国外空间太阳能发电站系统及典型项目

空间太阳能发电站的构成及工作原理

空间太阳能电站主要由太阳能发电装置、能量转化和发射装置、地面接收和转换装置三部分组成。

太阳能发电装置可将太阳能转化为电能;能量转化和发射装置负责将电能转化为微波或激光等形式并将其向地面传输;地面接收和转换装置接收空间发射来的能量并将其转化为电能。整个系统的能量转化过程为：太阳能→电能→微波或激光→电能。

空间太阳能电站工作示意图

空间太阳能电站优势

在地面利用太阳能，会受到季节、昼夜更替以及天气等因素制约，利用率不高且功率不稳定，同时容易受到陆地自然灾害的影响。而在太空中，太阳能十分充足且光线不易被大气减弱，也不受季节、昼夜影响。一颗太阳能发电卫星可以在99%的时间内被照亮，且在春、秋季午夜时分每晚最多只有72分钟处于地球的阴影中，其强度可稳定在约1353W/m²。

另外，地面电站需设置在太阳能资源相对丰富的区域，选址具有局限性，产出的电能还需要通过电力系统输送到主要用电区。而空间太阳能电站可实现定点传输，地面接收站可设置在用电量集中的地方，从而避免长距离输电带来的不便以及能量损耗。

除此之外，太阳能是目前最为清洁、稳定的能源。发电时既不会产生碳排放，也不会产生其他废料;与化石燃料不同，太阳能不受战争与供应短缺而产生的能源价格波动影响。

国外研究现状

2012年，在美国国家航空航天局(NASA)的支持下，约翰·曼金斯(JohnMankins)教授提出“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”(SPS-ALPHA)方案。与早期的SPS设计相比，SPS-ALPHA的独特之处在于该系统由大批量生产的互锁模块构成，这些模块将由机器人在低地球轨道组装。组装完成后，它将使用自身的电能为离子太阳能电力推进系统或轨道转移飞行器提供动力，将SPS转移到地球同步轨道。该方案应对空间太阳能发电的挑战是新型的。如果成功，该项目将能够使用数以万计的小元件来构建巨大的平台，这些小元件可以使用无线电力传输，远程且经济地向地球提供电力。

SPS-ALPHA概念图

2015 年，美国的诺思罗普·格鲁曼公司投入1750万美元，委托加州理工学院开展新型空间太阳能电站技术研究，提出一种名为“微波蠕虫”(Microwave Swarm)的电站概念。其基本单元由薄膜聚光镜、高效太阳能电池和发射天线组成，尺寸为10cm×10cm。多个基本单元组成1.5m宽的条带组件。多个条带组件按照太阳帆的模式折叠成一个60m×60m的基本航天器单元，最终由2500 个基本航天器单元形成一个3km×3km的GW级电站。

从20世纪80年代起，日本就对SPS的关键技术进行了广泛研究，陆续推出了SPS2000、SPS2001、SPS2002、SPS2003以及分布式绳系太阳能空间电站等概念设计。

“分布式绳系太阳能电站卫星”(Tether SPS)是日本为了减小系统总重量与复杂性提出的方案。其基本单元由尺寸为100m×95m的单元板和卫星平台组成，单元板和卫星平台间采用4根10km的绳悬挂在一起。单元板是由太阳电池、微波发射机和发射天线三者组成的夹层结构板，共包含3800个模块。每个单元板的总重约为42.5t，微波能量传输功率为2.1MW。整个系统由25块子板组成，其子板由25块单元板组成，可提供1.2GW的发射功率和0.75GW的地面接收功率。该方案大幅度减轻了系统的复杂程度和重量，更有利于各部件组合。

绳系模型

2017年，日本提出了五个太阳能电站微波无线能量传输的验证项目，主要分为地面验证和空间验证两大阶段：

1. 五十米级垂直方向微波无线能量传输(WPT)技术验证。

2. 千米级垂直方向微波无线能量传输技术验证。

3. 空间低轨道到地表微波无线能量传输技术验证。

4. 空间GEO到地表微波无线能量技术传输验证。

5.空间GEO三明治结构单元的微波无线能量传输技术验证。

日本空间太阳能发展路线图

2018年5月，英国提出了CASSIOPeiA太阳能发电卫星设计。系统采用类似于DNA的双螺旋结构，其特殊的异型曲面结构的设计没有旋转(或以其他方式移动)部件，但其仍可持续接收光照，同时其微波发射天线也可引导持续对地进行能力传输。系统质量较轻，可以通过多种方式配置以提供不同功率。CASSIOPeiA 独特的波束控制能力有助于从替代的、更近的轨道传输基本载荷，并且可以部署单个有效载荷且无需在轨组装，大大降低了发射成本。

