侯欣賓（錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）

1 引言

1968年，美國(guó)的彼得·格拉賽博士首次提出發(fā)展空間太陽能電站的具體構(gòu)想。全世界在此領(lǐng)域開展的相關(guān)研究工作已經(jīng)持續(xù)了超過50年，投入較大規(guī)模的經(jīng)費(fèi)和人員進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。期間曾經(jīng)歷了幾次快速發(fā)展期，也經(jīng)歷了一定的發(fā)展停滯。美國(guó)在20世紀(jì)70年代末和90年代末曾組織開展了兩次較大規(guī)模的研究工作。2015年，諾斯羅普·格魯曼公司（Northrop Grumman）投入1750萬美元，委托加州理工學(xué)院（CalTech）開展空間太陽能電站相關(guān)技術(shù)研究。日本從20世紀(jì)80年代開始開展了持續(xù)的研究工作，特別在無線能量傳輸技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先。我國(guó)從2006年開始了空間太陽能電站的研究，在系統(tǒng)方案和部分關(guān)鍵技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，成為國(guó)際關(guān)注的重點(diǎn)。韓國(guó)從2018年也啟動(dòng)了空間太陽能電站領(lǐng)域的研究項(xiàng)目，并提出初步的發(fā)展計(jì)劃。目前，空間太陽能電站的研究重心主要在亞洲，中國(guó)、日本和韓國(guó)成為推動(dòng)空間太陽能電站發(fā)展的核心力量。

第二屆韓國(guó)空間太陽能電站國(guó)際研討會(huì)參會(huì)人員合影

2 國(guó)際空間太陽能電站研討會(huì)回顧

第一屆韓國(guó)空間太陽能電站國(guó)際研討會(huì)

2017年11月6日，韓國(guó)空間太陽能電站研究協(xié)會(huì)（Korea Research Society for Space Based Solar Power）和韓國(guó)工程院機(jī)械工程委員會(huì)聯(lián)合組辦了“第一屆韓國(guó)空間太陽能電站國(guó)際研討會(huì)”，會(huì)議地點(diǎn)在韓國(guó)國(guó)會(huì)大廈，參加人員約40人，包括2名國(guó)會(huì)議員和眾多重要研究機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)人和大學(xué)教授。會(huì)議邀請(qǐng)了中國(guó)和日本專家介紹了中日在空間太陽能電站方面的研究進(jìn)展。

日本空間太陽能電站學(xué)會(huì)年會(huì)

2018年11月6日，日本空間太陽能電站學(xué)會(huì)年會(huì)在京都大學(xué)宇治校區(qū)的生存圈研究所召開，會(huì)議主席為世界著名無線能量傳輸專家Naoki Shinohara教授，參加人員約40人，包括日本空間太陽能電站研究的主要機(jī)構(gòu)研究人員和大學(xué)教授。會(huì)議首次邀請(qǐng)中國(guó)和韓國(guó)專家參加，分別介紹了中韓在空間太陽能電站方面的研究進(jìn)展。日本空間太陽能電站學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)Hiroshi Matsumoto教授主持會(huì)議，并致開幕詞。

第二屆韓國(guó)空間太陽能電站國(guó)際研討會(huì)

2019年2月16日，韓國(guó)空間太陽能電站研究協(xié)會(huì)和韓國(guó)宇航研究院（KARI）在韓國(guó)國(guó)會(huì)大廈聯(lián)合組辦了“第二屆韓國(guó)空間太陽能電站國(guó)際研討會(huì)”，會(huì)議規(guī)模擴(kuò)大到約100人，參會(huì)人員包括了韓國(guó)執(zhí)政黨現(xiàn)任主席、前總理李海瓚和三位國(guó)會(huì)議員等多位政要，以及現(xiàn)任KARI院長(zhǎng)Cheol-Ho Lim等韓國(guó)科技界重要人員，凸顯了韓國(guó)對(duì)此領(lǐng)域的重視程度。此次研討會(huì)上，韓國(guó)提出了空間太陽能電站未來十年發(fā)展計(jì)劃建議，并且首次展示了韓國(guó)提出的空間太陽能電站概念。會(huì)議邀請(qǐng)了中國(guó)、日本、美國(guó)和英國(guó)的5位專家參加會(huì)議，分別介紹了中國(guó)、日本、美國(guó)和英國(guó)在空間太陽能電站領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

