空间太阳能发电大探讨

院士建议，将空间太阳能发电及关键材料技术研发列为我国科学发展规划重大专项和国际合作重大项目。

在日前举行的中国能源环境高峰论坛上，中国科学院葛昌纯、姚建铨、余梦伦、王希季、闵桂荣、何祚庥等院士及美国空间技术协会会长马克·霍普金斯、欧洲空间能源集团首席技术官徐枫、美国国家空间协会理事大卫邓禄普等对我国空间太阳能发电计划的现状、关键技术和国际合作等做出探讨。

　　2030年后或实现商业化

葛昌纯：作为一劳永逸地解决人类能源危机的终极能源，人们公认的只有两个：其一，是在地面上建立核聚变发电站；其二，是在空间建立太阳能发电站。特别是当建立核聚变发电站能否在50年内实现核聚变能发电商业化尚存在着争论的情况下，空间太阳能在技术上有可能在20-30年内实现商业化的预测对人们有巨大的吸引力。

早在上世纪九十年代，刘振兴院士、徐建中院士、李国欣教授就先后提出了开展空间太阳能的研究建议，我在本世纪初提出了“发展空间太阳能发电及关键材料研究”的建议。我国的空间太阳能发电及其关键材料的研究早在项目批准以前就开始，但至今未被列为国家重大项目，国家投入不多，进展不快，和空间太阳能发电研究发达的国家之间的差距正在拉大。

马克霍布金斯：成功的空间太阳能计划必须能够以低廉的价格提供大部分地球所需要的电力。第一个或者是第一批能够达成这个目标的的国家，有机会将太阳系里几乎所有能源为其国家经济服务。太阳系的大部分能源与原料都在太空，而不是在地球上。从长远看来，能够控制这些资源的国家将会控制绝大部分的人类经济活动，将会在经济上和军事上统治地球。一个成功的空间太阳能计划对于国家力量平衡具有长期意义。

　　可行性和技术难点

葛昌纯：空间太阳能发电系统基本上由三部分组成：太阳能发电（或收集）装置、空间微波或激光转换发射装置和地面接收转换装置。太阳能发电装置将太阳能转换为电能；空间转换装置将电能转换成微波或激光并利用天线向地面发送能束；地面接收转换系统通过天线接收空间发来的能束，将其转换成电能或化学能。整个过程是一个太阳能、电能、微波或激光、电能（化学能）的能量转变过程。在这个过程中承载能量转换的相关材料至关重要。

在太阳能电池技术基础方面，我国已经具备了太阳能电池的技术基础与空间应用能力。

在空间技术基础方面，我国在人造卫星、载人航天和深孔探测三个航天技术领域实现了新跨越，尤其是神舟载人飞船和标志深孔探测能力的嫦娥一号的发射成功。我国已经是航天大国，目前已有多种型号的长征系列运载火箭，输送的有效载荷也越来越多，已能承担国际上各种卫星的发射业务。因此，在地球同步轨道建立一个空间太阳能卫星电站已经规划和实施。

在无线电能传播技术（WPT）基础方面，WPT核心是微波与电磁场技术和激光技术，近年来我国在此领域已经取得显著成效，尤其是大功率激光发射期间和大功率微波天线方面。激光传输技术的安全性问题随着航天技术和武器技术的发展可以得到解决，微波输电对通讯、生物和人体没有大的影响和危害。

余梦伦：发展低成本重型空间运输系统是实现空间太阳发电的一个重要基础。空间太阳能发电是解决人类能源的重要途径之一，但目前地球同步轨道每公斤的发射成本高达10万元左右。根椐有关方面分析，要使空间太阳能发电具有实际应用价值，需要将地球同步轨道每公斤的发射成本降至为0.13万元左右。即要求运载器每公斤的发射成本下降2个数量级。

降低发射成本的途径有：第一，形成规模化的大批量运载器生产体系。第二，研制重复使用运载器。经分析初步确定重复使用运载器发展的技术目标为推进系统重复使用次数100次；免维修（或少维修）的箭体防热结构；发射转周时间为1天；发射操作人员《10人；单发运载器的地球同步轨道的运载能力》25吨。航天运输系统的研制进度设想为2015年系统方案概念设计；2020年关键技术攻关、小规模演示验证飞行试验；2030年建成试验型运载器；2040年筹建大型航天港；2050年初步建成空间太阳能发电航天运输系统。

姚建铨：发展空间太阳能发电站具有重要意义，激光传输空间能量是空间太阳能电站关键技木之一。对于这以关键技术的路线图包括太阳光的有效聚光控制、高能量利用率的新型激光材料的开发、激光器的方案选择（棒状激光器，光纤激光器等）、激光器效率的提高、长距离传输的相干耦合、太阳能转换与无线能量传输两者结合的新技术、宇宙空间环境影响的分析及防止、系统整体重量降低等。

何祚庥：空间太阳能的经济性有待考证。光伏发电技术，已由第一代晶体硅发电技术，第二代薄膜发电技术，转向第三代“低倍聚光+高效硅基聚光电池”技术，未来可能转向第四代“高倍聚光+砷化镓聚光电池”技术。当代光伏产业必定向低倍聚光发电技术发展。

　　发展空间太阳能的顶层设计

葛昌纯：目前空间太阳能发电在成本上大大超过现有的发电方式，无实用价值。但通过技术进步尤其是空间运输技术的提高，可以使空间太阳能的发电成本大大降低。根据原普兰德公司的预测，到2030年，空间太阳能的发电成本可以从现在的102万元/千瓦造价降至0.6万元/千瓦，这就与目前常规发电方式相当。

大卫邓禄普：虽然从空间获得清洁能源目标的实现，以及其要在国内国际两个市场获取商业地位，仍旧是20-30年之后的事。但是值得期望的是，美国、中国、印度、欧洲、日本、加拿大以及全世界支持空间太阳能开发的其他国家的共同努力，可以促进那些并不是空间能源发展主导力量的国家来了解这种技术的潜在好处。

徐枫：近年来，已经有广泛的辩论和媒体报道对替代能源、可持续发展和全球气候变化做出了一系列讨论，但是一直缺乏来自科学家和工程师的知识与观点的支撑，至少在主流媒体方面这些有充分科学依据和知识性的探讨一直匮乏。任何大规模的收集和利用太阳的能源（如利用空间太阳能）作为人类最基本的能源供应的途径，最终将促使并成为未来人类文明巨大的跨越。

王希季、闵桂荣：发展空间太阳能电站要重视安全性问题，建议首先考虑微波无线能量传输方式。我国空间太阳能的研发途径不宜跟着美国、日的道路走，发展的第一批电站不宜选择吉瓦级，宜按本世纪30年代可跨越实现的原则，在10万千瓦到50万千瓦量级之间选择。

建议应集中力量发展重型运载火箭，不宜分步，应一步到位。电站的组装和维修应走创新之路，要考虑发挥我国载人空间站系统的空间服务优势，应对以人为主、以机器人为主、全自动和航天器群编队四种方式进行深入的分析比较，选其优者。

我国空间太阳能发展建议分三步发展：第一步由国家发改委抓总进行工程大系统的论证和顶层设计，提出发展路线图和工程初始方案论证；第二步深入方案论证，并研究其试验验证工作；第三步在2030年进行整站在轨试验和验证工作。