世界空间太阳能发展现状和中国发展空间太阳能四步构想

1、世界空间太阳能发展现状和中国发展空间太阳能四步构想空间太阳能预计在2030年后实现商业化，但先期的市场拓展已经展开空间太阳能发电站试验飞行器模拟图空间太阳能发电站想象图地面太阳能发电站的巨大电池板3.51这是空间太阳能发电与地面太阳能发电的效率比。欧洲已将空间太阳能发的电卖到四川，但很多中国人却连这种电怎么来的都不明白。谈到从几万米的太空收集太阳能发电，有人觉得不可思议。高昂的设备装置费用、难以解决的电力传输问题、对人类活动的影响等等忧虑，让人觉得这个想法有点异想天开。然而，包括欧美、日本在内的发达国家正如火如荼地开展空间太阳能发电的研究与产业发展。我国几位研究该领域的院士专家，为公众揭开这一

2、技术的面纱。国际空间太阳能或引发新一轮产业技术革命未来空间利用中，太阳能发电将是一项核心技术发展新能源是大势所趋，其中太阳能和核能有望成为人类的终极能源。由于建立核聚变发电站涉及安全可靠性、核废物处理等一系列问题，空间太阳能发电在技术上更有可能在20到30年内实现商业化。空间太阳能发电技术是指在距离地球几万米的太空布置太阳能发电装置，并利用微波或激光等无线传输手段将电传送到地面。3.5：1这是中国科学院院士余梦伦给出的空间太阳能发电与地面太阳能发电的效率比。在太空中没有阴雨天也没有晚上，不会受天气等因素的影响。除去每年有几个小时会受卫星、地球等的遮挡外，其他时间可以实现全时段发电。欧洲空间能源

3、集团大规模收集和利用太阳能（包括利用空间太阳能）作为人类最基本的能源供应途径，最终将促使未来人类文明的巨大跨越。将空间太阳能实现商业化的背后有一系列科学难题需要解决。人类在开发过程中带来的技术进步可能引发新一轮的产业技术革命。国外空间太阳能技术的发展现状我国已经超越美国成为全球第一能源消费大国，然而空间能源技术不论是在科技界还是政策制定者那里，都没得到应有的重视。我国空间太阳能发电研究本身就起步晚，如果再不将优势科研力量集中起来，跟国际先进水平的差距将进一步拉大。据了解，美国在卡特总统当政时，对空间太阳能发电技术的支持达到高峰，几十年来一直没有间断。美国宇航局启动的“空间太阳能探索性研究和技术

4、计划”提出了该国的发展路线图，为2030年的商业系统研制奠定了基础。日本在2003年提出了“促进空间能利用”国家计划，目标是在20到30年后实现空间太阳能发电商业化。日本京都大学研究人员已建成一座太空太阳能发电实验设施。其用途主要验证通过无线方式远距离输送能量的可行性。太空太阳能发电是指用火箭把太阳能电池板发射到太空，太阳能电池板在太空发电，再将产生的电能转换成微波传回地面，并重新转换为电能。目前完工的实验设施位于京都大学宇治校区内。京都大学设想至年后发射携带直径米的太阳能电池板的实验卫星，达到输出功率千瓦的发电能力。太空太阳能发电要想进入商业化运营，需要直径至米的太阳能电池板，达到相当于一座

5、核反应堆万千瓦的输出功率。2009年，日本航天开发局宣布已开始开发太空太阳能发电系统，该系统将从离地球表面以外3.6万千米、与地球旋转同步的卫星上的大型太阳能收集能源。日本九州工业大学2012年7月10日宣布，由该校研制的小型卫星“凤龙2号”在太空利用太阳能电池首次成功实现了300伏特的高电压发电。在卫星8日下午位于北九州市上空约680公里时，研究人员进行了发电实验，首次成功实现了300伏特的高电压发电，远远超过国际空间站迄今创造的最大160伏特的发电纪录。由于宇宙空间有大量带电粒子，所以高电压发电存在放电危险。因此，需要用特殊的透明薄膜将太阳能电池覆盖住，以防止放电。要想建造比国际空间站更大

6、的太空设施，就需要应用高电压发电技术，此次成功是重大的进步。凤龙2号”小型卫星是今年5月搭乘日本H2A火箭升空的，其主要任务就是进行太空发电实验。印度进行空间太阳能研究,利用微波传输电力. 印度前总统阿卜杜尔卡拉姆博士（ A.P.J. Abdul Kalam）已将名字列入美印推进空间太阳能（SSP）的联合活动的专家名单中，该项目旨在改善地球生活。卡拉姆是印度航天先驱，曾任印度第11任总统。他和以前的印度太空研究组织（ISRO）的同事与美国国家航天协会（NSS）成员组成工作小组，准备部署一颗大型卫星，收集太阳能，并将其安全传送到地球表面。卡拉姆在11月4日召开的一次大会上说，像空间太阳能这类大型

