需的太陽(yáng)電池、導(dǎo)線(xiàn)、結(jié)構(gòu)部件、微波部件等，適合于開(kāi)展太陽(yáng)能電站的建設(shè)。2009年，日本提出一種稱(chēng)為月亮環(huán)的月球太陽(yáng)能電站概念。通過(guò)在月球表面建立一條太陽(yáng)能發(fā)電帶，通過(guò)面向地面的天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的電力供給。

大規(guī)?？臻g資源利用是人類(lèi)未來(lái)空間探索的目標(biāo)之一?？臻g太陽(yáng)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(lèi)長(zhǎng)期的空間資源利用活動(dòng)的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

航天領(lǐng)域的快速發(fā)展為空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展帶來(lái)很好的機(jī)遇。但是空間太陽(yáng)能電站規(guī)模宏大，其商業(yè)化建設(shè)還需要幾十年的時(shí)間，對(duì)于航天技術(shù)的發(fā)展提出了很大的挑戰(zhàn)，將吸引激勵(lì)年輕一代投身于航天事業(yè)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)探索利用宇宙的夢(mèng)想。