【前沿】光伏+无线：太空太阳能真的是幻想吗？

随着地球矿物资源的大量开采，石油、煤炭资源日趋短缺，太阳能是当今世界公认的清洁能源之一，各国政府都出台相应的补贴措施大力发展。而日照受地理、气候及天气的影响很大，在云、雾、雨、雪、严重雾霆等天气现象出现时，地面太阳能电站的工作效率大大降低。

如果将太阳能电站设置在地球同步轨道上，使太阳能电池始终对太阳定向，每年将有277天是全日照，仅在春分、秋分前后各有45天出现地球阴影，且最长停电时间不超过75分钟，即空间太阳能电站全年99%的时间可以进行发电。可见，SSPS具有能流密度大、持续稳定、不受昼夜气候影响、清洁、无污染等优点，几乎是一个可以无限开采的能源矿，成为21世纪关注的重点。

1、SSPS发展情况

随着各国空间技术的迅速发展，美国、日本、欧洲等国都提出计划在20302040年建造SSPS。

据英国每日邮报报道，美国海军工程师最新公布一项未来派计划，即从太空获得能量束，组建大型空间太阳能模块发送太阳能至地面，该方案可为军事设施甚至城市提供能量。

美国海军研究实验室航天器工程师保罗·杰斐博士现己建造和测试了两种模块类型，用于捕捉并传输太阳能。这一方案使用“三明治”模块，即在两个方形太阳能板之间塞满所有电子组件，顶侧太阳能板是一个光伏板，可以吸收太阳光线；中间层电子系统可传输能量至无线频率，底部是一个天线，可朝向地面目标传输能量。

装配该模块有两种方式：①设计在太空中由机器人进行装配，形成1公里直径的人造卫星；②设计采用“梯级”打开模块的方式，在无需预加热的情况下接收更多的阳光，因此更加高效。

日本航空宇宙开发中心也在研究类似的宇宙太阳能发电系统，有望于2030年前启动。其基本原理和美国类似，与之不同的是日本科学家采用频率为2.45GH：和5.8GHz的微波传送，这项技术已经应用于日本工业和医疗设备。在北海道的研究基地，使用直径为2.4m的仪器装置进行地面接收太空微波的试验。日本航空宇宙开发中心的最终目标是建立一个距离地面3.6万米的高空巨大太阳能电站，生产1000000kW的电力，给50万个家庭供电。

俄罗斯也正致力于该方向的研究，采用激光进行能量传输，因为无线电波难以集中，且接收天线巨大，需要几平方千米。如果采用激光束，面积仅是前者的1/10。但目前不存在如此强大的激光器，并且在轨道上设置一个激光发射站，可能对生态环境产生负面影响，譬如存在烧掉臭氧层的风险。不过，它可能会刺激产生新的技术解决方案，比如更有效率的激光器或太阳能电池。

目前我国己具有成功发射卫星和空间飞船的技术基础，未来10年将要建设的空间站给我国发展SSPS带来很大机遇。另外新一代运载火箭和未来可能发展的重型运载将大幅提升我国进入空间的能力，为建站提供技术条件。依据我国发展SSPS“四步走”的路线图，2026~2040年我国将开展地球同步轨道10MW SSPS系统方案在轨验证技术研究的计划。

2、基于分布式网络的SSPS模型

SSPS的发电过程可概括为：在空间将太阳能转化为电能，通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统，主要由太阳能发电装置、能量转换l发射装置和地面接！防转换装置3部分组成，其工作原理如图1所示。根据我国建设10MWSSPS的预期，综合以上国外相关技术的发展情况，提出了一种基于分布式网络的SSPS构想。

该系统简图如图2所示。将10MW空间太阳能基站分割为10个1MW的分布式子站，每个子站都包含1MW太阳能光伏电池阵和无线微波发生器（子发射器），每个太阳能光伏发电站均采用独立夹层结构，太阳能电池板位于顶层始终朝向太阳，下层平面是一个微波发生天线，将能量通过微波传递给主发射器。在两层之间存在电力电子转换器件，可将太阳能电池的直流转换为微波。主发射器再通过微波将能量传回地球，考虑到系统风险，可将该主发射器进行1+1备份。

由于采用了分布式结构，每个子站可以各自独立，可以独立发射升空然后通过物理连接与主发射器固定在一起，并且每个子站可以进行姿态调整。按照1MW子站进行估计，太阳能电池阵若集成为一体其直径也较庞大，可以进一步进行分解，将其细化为几部分，这样就可以通过廉价卫星将其送入预定地球同步轨道，通过姿态调整到预定位置，省去了庞大的运载火箭和助推器，并且避免外太空进行安装大型太阳能电池阵，当然不可避免的是发射卫星的个数也较多。

3、空间无线能.传输技术

无线能量传输技术是太阳能传输系统的基础，也是实现SSPS运行的核心关键技术。国际无线电科学联盟于2007年正式发表了《空间太阳能电站白皮书》，对于SSPS的发展进行了广泛的分析，并重点从无线传输的角度对空间太阳能电站的可行性和可能造成的影响进行了评估。

在DOE/NASA卫星动力系统方案研究和论证计划中，太阳能发电卫星将电力通过微波波束传输到地面的硅整流二极管天线。此计划提出后许多国家开始验证微波无线能量传输技术。2012年，NASA的SPS-ALPHA计划再次将微波无线能量传输技术作为空间太阳能的传输方式。

对于提出的分布式网络太阳能电站，其子发射器对主发射器的发射频率为5.8GHz，而主发射器对地面的发射频率为2.54GHz。子站采用更高频率进行能量传输主要是为了避免各独立子站之间的干扰，并可以大大减小电力电子功率变换器件的体积。此外，主发射器的体积较大，需要运载火箭和助推器等大型重载发射技术。

各子发射器到主发射器的距离大致为350m，而考虑各太阳能电池板均有最佳入射角，那么其排列的半径大致为100m，各子太阳能阵的间距大致为35m。由于微波无线能量传输技术中波束发散角较大，由在静止轨道运行的SSPS传输至地面接收天线时，地面接收微波辐照的设备面积大致为2km2。此外，主发射器的发射功率和发射角度接受地面指令进行控制，可进行子系统发电调度，而且分布式网络结构有助于降低部件损坏导致整个系统瘫痪的风险，提高系统冗余度。

4、系统效率评估

将太阳能电池的直流电压转换为2.54GHz的微波效率为83%，功率从子发射器转换为主发射器（2.54GHz微波转换为5.8GHz微波）效率约为70%，而从5.84GH：微波转换为地面直流的效率大致为85%，这样该系统整体效率在50%左右，随着技术和器件材料的进步以及系统优化，该分布式网络太阳能电站的效率还有进一步提升的空间。

5、结论与展望

空间太阳能的利用可以最大限度避免外部因素，提高太阳能利用效率，而无线能量传输技术是空间太阳能利用的必经途径，两者结合是发展ssPs的核心关键技术。

此处结合当前国外研究现状和我国国情，讨论了分布式网络结构的ssPs实施构想，该结构可降低目前ssPs太空组装难度及发射难度，系统效率可接受，对我国发展ssPs具有借鉴意义。