7、任务需要多国联手合作，并确信收集太空中的太阳能能够改善人类的生存标准。卡拉姆由NASA前任首席探测技术专家约翰曼金斯引荐，后者现任太空能量协会主席。印度太空研究组织位于班加罗尔的卫星中心主任阿莱克斯将加入曼金斯团队，作为美国国家航天协会能量活动首席联合调查员。合作团队准备召开一次双边会议，2011年5月确立行动和组织结构。美国国家航天协会CEO霍普金斯表示，尽管会议将围绕印度与美国的合作展开，不过还准备扩大合作规模，包括其他国家尤其是在空间太阳能方面取得一定成就的日本。卡拉姆说，会议议题可能会在奥巴马总统与印度总统的峰会上谈及，不过通往航天大国高层的道路更可能会在8国和20国经济峰会上展现出来

8、。理想状态下，不同国家可以根据各自独特的技术加入空间太阳能项目中。对于印度和美国，在技术开发商开展合作，也能起到作用。阿历克斯表示，印度在陆地太阳能工业方面成绩显著，还致力于多节太阳能电池阵列研究，尽管这方面不如美国先进，但也能实现将太阳能按需有效转化，使空间太阳能发挥作用。卡拉姆也表示，印度可重复使用运载火箭技术有助于降低空间太阳能有效载荷入轨的成本，而且如果美印合作，这项工作会进展更快。曼金斯指出地球静止轨道首个样星采用的“10-10-10” 原则将成为本次双边活动的一个目标。这样一个系统将提供10兆瓦的能量，建造和发射成本低于10个十亿美元，在10年之内准备就绪。这个系统包括一颗大型卫星

9、，收集太阳能，并将其转化为微波，利用地球上的天线传送微波。地球上的天线能够收集到微波并转化为电力，并利用现有的电力网进行传送。这种天线就像铁丝网一样，农民可以在铁丝网下面种植庄稼，人甚至可以赤脚踩在上面。 域外空间太阳能解决方案美国1979 SPS基准系统：这是第一个比较完整的空间太阳能电站的系统设计方案，由美国在1979年完成，以全美国一半的发电量为目标进行设计。其设计方案为在地球静止轨道上布置60个发电能力各为5吉瓦的发电卫星。集成对称聚光系统：NASA在20世纪90年代末的SERT研究计划中提出的方案。采用了位于桅杆两边的大型蚌壳状聚光器将太阳能反射到两个位于中央的光伏阵列。聚光器面向太

10、阳，桅杆、电池阵、发射阵作为一体，旋转对地。聚光器与桅杆间相互旋转以应对每天的轨道变化和季节变化。日本分布式绳系卫星系统：为减小单个模块的复杂性和重量，日本科学家提出了分布式绳系卫星的概念。其基本单元由尺寸为100米95米的单元板和卫星平台组成，单元板和卫星平台间采用四根2千米10千米的绳系悬挂在一起。单元板是由太阳能电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板，共包含3800个模块。每个单元板的总重约为42.5吨，微波能量传输功率为2.1兆瓦。由25块单元板组成子板，25块子板组成整个系统。该设计方案的模块化设计思想非常清晰，有利于系统的组装、维护。但系统的质量仍显巨大，特别是利用效率较低。

11、欧洲太阳帆塔：欧洲在1998年“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划中提出了欧洲太阳帆塔的概念。该方案基于美国提出的太阳塔概念，并采用许多新技术。其中最主要的是采用了可展开的轻型结构太阳帆。其可以大大降低系统的总重量、减小系统的装配难度。其中每一块太阳帆电池阵为一个模块，尺寸为150米150米，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器转移至地球同步轨道。由于该方案采用梯度稳定方式实现发射天线对地球定向，所以太阳帆板无法实现持续对日定向。我国空间太阳能发展期待列为国家重大项目我国上世纪就有科学家注意到这一技术，但由于缺乏足够的支持，研究进展很慢。2012年3月份召开的

12、国际空间太阳能电站工作组第一次会议上，13名科学家没有一名是来自中国的，足见我们跟国外的差距有多大，而且这个差距还在不断拉大。在一次空间太阳能技术研讨会上，一位四川发展改革委的官员说：欧洲已将空间太阳能发的电卖到四川，还给我们很多的优惠，我们却连这种电怎么来的都不知道。如果我们再不奋起直追、加大对空间太阳能发电技术的研究，这一战略新兴产业与国外的差距将进一步拉大，市场早晚会成为别人的。空间太阳能发电设备的空间运输问题要实现空间太阳能发电与地面太阳能发电的成本持平，运用火箭的运输费用至少要降至每公斤1千元人民币。目前运输的费用是每公斤五六万元，未来能实现每公斤1千元的目标，但前提是要加大研究的投

