我国发展空间太阳能电站的必要性和相关技术基础分析

关键词：能源，空间太阳能电站，太阳能发电卫星，技术基础，发展途径

文 摘：对我国建立空间太阳能电站的必要性进行了讨论。在分析建设空间电站相关技术的基础上，提出了发展我国空间电站的构想。发展空间太阳能电站是我国解决能源需求、优化能源结构的理想选择；我国的技术基础已具备建立空间电站的能力，需对一些关键技术进行重点论证、研究，要加快发展载人航天技术和空间站技术；应首先发展太阳能发电卫星，之后再发展电力传输卫星等其它空间电站形式。从现在起就开始准备，我国可能在20年左右时间内建立初步的空间电站演示系统。

0 引言

世界经济的迅速发展，对能源的需求越来越大。地球矿物资源的大量开采与消耗，使石油、煤炭资源日趋短缺。过量消耗矿物燃料造成地球生态环境的恶化，也促使人们寻找新能源和各种可再生能源。由于空间太阳能具有能流密度大、持续稳定、不受昼夜气候影响、洁净、无污染等优点，且随着人类征服太空能力的加强，利用空间太阳能发电SPS（Solar Power from Space)已越业越受世界各国的关注。

现代空间太阳能发电的构想——太阳能发电卫星(Solar Power Satellite)最早由美国的P.E.Glaser博士于60年代提出[1]。之后一些学者又纷纷提出其它设想，特别是美国的D.Criswell等又建立了以月球为基地的空间电站模型LSP(Lunar-based Solar Power)。为了加快实现空间发电的构想。一些发达国家如美、日、法、俄等先后开展了空间电站的可行性论证，并对其中的关键技术——无线电能传输WPT技术（Wireless Power Transmission)作了大量的探索工作。总体认为，空间太阳能电站在技术、经济、社会等方面是可行的，有望于下世纪初建立初步的空间太阳能发电SPS系统，并于下世纪中叶建立起以月球为基地的太阳能电站。本文旨在结合我国国情，分析空间太阳能发电在我国发展的必要性与技术可行性并提出初步构想。

1 我国发展空间太阳能电站的必要性

尽管我国地域广阔，但目前探明而又能开采的矿物资源已有限。目前我国人均能源消耗水平也很低，仅为发达国家人均能耗的1/10—1/5[2]。

我国东西部经济发展的差距日益扩大，资源分布不平衡的矛盾日益突出。我国东部特别是沿海地区经济发展很快，但资源储量很少，供应紧张。我国的绝大部分资源分布在经济发展相对落后的西部及北方地区，由于技术、交通及经济等因素，未能充分开发利用。即使有计划开采出的大量煤炭，也不能及时运出。一些边远山区、牧区、高原、海岛，人口稀少，居住分散，交通不便，经济落后，那儿缺乏常规能源，又远离大电网，严重影响我国现代化建设与国民经济的发展。

由于技术基础差，管理水平低等因素，使得本已有限的能源资源浪费很大，利用率低。我国能源总效率只有30%左右，单位国民生产总值能耗比发达国家高6—10倍，生产单位产品能耗比国外高50—100%[3]。

由于矿物能源的大量使用，造成环境严重污染。我国每年CO2的排放量占世界总量的10%还多，仅次于美国，居世界第二位[4]。目前很多城市特别是一些北方重工业城市上空，经常弥漫着烟雾，环境污染问题突出。

上述状况表明，要发展经济，一方面要充分高效利用现有能源资源，避免浪费，降低消耗，提高技术水平与管理水平，另一方面，必须加快能源开发建设，克服因矿物资源严重不足带来的潜在危机，同时还必须承担对全球环境保护的义务。因此，开发利用洁净的可再生能源资源是世界各国的必然选择。

