空间太阳能电站发展综述及对构建全球能源互联网的影响

空间太阳能电站发展综述及对构建全球能源互联网的影响

欧阳学文

能源和环境问题是关系到国家政治、经济和安全的重大战略问题。空间太阳能电站作为一种能够大规模稳定利用太阳能的方式，日益受到世界主要航天大国的高度关注。随着空间技术和相关技术领域的快速进步，空间太阳能电站有可能成为实现可再生能源战略储备的重要手段。

一、空间太阳能电站概述

空间太阳能电站（SPS），也称为太空发电站，是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统（图1），也包括直接将太阳光反射到地面、在地面进行发电的系统。

图1空间太阳能电站示意图

相对于地面太阳能光伏发电，空间太阳能发电具有明显的效率优势。据中国空间技术研究院副院长、研究员李

明介绍，由于太空的太阳辐射每平方米可以达到1353瓦，是地面的5倍以上，在地球同步轨道，99%的时间可以接受太阳能辐射。如果在地球同步轨道上部署宽度为1000米的太阳能电池阵环带，以转换效率100%计算，从理论上说，其1年接受的太阳能辐射，可以为地球可知开采石油储能的能量总和。

随着世界能源供需矛盾和环境保护问题日益突出，国际上开展了广泛的空间太阳能电站技术的研究，目前已经提出了几十种概念方案，并且在无线能量传输等关键技术方面开展了重点研究。近年来，太阳能电池发电效率、微波转化效率以及相关的空间技术取得了很大进步，为未来空间太阳能电站的发展奠定了良好的基础。虽然空间太阳能电站没有不可逾越的技术原理问题，但作为一个非常宏大的空间系统，其发展还存在许多核心技术难题，需要开展系统的研究工作，以取得突破性进展。

二、空间太阳能电站的最新进展

2.1 国外发展概况

空间太阳能电站的应用前景引起了国际上的广泛关注，以美国、日本等为代表的多个国家对于空间太阳能电站开展了长期的研究工作。21世纪以来，越来越多的国家、组织、企业和个人都开始关注空间太阳能这种取之不尽的巨大空间能源。

（1）美国

美国是在SPS领域投入资金最多的国家，也是研究最长的国家，推出了众多创新性的概念方案和技术，虽然未列入正式的国家发展计划，但得到了持续的关注和支持。

20 世纪70 年代末，美国能源部和美国航空航天局( NASA) 耗资5000 万美元开展SPS 系统和关键技术研究，完成第一个详细的SPS 方案——5GW的1979 参考系统。1995 年，NASA 开始重新评估空间太阳能电站的可行性。1999 年，NASA 投资2200万美元开展了“空间太阳能发电的探索研究和技术计划( SERT) ”研究。该计划提出了空间

太阳能电站的发展路线图，并提出了集成对称聚光系统等新概念。年，美国国防部发表了“空间太阳能电站作为战略安全的机遇”中期报告，引发了新一轮的空间太阳能电站的研究热潮。年，美国PG＆E 公司宣布与Solaren 公司签署了正式购买200MW SPS 电力的协议，成为世界第一个SPS 购电协议。

（2）日本

日本是第一个将SPS正式列入国家航天计划的国家，提出了正式的发展路线图（图2），得到了长期持续的关注和发展。虽然投入有限，但在无线能量传输等领域处于世界先进水平。

图2日本空间太阳能电站发展路线图（）从20 世纪80 年代起，日本就成立了特别委员会，组织数百名科学家参加了15 个技术工作组，开始研究SPS 概念方案和关键技术。年，日本宣布以三菱公司为主的集团将在2030 ～2040 年间建设世界第一个GW级的商业SPS 系统，总投资额将超过200 亿美元。根据年日本公布的最新发展路线图，日本SPS 发展将分为3 个阶段。

第一阶段: 研究阶段，年前

年前完成1kW 级地面无线能量传输试验。微波无线传输功率为1. 6kW，传输距离50m。激光无线传输功率为1kW，传输距离500m。利用小卫星或国际空间站JEM 舱开展低轨无线能量传输验证，微波无线能量传输功率为kW 级。

第二阶段: 研发阶段， 2030 年前

选择无线能量传输方式，开展100kW 系统验证，预期地面接收能量为10kW。研发2 ～200MW级系统。2MW 系统为商业系统的一个完整的模块单元( 2024 年) ，200MW 系统为商业系统的1 /5 缩比模型( 2030 年前) ，为最终的验证系统。

第三阶段: 商业阶段

2035 年前后，实现1GW 的商业系统。

根据日本最新公布的航天基本计划，空间太阳能发电研究开发项目列入七大重点发展领域，并且作为国家三个长期支持的重点研究领域之一（其它两个为空间科学和深空探测领域、载人空间活动领域）。

（3）其他国家

欧空局、加拿大、俄罗斯等国及相关国际组织非常关注该领域的发展，提出一些新概念，并重点在无线能量传输、超轻大型空间结构等先进技术方面开展研究工作。，国际无线电科学联盟（URSI）正式发布“URS I空间太阳能发电卫星（SPS）白皮书”。10月，国际宇航科学院组织的国际联合工作组正式发表“空间太阳能电站——第一次国际评估：机遇、问题及可能的发展途径”研究报告。

2.2 我国发展概况

7月，中国航天科技集团公司组织进行了“空间太阳能电站发展必要性及概念研究”研讨。，国防科工局启动“我国空间太阳能电站概念和发展思路研究”项目的研究工作。，由中国空间技术研究院王希季、闵桂荣等七位院士牵头开展中国科学院学部咨询评议项目——空间太阳能电站技术发展预测和对策研究。，中国空间技术研究院组织召开首次“全国空间太阳能电站发展技术研讨会”，多位院士和近百位专家参加。5月，“空间太阳能电站发展的机遇与挑战”香山科学会议召开，多个领域的专家研讨了

发展空间太阳能电站的重大科学问题和发展建议。国际上也非常关注中国在此领域的发展。利用国际会议和交流机会，我国与美国、日本、欧洲和俄罗斯的专家开展了广泛深入的技术研讨。，国际宇航大会在北京召开，中国专家应邀作了“21世纪人类的能源革命——空间太阳能发电”的空间发电分会主旨发言，葛昌纯院士作为特邀专家代表中国参加空间太阳能发电论坛。

在相关研究的基础上，“十二五”期间，在国防科工局等的支持下，国内有更多的研究团队开展了相关研究工作。包括中国航天科技集团公司、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、北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学和中科院长春光机所等单位，开展了空间太阳能电站系统方案和多项与空间太阳能电站相关的关键技术研究工作。在中国航天科技集团公司原总经理马兴瑞指示下，中国空间技术研究院于6月论证形成《系统谋划，加快推进中国空间太阳能电站领域发展》的研究报告，提出了我国SPS发展路线初步建议。，杨士中院士和段宝岩院士向国家建议开展太空发电站关键