来源：中国科学报 记者：段宝岩 时间：2014-12-26

 

 

    空间太阳能电站涉及机械、航天等数十个领域，是一个巨型系统工程，其实际规模将会超过美国已经实施的“阿波罗计划”，能带动大批从事基础和工程技术研究的高素质人才培养，并有望引发一场新技术革命。

 

    面对日渐紧迫的能源危机，以及使用化石能源导致的温室效应、环境污染等问题，世界各国都在积极寻找方便、清洁的新能源。综合考虑安全因素及使用条件，太阳能将是解决能源问题的根本出路，而发展空间太阳能电站则是高效利用太阳能的有效途径之一。

 

    建设空间太阳能电站的重要战略意义

 

    空间太阳能电站是指将地球静止同步轨道上的太阳能，通过新的工程技术手段进行有效采集，并传输到地面转换成电能供使用的系统。理论上，地球静止同步轨道上1公里宽的电池带，每年产能约为21太瓦，预计到2050年，人类社会每年对能源的总需求约为50太瓦。

 

    太阳能在地面上就可以利用，为什么要建设空间太阳能电站？

 

    从产能效率来说，在地球静止轨道上，每平方米可接收太阳能约为1400瓦，且除春分和秋分以外，太阳辐射强度基本不受时间和空间限制；而在地面上，由于大气的吸收和散射，以及季节、昼夜等变化，到达地面的太阳辐射量每平方米约为140瓦。因此，一旦我们能够攻克空间太阳能发电技术，就有望逐步解决人类社会的能源危机，而且太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的清洁可持续能源。

 

    从技术发展看，空间太阳能电站作为一个大型空间和能源工程，可以为国家提供巨大的可再生能源战略储备，并可以发展成为一个重要的产业，对于保障国家的能源独立和国家安全，维持社会、经济的可持续发展意义重大。同时，由于空间太阳能电站系统规模巨大，深入研究空间太阳能电站相关技术，对航天、能源、材料、微波和激光等诸多相关领域的创新发展也具有重要的作用。

 

    更为重要的是，未来我国能源需求仍将持续强劲增长，而太阳能虽然是可持续性能源，但地球同步轨道却是有限的，不管谁占了先机，后来者再发展会有很大困难。可见，开展空间太阳能电站研究，是事关国家政治、经济和安全的重大战略问题。

 

    发达国家空间太阳能电站研究进展

 

    传统意义上空间太阳能电站的构想，是由美国科学家彼得•格拉赛于1968年首次提出，国际上对此研究已超过40年，其间由于关键技术难以突破、需要投入巨额资金等问题，研发工作曾一度停滞。近年，由于地球化石能源危机凸显，以美、日和欧洲为主的发达国家又重新投入资金和人力，开展空间太阳能电站关键技术研究。

 

    2007年4月，美国国家安全空间办公室成立了空间太阳能发电站研究组。2012年，在美国国家航空航天局创新型先进概念的支持下，研究人员提出了“任意大型相控阵空间太阳能电站”项目，这是目前最新的建设方案。

 

    根据规划，美国空间太阳能电站的重点研究方向，包括整体构型、聚光镜、空间发电技术、无线能量传输技术、电力传输与管理技术、热管理与热材料技术、先进运输技术等，未来将通过分阶段开展不同功率级别的系统验证，最终实现功率吉瓦（GW）级以上的商业化运行系统。

 

    日本作为积极开展空间太阳能电站研究的主要国家之一，在无线能量传输技术的研究和试验方面处于国际先进水平。2004年，日本正式将发展空间太阳能电站列入国家航天中长期规划，形成了“官产学”联合的研究模式。

 

    根据2013年日本最新公布的航天基本计划，空间太阳能电站研究开发项目已被列入国家七大重点发展领域，并作为三个国家长期支持的重点研究领域之一。

 

    当前亟待解决的五个关键技术

 

    相当于超大型地球同步轨道卫星天线的空间太阳能电站，主要由三部分组成，即太阳光聚光装置、能量转换和发射装置，以及地面接收和转换装置。其中，太阳聚光镜与光伏电池阵装置将太阳能转化成为电能，能量转换装置将电能转换成微波等形式，并利用天线向地面发送能束，地面接收系统利用地面天线接收空间发射来的能束，通过整流装置将其转换成电能以供使用。