K-SSPS主要參數(shù)

韓國(guó)空間太陽能電站2020－2029年發(fā)展計(jì)劃建議

K-SSPS在近地軌道狀態(tài)

3 韓國(guó)空間太陽能電站發(fā)展現(xiàn)狀

韓國(guó)從2016年開始關(guān)注空間太陽能電站的發(fā)展。2017年，韓國(guó)建立了空間太陽能電站研究協(xié)會(huì)，作為一個(gè)非政府組織，由國(guó)會(huì)議員、前科學(xué)技術(shù)部副部長(zhǎng)、韓國(guó)總統(tǒng)顧問、研究機(jī)構(gòu)院長(zhǎng)、大學(xué)校長(zhǎng)和教授、研究員等組成，形成“官產(chǎn)學(xué)研”組織，致力于推動(dòng)空間太陽能電站在韓國(guó)的發(fā)展，協(xié)會(huì)主席為KARI前院長(zhǎng)Seung-Jo Kim教授，共同主席為國(guó)會(huì)議員Sang-Min Lee。

在2017年第一屆國(guó)際研討會(huì)之后，韓國(guó)組織開展第一階段的研究工作，研究周期從2018年4月到2019年3月，主要開展空間太陽能電站的概念和發(fā)展規(guī)劃的初步研究。在2019年2月召開的第二屆國(guó)際空間太陽能電站研討會(huì)上，介紹了韓國(guó)空間太陽能電站在未來十年的發(fā)展計(jì)劃建議。該計(jì)劃分為三個(gè)階段。第一階段將開展空間太陽能電站相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究；第二階段將開展用于小衛(wèi)星間無線能量傳輸驗(yàn)證的技術(shù)地面試驗(yàn)，并開始研制小衛(wèi)星；第三階段將發(fā)射2顆小衛(wèi)星開展空間無線能量傳輸技術(shù)驗(yàn)證。韓國(guó)的空間太陽能電站研究工作主要由韓國(guó)宇航研究院和韓國(guó)電子技術(shù)研究院（KERI）負(fù)責(zé)。

在第二屆研討會(huì)上，KARI首次展示了韓國(guó)的空間太陽能電站概念方案K-SSPS。該方案屬于傳統(tǒng)的非聚光電站方案，設(shè)計(jì)發(fā)電功率為2GW，整個(gè)系統(tǒng)效率設(shè)計(jì)為13.5%。系統(tǒng)采用面積達(dá)到10.8km2的銅銦鎵硒（CIGS）柔性太陽電池陣，包括4000個(gè)可獨(dú)立的可卷繞式展開的太陽電池陣模塊。結(jié)構(gòu)的中央為邊長(zhǎng)為1km的正方形發(fā)射天線，微波頻率為5.8GHz，接收天線直徑約為4km。整個(gè)系統(tǒng)將在近地軌道進(jìn)行組裝，之后整體利用電推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)降厍蜢o止軌道。在近地軌道，只有部分的太陽電池陣展開，用于為電推進(jìn)系統(tǒng)供電。達(dá)到地球靜止軌道后，所有的太陽電池陣展開，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)開始工作。

日本開展的無人機(jī)微波無線能量傳輸驗(yàn)證

4 日本空間太陽能電站發(fā)展現(xiàn)狀

日本的空間太陽能電站研究主要包括兩個(gè)支持渠道，一個(gè)是通過經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省（METI）主要支持無人宇宙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（USEF）的研究工作，2012年變更為日本宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用機(jī)構(gòu)（JSS），主要針對(duì)繩系太陽能電站概念開展研究。另一個(gè)渠道是通過文部科學(xué)?。∕EXT），主要支持日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）開展工作，主要研究方案是聚光型電站方案和太陽光直接激光泵浦電站方案。JAXA目前的研究重點(diǎn)主要包括微波無線能量傳輸技術(shù)、激光無線能量傳輸技術(shù)和大型空間結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)。JAXA提出利用微波無線能量傳輸技術(shù)為不同高度的飛艇進(jìn)行供電的驗(yàn)證建議，以及利用激光無線能量傳輸技術(shù)用于月球陰影區(qū)的月球車供電設(shè)想，并考慮將大型空間結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)應(yīng)用于GEO SAR衛(wèi)星天線。