我国在发展可再生能源方面做了大量的工作[5，6]，但利用规模还十分有限。今后应大力发展地面和空间太阳能发电技术，解决太阳能的大规模利用问题。

为了从实质上解决能源需求问题，作者认为，发展空间太阳能电站应成为主要目标。在地球附近的宇宙空间，太阳能具有能流密度大、连续稳定、不占用耕地等优点，通过控制微波束空间太阳能电站可向任何一个地点供电，它比地面光伏电站更具开发价值。目前许多发达国家通过大量论证[10～12]，已将它作为解决未来能源需求的主要发展方向。根据我国的特点，作者认为，空间太阳能电站也应是我国发展的主要方向。

2 我国建立空间电站相关技术基础分析

2.1 无线电能传输技术（WPT）基础

作为空间太阳能发电的主要关键技术，WPT（Wireless Power Transmission)在能量传输方面起重要作用。通过WPT可将太阳能转换成的电能进一步转换为微波集束能或激光能，并根据需要将束向控制在所需电能的地区，在当地再通过微波或激光接受装置进一步转换成电能，输入电网或直接满足不同用户需要。

WPT技术以微波输能、控制及转换原理为基础，它早已在军事、科学及通讯卫星等领域得到广泛应用。家用微波炉的普及，表明微波技术已经成熟。微波理论、锁相技术、磁控管技术及相关控制理论早已成为我国大学电子专业的必修课。在我国各种转换器（如DC/DC、DC/AC等)用于输电配电、稳压电源、能量转换方面十分普遍，其中的开关技术：PWM、ZCS、ZVS等的研究已具有一定水平和深度，为微波能的高效率转换提供了坚实的基础。

另外，我国在雷达技术研究、应用方面具有一定基础，激光技术也已成熟。总之，微波技术、激光技术在许多方面得到了应用，表明我国在WPT技术上已具有相当基础，只要认真组织，对WPT在输能的功率、效率与精度控制等方面进行技术攻关，相信应用于空间电站的WPT技术一定会很快成熟起来。

2.2 太阳电池技术基础

作为空间电站的能量转换器件——太阳电池应具有较高的转换效率、重量体积比功率以及较强的抗辅照、抗衰退能力，同时要成本低、寿命长，便于安装。

我国研制太阳电池始于1958年，目前约有38个研究生产单位从事光伏研究与发展工作。生产能力超过5.5MW/年。另有两条空间用硅太阳电池生产线，产品大部分是单晶硅太阳电池组件[9]。

我国光伏发电首先应用于空间，已经发射的大多数卫星均采用硅太阳电池供电。我国太阳电池的研究经历了从单晶硅、多晶硅、片状硅、非晶硅到薄膜硅的发展历程。砷化镓高效太阳电池也有了较快的发展，目前正处于实用阶段的前夕。对其它类型太阳电池也开展了研究，并取得一定进展。

目前我国实用性单晶硅电池效率可达15%，多晶硅电池超过10%，非晶硅电池也超过6%。砷化镓电池的实验室效率可达21%，批量生产可达18%。

随着效率提高、各种新工艺、新结构的出现，太阳电池的比功率、抗辐照、抗衰退能力也将进一步提高。目前，作为空间用太阳电池，抗辐照、抗衰退能力尚待提高，它直接关系到光伏电站的使用寿命和成本，这是空间用太阳电池研究的一个主要内容。

另外，为了满足建设庞大的空间光伏电站需要，在我国现有两条空间用太阳电池生产线的基础，应增加投资，提高生产能力。

总之，我国已具备了太阳电池的技术基础与空间应用能力。

2.3 空间技术基础

我国自1970年4月24日成功地发射“东方红一号”卫星以来，先后成功地发射了40多颗人造地球卫星，特别是返回式卫星的高回收率，表明我国在卫星的发射、定位、遥测及遥控等方面具有先进水平。