CASSIOPeiA 概念图

欧洲从1998年起开展了空间太阳能研究工作，并提出“太阳帆塔”的概念设计。该系统在地球静止轨道运行，采用可展开的新型结构——太阳帆，以重力梯度的稳定方式，使中央缆绳自动保持垂直于地面，以保证末端的发射天线对准地面。太阳电池阵由数百个尺寸为150m×150m的薄膜模块组成，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。

图表：欧洲太阳帆塔的基本参数

韩国在2019年提出了名为“K-SSPS”的空间太阳能电站方案。该方案属于传统的非聚光电站方案，发电功率为2GW，采用第三代太阳能电池铜铟镓硒为柔性电池阵，包括4000个可独立的可卷绕式展开的太阳电池阵模块。系统发射天线为边长为1km的矩形，微波频率为5.8GHz，接收天线直径约为4km。整个系统将在近地轨道进行组装，之后利用电推进系统运输到地球静止轨道。在近地轨道，只有部分的太阳电池阵展开，负责为推进系统供电。达到地球静止轨道后，电池阵才会完全展开，整个发电系统开始工作。目前，该项目处于关键技术研究阶段。

K-SSPS概念图

关键技术及展望

空间太阳能电站因体积较大，质量是国际空间站的100倍，且需经过多次发射到近地轨道组装后才可以送往地球同步轨道，因此研制一种低成本的大型运输系统势在必行。该系统需掌握两种核心技术，即低成本大运载近地运载技术和高性能轨道推进技术。

目前可供选择的运输器如美国的宇宙神-2AS、欧洲的阿里安-5、日本的H-2A的运载能力约为10t上下，而宇宙神-2AS与阿里安-5的发射成本都达到了1亿美元以上，这对于万吨级别的SPS来说成本花费较高。因此，有必要发明一种成本合理、可以运送更重材料的新型火箭。

太阳能发电技术是影响整个空间太阳能电站系统的关键，主要考虑光电转化形式和热电转化形式两种方式发电。太阳能热动力发电系统从未在空间中应用，故不以此方式作为主要的候选方式。光伏发电技术成熟，是作为空间太阳能电站研究的主要选用方式。目前研发的重点是发展聚光太阳能电池和非聚光薄膜太阳能电池技术，综合提高光电转化效率，减轻产品质量，降低生产成本。

无线能量传输技术作为空间太阳能电站的关键技术之一，其包括微波无线能量传输技术(MPT)与激光能量无线传输技术(LPT)。

微波无线能量传输技术能够高效的在大气中传播，地面接收器每接收超过1GW的能量即可为一个大城市供电。微波无线能量卫星成本较高，需要多达100次的发射组装才可以在太空中使用。但其地面接收器直径较大，卫星与地球距离太远导致几乎无法修复。

激光能量无线传输卫星启动成本较低，重量较低也易于部署，可大大降低成本与风险，同时激光束能量集中在地面更易使用。但每颗激光卫星的功率都相对较低，需要规模化才能产生发电效果，同时太空激光存在安全问题，例如会对人畜致盲或成为激光武器。激光在穿越大气层时有能量损耗，在恶劣气候条件下无法使用。

按照目前的技术发展情况，微波无线能量传输技术被认为是较为成熟的技术，稳定性与可行性高，能高效的在大气中传播，激光能量传输虽造价便宜且能量集中，但其难以穿越云层，故激光能量无线传输技术还有待进一步研究。

图表：微波无线能量传输与激光无线能量传输的比较

结语

空间太阳能电站作为新型清洁可持续能源系统对于解决未来能源危机以及环境污染问题具有重要意义。此概念提出已超过50年，各国科研人员已经证明了空间太阳能电站的可行性，但系统涉及宏伟的空间与地面工程，要实现成熟系统的应用还需进一步研发。因此对空间太阳能电站核心技术的持续研究与关注十分重要。

参考文献

[1] Peter E. Glaser-Solar Power Satellites: A Space Energy System for Earth

[2] Research on the Space Solar Power Systems (SSPS)

[3] JAXA-About the SSPS

[4] Department of Energy-Space-Based Solar Power

[5] David Boswell-Whatever happened to solar power satellites

[6] A Space Energy Option for Switzerland

[7] New Under the Sun: Power-beaming CASSIOPeiA Satellite

本文转载自“高端装备产业研究中心 ”，原标题《国外空间太阳能发电站系统及典型项目》。

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