2015年，JSS成功組織開展了地面55m距離的基于反向波束控制技術(shù)的高精度無線能量傳輸驗(yàn)證。經(jīng)過改進(jìn)的該項(xiàng)技術(shù)計(jì)劃被用于在2019年3月進(jìn)行的無人機(jī)微波無線能量傳輸驗(yàn)證。

2017年，JSS提出更新的空間太陽能電站發(fā)展路線圖，以繩系空間太陽能電站發(fā)展為目標(biāo)，分為地面驗(yàn)證和空間驗(yàn)證兩大階段，對(duì)應(yīng)提出了一系列以微波無線能量傳輸為主的驗(yàn)證項(xiàng)目，并將GW商業(yè)電站的發(fā)展時(shí)間從2009年提出的2030年推遲到2050年。該路線圖主要提出的驗(yàn)證項(xiàng)目包括：

1）驗(yàn)證項(xiàng)目一：2018－2019年，50m級(jí)垂直方向微波無線能量傳輸（WPT）波束控制技術(shù)驗(yàn)證。利用無人機(jī)安裝接收整流天線，通過改變位置以及波束測(cè)量驗(yàn)證反向?qū)бㄊ刂萍夹g(shù)的有效性，將采用2015年地面驗(yàn)證的發(fā)射天線進(jìn)行能量傳輸，頻率為5.8GHz，發(fā)射功率1.8kW，傳輸距離50m，接收電功率約60W。

2）驗(yàn)證項(xiàng)目二：2023－2025年，千米級(jí)垂直方向微波無線能量傳輸技術(shù)驗(yàn)證。利用直升機(jī)攜帶三明治結(jié)構(gòu)板進(jìn)行空間-地面的微波無線能量傳輸，重點(diǎn)驗(yàn)證遠(yuǎn)距離波束控制技術(shù)的有效性，同時(shí)驗(yàn)證輕型三明治結(jié)構(gòu)技術(shù)，并且評(píng)估無線能量傳輸?shù)碾姶偶嫒菪?。頻率為5.8GHz，發(fā)射功率1kW，傳輸距離1km以上，三明治結(jié)構(gòu)天線板尺寸為2m×2m。

3）驗(yàn)證項(xiàng)目三：2030年，低軌到地面的微波無線能量傳輸技術(shù)驗(yàn)證。利用運(yùn)行于低軌的小衛(wèi)星安裝三明治結(jié)構(gòu)板，開展空間到地面的微波無線能量傳輸驗(yàn)證。主要驗(yàn)證空間-地面能量傳輸反向?qū)бㄊ刂萍夹g(shù)、空間三明治結(jié)構(gòu)板在軌展開技術(shù)，并評(píng)估微波能量傳輸與電離層的相互作用。衛(wèi)星軌道高度約300km，三明治結(jié)構(gòu)板尺寸為1.5m×1.5m，發(fā)射功率數(shù)級(jí)，由于與地面接收站的可見性，單次有效傳輸時(shí)間約為5s。

4）驗(yàn)證項(xiàng)目四：2035年，GEO到地面的微波無線能量傳輸技術(shù)驗(yàn)證。發(fā)射繩系太陽能電站三明治結(jié)構(gòu)的1/4單元進(jìn)入GEO軌道，開展空間到地面的連續(xù)微波無線能量傳輸驗(yàn)證。主要驗(yàn)證大尺度三明治結(jié)構(gòu)的在軌展開和組裝、GEO軌道-地面能量傳輸反向?qū)бㄊ刂萍夹g(shù)。頻率為5.8GHz，發(fā)射功率500kW，三明治結(jié)構(gòu)天線板尺寸為50m×48m，質(zhì)量約為 15t。