目前我国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大，已能承担国际上各种卫星的发射业务。

空间电站十分庞大，装配、维修技术也很重要。但由于我国在载人航天、空间站建设方面尚是空白，缺少空间现场活动的经验及相关技术，给空间电站的建设带来一定的困难。要建设空间电站，除发展载人航天、空间站技术外，应同时或首先研究空间遥控机器人技术。因为即使无人上天，具备先进的遥控机器人技术，同样可完成空间设备的组装工作。

另外，为了降低空间电站的建设成本，应重点降低运输成本，提高有效载荷，同时研究其它各种运输技术，如电子推进器、磁悬浮火箭、可重复使用的运载器等。

尽管就我国的目前空间技术水平而言，尚不具备建设地球轨道空间电站的能力，月球探索更是遥远，但就空间工业基础来讲，我国已具备建设空间电站所需空间技术的潜能。

2.4 其它相关技术基础

空间太阳能电站除光伏发电外，还有热发电、热离子发电等方式。这些发电技术国内也有一定基础，它应用在空间发电的基本原理是一样的，只要相关技术发展成熟，便可应用到空间电站，所以对这些技术也应开展研究，以便将来在空间电站建设中多一些选择。

3 我国空间电站的构想与发展途径

我国未来能源结构的组合，应在充分开发利用地球上的自然能源资源外，同时利用空间太阳能。空间电站不仅空间采集太阳能，也可在平衡输送地区间能源需求方面发挥作用，国际上提出的电力传输卫星PRS(Power Relay Satellite)就是基于这一设想[3]。

我国未来空间电站的发展方案与发展途径的设想：

（1）作为建设空间电站的第一步，P.E.Glaser提出的太阳发电卫星SPS方案是比较合适的选择（ 图1图）。特别在我国尚未有载人航天及空间站的情况下，通过大力发展遥控机器人技术、WPT技术等，可以在较短的时间内完成该方案的技术准备，并初步建立SPS系统，此时发电功率虽受一定限制，但可通过其进行相关技术的试验论证工作。

（2）作为地区资源的平衡手段，进一步发展电力传输卫星、微波中继站等。例如，在国内人口稀少、自然资源如太阳能、风能、水能包括矿物资源丰富的地区集中建设大型电站，然后通过电力传输卫星或微波中继站向人口集中地区或其它缺电地区送电（图2略）。

（3）我国实现载人航天及建立空间站后，可扩大SPS的功率，并考虑其它的发电方式如太阳热发电等，再进一步考虑月球发电构想。

为了加速建设我国空间电站，建议做好以下工作：

（1）进行空间电站各项相关技术的可行性论证，列出所需发展的项目，并制定近期、中期和长期发展规划。

（2）组织全国各大院校及科研院所对各个立项进行分组攻关。重点是WPT技术（包括微波的发射、反射、接受及转换技术）、遥控机器人技术、提高太阳电池的寿命、提高运载有效载荷、降低运输成本等。

（3）进一步巩固与扩大现有技术基础，向有利于建设空间电站的方向转变。如在保证与提高质量的前提下，扩大太阳电池生产能力；使运载工具适合空间太阳能卫星及电力传输卫星的发射等等。

（4）加速发展载人航天与空间站技术，提前研究空间活动内容及相关技术。

（5）开展国际交流合作，探讨国际间和平利用空间太阳能的可能。

我国航天技术的发展在加快，如果从现在起认真进行空间电站的各项技术准备工作，预计我国的空间太阳能电站演示系统可能在20年左右时间内建立起来。

4 结论

（1）我国的能源现状表明，发展空间太阳能电站是解决我国能源需求，优化能源结构的合理选择。

（2）我国的技术基础已具备建立空间电站的潜在能力，但在关键技术上需进行重点攻关，加快发展载人航天及空间站技术。

（3）应首先发展太阳发电卫星，再发展电力传输卫星等。

（4）如果从现在起开展空间电站各种相关技术的准备工作，我国可能在20年左右时间内建立空间电站演示系统。