國際空間太陽能電站領(lǐng)域的最新進展

侯欣賓（錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室）

1 引言

1968年，美國的彼得·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)費和人員進行了長期的研究。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。美國在20世紀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)方面取得重要進展，成為國際關(guān)注的重點。韓國從2018年也啟動了空間太陽能電站領(lǐng)域的研究項目，并提出初步的發(fā)展計劃。目前，空間太陽能電站的研究重心主要在亞洲，中國、日本和韓國成為推動空間太陽能電站發(fā)展的核心力量。

第二屆韓國空間太陽能電站國際研討會參會人員合影

2 國際空間太陽能電站研討會回顧

第一屆韓國空間太陽能電站國際研討會

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

日本空間太陽能電站學(xué)會年會

2018年11月6日，日本空間太陽能電站學(xué)會年會在京都大學(xué)宇治校區(qū)的生存圈研究所召開，會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構(gòu)研究人員和大學(xué)教授。會議首次邀請中國和韓國專家參加，分別介紹了中韓在空間太陽能電站方面的研究進展。日本空間太陽能電站學(xué)會會長Hiroshi Matsumoto教授主持會議，并致開幕詞。

第二屆韓國空間太陽能電站國際研討會

2019年2月16日，韓國空間太陽能電站研究協(xié)會和韓國宇航研究院（KARI）在韓國國會大廈聯(lián)合組辦了“第二屆韓國空間太陽能電站國際研討會”，會議規(guī)模擴大到約100人，參會人員包括了韓國執(zhí)政黨現(xiàn)任主席、前總理李海瓚和三位國會議員等多位政要，以及現(xiàn)任KARI院長Cheol-Ho Lim等韓國科技界重要人員，凸顯了韓國對此領(lǐng)域的重視程度。此次研討會上，韓國提出了空間太陽能電站未來十年發(fā)展計劃建議，并且首次展示了韓國提出的空間太陽能電站概念。會議邀請了中國、日本、美國和英國的5位專家參加會議，分別介紹了中國、日本、美國和英國在空間太陽能電站領(lǐng)域的研究進展。

K-SSPS主要參數(shù)

韓國空間太陽能電站2020－2029年發(fā)展計劃建議

K-SSPS在近地軌道狀態(tài)

3 韓國空間太陽能電站發(fā)展現(xiàn)狀

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

在2017年第一屆國際研討會之后，韓國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月召開的第二屆國際空間太陽能電站研討會上，介紹了韓國空間太陽能電站在未來十年的發(fā)展計劃建議。該計劃分為三個階段。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證的技術(shù)地面試驗，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)驗證。韓國的空間太陽能電站研究工作主要由韓國宇航研究院和韓國電子技術(shù)研究院（KERI）負責(zé)。

在第二屆研討會上，KARI首次展示了韓國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)計發(fā)電功率為2GW，整個系統(tǒng)效率設(shè)計為13.5%。系統(tǒng)采用面積達到10.8km2的銅銦鎵硒（CIGS）柔性太陽電池陣，包括4000個可獨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。整個系統(tǒng)將在近地軌道進行組裝，之后整體利用電推進系統(tǒng)運輸?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，用于為電推進系統(tǒng)供電。達到地球靜止軌道后，所有的太陽電池陣展開，整個發(fā)電系統(tǒng)開始工作。

日本開展的無人機微波無線能量傳輸驗證

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支持渠道，一個是通過經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省（METI）主要支持無人宇宙實驗系統(tǒng)研究開發(fā)機構(gòu)（USEF）的研究工作，2012年變更為日本宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用機構(gòu)（JSS），主要針對繩系太陽能電站概念開展研究。另一個渠道是通過文部科學(xué)省（MEXT），主要支持日本宇宙航空研究開發(fā)機構(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行供電的驗證建議，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證。經(jīng)過改進的該項技術(shù)計劃被用于在2019年3月進行的無人機微波無線能量傳輸驗證。

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，分為地面驗證和空間驗證兩大階段，對應(yīng)提出了一系列以微波無線能量傳輸為主的驗證項目，并將GW商業(yè)電站的發(fā)展時間從2009年提出的2030年推遲到2050年。該路線圖主要提出的驗證項目包括：

1）驗證項目一：2018－2019年，50m級垂直方向微波無線能量傳輸（WPT）波束控制技術(shù)驗證。利用無人機安裝接收整流天線，通過改變位置以及波束測量驗證反向?qū)бㄊ刂萍夹g(shù)的有效性，將采用2015年地面驗證的發(fā)射天線進行能量傳輸，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）驗證項目二：2023－2025年，千米級垂直方向微波無線能量傳輸技術(shù)驗證。利用直升機攜帶三明治結(jié)構(gòu)板進行空間-地面的微波無線能量傳輸，重點驗證遠距離波束控制技術(shù)的有效性，同時驗證輕型三明治結(jié)構(gòu)技術(shù)，并且評估無線能量傳輸?shù)碾姶偶嫒菪浴ｎl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）驗證項目三：2030年，低軌到地面的微波無線能量傳輸技術(shù)驗證。利用運行于低軌的小衛(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證。主要驗證空間-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，由于與地面接收站的可見性，單次有效傳輸時間約為5s。

4）驗證項目四：2035年，GEO到地面的微波無線能量傳輸技術(shù)驗證。發(fā)射繩系太陽能電站三明治結(jié)構(gòu)的1/4單元進入GEO軌道，開展空間到地面的連續(xù)微波無線能量傳輸驗證。主要驗證大尺度三明治結(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）驗證項目五：2040年，GEO三明治結(jié)構(gòu)單元的微波無線能量傳輸技術(shù)驗證。發(fā)射一個繩系太陽能電站三明治結(jié)構(gòu)單元進入GEO軌道，開展空間到地面的連續(xù)微波無線能量傳輸驗證。主要驗證大尺度三明治結(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 其他國家發(fā)展現(xiàn)狀

2015年，美國的諾思羅普·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)。多個瓦片單元組成1.5m寬的柔性條帶組件。多個條帶組件按照太陽帆的模式折疊成60m×60m的一個基本航天器單元，包含3×105個瓦片單元。最終由2500個基本航天器單元形成一個3km×3km的GW級電站。

2017年，英國的Ian Cash在WISEE2017會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，在不采用旋轉(zhuǎn)部件的情況下實現(xiàn)在軌道周期內(nèi)太陽電池持續(xù)接收太陽光照，同時微波發(fā)射天線持續(xù)對地進行能量傳輸。

CASSIOPeiA設(shè)計成一個異型曲面結(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個太陽常數(shù)光照下可以達到46%的效率。在整個系統(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)維持對日定向，并且將太陽光從上下兩個方向向電站主體結(jié)構(gòu)進行反射，反射光到達每一層結(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?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，作為一個頗具前景的能夠提供新能源的巨大空間系統(tǒng)，其對空間技術(shù)的帶動作用對于各主要航天國家具有很大的吸引力，得到了各國的長期關(guān)注和研究。20世紀空間太陽能電站的研究重心主要在美國和日本。現(xiàn)階段，空間太陽能電站的研究重心主要集中在亞洲，在各國航天部門和政府的支持下，中國、日本和韓國正在成為推動空間太陽能電站發(fā)展的核心力量。