13、入，没科研就不可能有进展.空间太阳能发电是一个宏伟的空间和地面工程，涉及到许多重要的技术领域，如空间运输、航天器设计、微波技术、激光技术、材料技术等。对于我国而言，空间太阳能电站发展的战略机遇已经来临。目前我国在空间太阳能发电技术方面尚没有重大项目。我们期待国家将其尽快列为科学发展规划重大专项和国际合作重大项目，增大项目支持，早日实现空间太阳能发电的商业化。中国太空太阳能电站：上万吨 造价达10000亿美元空间太阳能发电的示意图你敢想吗？太空建个发电站将无比巨大的太阳能电池阵放置在地球轨道上，组成太阳能发电站，太阳能发电装置将太阳能转化成为电能。1968年美国科学家彼得格拉赛(Peter Gl

14、aser)首先提出了建造空间太阳能电站的构想，其基本思路是：将无比巨大的太阳能电池阵放置在地球轨道上，组成太阳能发电站，将取之不尽、用之不竭的太阳能转化成数千兆瓦级的电能，然后将电能转化成微波能，并利用微波或无线技术传输到地球。能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式(激光也可以直接通过太阳能转化)，并利用天线向地面发送能束。有资料称，从理论上说，在阳光充足的地球静止轨道上，每平方米太阳能能产生1336瓦热量，如果在地球静止轨道上部署一条宽度为1000米的太阳能电池阵环带，假定其转换效率为100%，那么，它在一年中接收到的太阳辐射通量差不多等于目前地球上已知可开采石油储量所包含的能量总和。地面

15、接收系统接收空间太阳能电站发射来的能束，再通过转换装置将其转换成为电能。整个过程经历了太阳能-电能-微波(激光)-电能的能量转变过程。空间太阳能电站的建造和运行过程还需要包括大型的运载系统，空间运输系统，及复杂的后勤保障系统。我国空间太阳能电站发展“四步走”设想目前，国内空间太阳能电站研究还处于刚刚起步的阶段。在中国空间技术研究院主办的空间太阳能电站发展技术全国研讨会上，与会专家提出了我国空间太阳能电站发展“路线图”。概括起来主要分为四个发展阶段：第一阶段：2011年-2020年充分分析空间太阳能电站的应用需求，开展空间太阳能电站系统方案详细设计和关键技术研究，进行关键技术验证。重点验证无线能

16、量传输技术、高效大功率太阳能发电技术、大型结构的展开组装技术和高压供配电系统，主要有地面大功率无线能量传输试验、地面大型结构展开及装配技术试验、地面对平流层飞艇无线能量传输试验、依托空间站的大型结构展开及装配技术试验等。空间太阳能发电站将是庞大无比的物体，质量达万吨级以上。第二阶段：2021年-2025年利用我国的空间站平台，在航天员参与下，进行我国第一个低轨道空间太阳能电站系统研制，在2025年开展系统验证。重点验证大型结构的空间展开及装配，大型空间聚光系统及其控制，大功率电源管理系统，大型结构的姿态控制技术，无线能量传输技术(激光、微波)，空间太阳能电站的运行维护管理等。第三阶段：2026

17、年-2040年在低轨关键技术验证的基础上，进一步研究经济上和技术上更为可行的空间太阳能电站系统方案和关键技术，突破轨道间大功率电推进技术，研制地球同步轨道验证系统，大约在2030年左右发射，进行空间-地面、空间-空间无线能量传输，开展系统验证，为商业系统的研制提供重要的运行参数。系统运行寿命10年。初步考虑该系统在低轨进行自主空间组装，并利用空间站和航天员进行部分组装工作，并解决空间装配中出现的问题，组装测试完毕后，整体运送到地球同步轨道。第四阶段：2036年-2050年结合验证系统的运行状况，结合技术发展，研制我国第一个商业化空间太阳能电站系统，实现空间太阳能电站商业运行，运行寿命30年以上

18、。空间太阳能电站面临的巨大挑战远距离能量传送也是一个巨大的技术课题目前建设空间太阳能电站首先是技术难题。空间太阳能电站是一个巨大的工程，对于现有的航天器技术提出了很大挑战：规模大，质量达到万吨以上，比目前的卫星高出4个数量级，需要采用新材料和新型运载技术；面积达到数平方公里以上，比目前的卫星高出6个数量级，需要采用特殊的结构、空间组装和姿态控制技术；功率大，发电功率为吉瓦，比目前的卫星高出6个数量级，需要特别的电源管理和热控技术；寿命长，至少达到30年以上，比目前的卫星高出一倍以上，需要新材料和在轨维护技术；效率高，需要先进的空间太阳能转化技术和微波转化传输技术。其次是成本问题。有专家估算，建