日本2017年更新的空間太陽能電站發(fā)展路線圖

5）驗(yàn)證項(xiàng)目五：2040年，GEO三明治結(jié)構(gòu)單元的微波無線能量傳輸技術(shù)驗(yàn)證。發(fā)射一個(gè)繩系太陽能電站三明治結(jié)構(gòu)單元進(jìn)入GEO軌道，開展空間到地面的連續(xù)微波無線能量傳輸驗(yàn)證。主要驗(yàn)證大尺度三明治結(jié)構(gòu)的在軌展開和組裝、GEO軌道-地面能量傳輸反向?qū)бㄊ刂萍夹g(shù)。頻率為5.8GHz，發(fā)射功率2MW，三明治結(jié)構(gòu)天線板尺寸為100m×96m，質(zhì)量約為60t。

5 其他國(guó)家發(fā)展現(xiàn)狀

2015年，美國(guó)的諾思羅普·格魯曼公司委托加州理工學(xué)院開展新型空間太陽能電站技術(shù)研究，提出一種稱為“微波蠕蟲”（Microwave Swarm）的電站概念。其基本單元是稱為瓦片的由薄膜聚光鏡、高效太陽能電池和發(fā)射天線組成的10cm×10cm結(jié)構(gòu)。多個(gè)瓦片單元組成1.5m寬的柔性條帶組件。多個(gè)條帶組件按照太陽帆的模式折疊成60m×60m的一個(gè)基本航天器單元，包含3×105個(gè)瓦片單元。最終由2500個(gè)基本航天器單元形成一個(gè)3km×3km的GW級(jí)電站。

2017年，英國(guó)的Ian Cash在WISEE2017會(huì)議上提出一種新型的空間太陽能電站方案，名為“恒定口徑固態(tài)集成軌道相控陣” (CASSIOPeiA)。采用多層結(jié)構(gòu)組成類似于生物學(xué)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，并且在層與層之間采用了特殊的可以在360°方向控制波束的特殊天線設(shè)計(jì)，在不采用旋轉(zhuǎn)部件的情況下實(shí)現(xiàn)在軌道周期內(nèi)太陽電池持續(xù)接收太陽光照，同時(shí)微波發(fā)射天線持續(xù)對(duì)地進(jìn)行能量傳輸。

CASSIOPeiA設(shè)計(jì)成一個(gè)異型曲面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)直徑約為1.43km。太陽能收集部分采用了基于菲涅耳透鏡和科勒光學(xué)系統(tǒng)的局部聚光系統(tǒng)，一方面為了提高光電轉(zhuǎn)化效率，另一方面可以節(jié)約太陽電池的用量。如采用目前的四結(jié)砷化鎵電池技術(shù)，在508個(gè)太陽常數(shù)光照下可以達(dá)到46%的效率。在整個(gè)系統(tǒng)的上方和下方各布置一套聚光系統(tǒng)。聚光系統(tǒng)與電站主體結(jié)構(gòu)保持固定連接，聚光系統(tǒng)維持對(duì)日定向，并且將太陽光從上下兩個(gè)方向向電站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行反射，反射光到達(dá)每一層結(jié)構(gòu)的上下表面，可照射到太陽光的表面均安裝局部聚光系統(tǒng)和太陽能電池，產(chǎn)生的電力直接傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)部位的微波發(fā)射天線。

CASSIOPeiA的概念效果圖和結(jié)構(gòu)示意

6 總結(jié)

空間太陽能電站概念提出已經(jīng)超過50年，作為一個(gè)頗具前景的能夠提供新能源的巨大空間系統(tǒng)，其對(duì)空間技術(shù)的帶動(dòng)作用對(duì)于各主要航天國(guó)家具有很大的吸引力，得到了各國(guó)的長(zhǎng)期關(guān)注和研究。20世紀(jì)空間太陽能電站的研究重心主要在美國(guó)和日本。現(xiàn)階段，空間太陽能電站的研究重心主要集中在亞洲，在各國(guó)航天部門和政府的支持下，中國(guó)、日本和韓國(guó)正在成為推動(dòng)空間太陽能電站發(fā)展的核心力量。