 

    作为大型工程，空间太阳能电站的发展必须尽早确定发展规划与研究计划，开展长期、持续的基础性和前瞻性研究，解决其中共性与关键技术难题。目前，空间太阳能电站的关键技术难题主要有五个方面：即超大型空间天线系统轻量化设计、天线波束指向与控制、空间机器人组装、机电耦合设计和低成本空间运输。

 

    超大型空间天线与聚光镜系统设计方面，由于尺度在公里级，成本必须考虑，既要求高性能又要求轻重量、低成本。因此，亟待建立兼顾多学科、多尺度的设计模型，提出轻量化设计理论与方法。对空间聚光镜、太阳能电池阵及发射天线进行深入研究，降低系统重量，解决空间太阳能电站的太阳能收集系统功率质量比，以及发射天线结构重量、辐射面积和散热等技术难题。

 

    天线阵波束赋形与指向控制方面，需要研究发射天线阵远场或过渡场方向图精确指向地面接收天线的孔径中心、方向图地面足印及接收天线孔径的匹配问题。因此，由于同步轨道到地面的指向精度要求很难达到，需要研究合理的实现策略。

 

    空间组装方面，包括机器人（手）技术，亟待实现空间机器人的小型化、智能化，使其适应太空微重力、大温差、强辐射等极限工作环境；虚拟现实技术，开展虚拟现实环境下的装配建模、操作定位及交互式装配规划与评价。此外，还应进行地面缩比模型试验，对空间太阳能电站的结构性能、装配性能及电性能等进行实验研究。

 

    空间太阳能电站大功率连续传输的机电耦合问题也不容忽视。空间太阳能电站作为大型在轨运行系统，不可避免地存在多场、多因素、多尺度的耦合问题，其环境载荷、结构参数对位移场、电磁场和温度场有着巨大的影响，相互之间的机电耦合问题十分突出。为此，亟待开展多物理量在极端恶劣的空间环境下的相互作用机理、相互影响规律的研究，进而建立场耦合理论模型、挖掘影响机理。

 

    由于空间太阳能电站的体积比国际空间站大许多倍，需要多次发射到近地轨道并进行组装，再送往地球同步轨道，而目前人类最大的运载火箭近地轨道运载能力只有100吨，发射成本高。因此，需要研制低成本、大运载量的近地轨道运载器，以及高性能轨道间电推进系统。

 

    中国空间太阳能电站研究

 

    应分阶段稳步推进

 

    空间太阳能电站涉及机械、航天等数十个领域，是一个巨型系统工程，其实际规模将会超过美国已经实施的“阿波罗计划”，能够带动大批从事基础和工程技术研究的高素质人才培养，并有望引发一场新技术革命。

 

    中国从上世纪80年代以来，就一直跟踪国际空间太阳能电站发展。近年，以中国空间技术研究院为核心，中国工程物理研究院、西安电子科技大学、重庆大学、四川大学等参与的国内研究团队，分别结合各自的优势，在系统论证和关键技术方面开展了相关工作。

 

    2010年，多位中国科学院和中国工程院院士参加完成了《空间太阳能电站技术发展预测和对策研究》咨询评议报告，建议尽快开展相关论证和设计工作，得到了一批研究机构和学者的重视。根据目前我们的技术水平和研究进展，综合分析我国的国情和各方面情况，建议在立足于现有的技术条件下，踏实且分阶段地推进中国空间太阳能电站研究工作。

 

    空间太阳能电站的具体设计和发展，可分为近期、中期及远期来推进实施，即两大步三小步：第一大步，2030年建造兆瓦（MW）级空间太阳能电站；第二大步，2050年建造吉瓦（GW）级空间商用太阳能电站。第一大步之内，又分为三个阶段进行：即2020年完成关键技术的地面攻关与模型演示验证，2025年完成兆瓦（MW）级电池阵空间构建的验证，2030年完成百米量级空间组装天线与相应聚光镜的验证。当然，如果能加快进程，将是大家更为希望的。

 

    作者简介：

 

    段宝岩，中国工程院院士，电子机械工程专家。