19、设一个天基太阳能发电站需要耗资3000亿至10000亿美元。因此，成本问题可能是制约空间太阳能电站发展的主要因素。在新概念、新技术和大规模商业化之前，收入难以补偿整个系统的建造和运行成本。再次是环境影响。虽然空间太阳能电站功率很大，但由于微波能量传输距离远(36000公里)，根据微波能量传输特性，实际接收天线的能量密度比较低。最后是运行问题。空间太阳能电站运行中还有许多问题，其中包括需采取相应措施对波束进行安全控制问题、对于飞行器的影响、空间碎片可能对空间太阳能电站造成局部损害、易攻击性、可能成为空间垃圾等。此外，还有轨道和频率、产能、发射能力等问题。我国最早2030年研发出首个空间太阳能发电

20、站空间太阳能发电站工作示意图从水能到地热能、从风能到生物能，人类一直试图寻找更清洁、更高效的能源，来取代传统的化石能源。太空，成了一些创想者解开地球能源枷锁的蓝海。在太空建设太阳能发电站，是他们对于主力能源的全新设想。也许，有人会觉得这个梦想遥远。但我们也将在实现梦想的过程中获益材料技术、太阳能利用技术都极有可能因此而飞越。这场仍在发酵的科学创想，其过程和结果都将为我们酝酿一份美好。将中国的主力发电站建到太空去.这个动人心魄的想法在北京中国空间技术研究院一幢并不起眼的小楼里发酵着。一位耄耋老人，给我们描述了一幅美妙图景。传统化石能源之外，谁能成为“新主力”在漫漫太空之中、地球同步轨道之上，飘着

21、一座座面积可比故宫的太阳能发电站，将炽热的太阳光转化为能量，传给地球，造福人类。这个场景，是中科院持续了30多年的梦想。发展空间太阳能发电站是解决中国能源问题的根本出路。煤炭、石油和天然气，多年来一直是中国的“主食”，占据了能源消耗的九成左右。两个预测，却让中国的能源“温饱”，都变得有些奢侈。一个是关于石油。据国土资源部规划报告，目前我国已探明的石油只能开采14年左右，尽管每年可以新增10亿吨左右的探明储量，但可开采储备相对不足的现实依然严峻。另一个是关于煤炭。我国煤炭探明可利用储量近2000亿吨，按照年产25亿吨原煤的速度推算仅供开采80年，不过是一个人的一生。近些年来，我国的石油、天然气对

22、外依存度都超过50%。中国对能源日益增长的需求，恐怕在几十年内都停不下来。 “70亿吨标准煤，这是专家预计的2021年中国能源消耗量。”有朝一日，当中国的最后一块煤被丢入煤炉后，中国拿什么喂饱自己？”提出这个问题时，严肃的背后，是一个令人焦急的现实：除了煤炭、石油和天然气，它们潜在的“接班人”都有各自的缺陷。水能，是有限的；风能、地面太阳能，不稳定；核能，存在一定的安全隐患。这些能源满足部分需求和作为补充是可以的，但是，解决能源问题，我们要的是一条根本出路。在太空接收太阳能，更稳定也更有效“取之不尽、用之不竭”，是对太阳能的描述，如果太阳能成为主力能源，那我们就不用把地球挖得千疮百孔了。不同于

23、我们一般理解的太阳能太阳能来自太空，说得更具体一点，就是在地球同步轨道上建设太阳能发电站。地球同步轨道，离地面有3.6万公里，这个距离相当于在北京和上海之间来回20多趟。为什么要千辛万苦把太阳能发电站搬到这个连空气都没有的地方？因为稳定。在地面利用太阳能，每天每时都在波动，有云有雾就减弱，早午晚强度不一，到了晚上就完全没有了。在地球同步轨道上，99%的时间都能稳定接受阳光。也因为稳定，所以更有效率。相同时间内，太空的日照强度是地表平均日照强度的512倍。是用研究数据佐证空间的优势。世界主要航天国对空间太阳能发电站的话题已经讨论了40多年，日本媒体更是宣称在2025年后实现空间发电的梦想。在国内，中科院在空间太阳能电站技术发展预测和对策研究报告中提出了“四步走”战略，认为20302050年我国有可能研发出第一个商业化空间太阳能发电站系统，实现空间太阳能发电站商业运行。在走向这个目标的路途中，隐藏着更大的福利：空间太阳能发电站是目前能够设想的最