世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對能源的需求越來越大。地球礦物資源的大量開采與消耗，使石油、煤炭資源日趨短缺。過量消耗礦物燃料造成地球生態(tài)環(huán)境的惡化，也促使人們尋找新能源和各種可再生能源。由于空間太陽能具有能流密度大、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜氣候影響、潔凈、無污染等優(yōu)點，且隨著人類征服太空能力的加強，利用空間太陽能發(fā)電SPS(Solar Power from Space)已越業(yè)越受世界各國的關(guān)注。

　　現(xiàn)代空間太陽能發(fā)電的構(gòu)想——太陽能發(fā)電衛(wèi)星(Solar Power Satellite)最早由美國的P.E.Glaser博士于60年代提出[1]。之后一些學(xué)者又紛紛提出其它設(shè)想，特別是美國的D.Criswell等又建立了以月球為基地的空間電站模型LSP(Lunar-based Solar Power)。為了加快實現(xiàn)空間發(fā)電的構(gòu)想。一些發(fā)達國家如美、日、法、俄等先后開展了空間電站的可行性論證，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)——無線電能傳輸WPT技術(shù)(Wireless Power Transmission)作了大量的探索工作。總體認(rèn)為，空間太陽能電站在技術(shù)、經(jīng)濟、社會等方面是可行的，有望于下世紀(jì)初建立初步的空間太陽能發(fā)電SPS系統(tǒng)，并于下世紀(jì)中葉建立起以月球為基地的太陽能電站。本文旨在結(jié)合我國國情，分析空間太陽能發(fā)電在我國發(fā)展的必要性與技術(shù)可行性并提出初步構(gòu)想。

　　1 我國發(fā)展空間太陽能電站的必要性

　　盡管我國地域廣闊，但目前探明而又能開采的礦物資源已有限。目前我國人均能源消耗水平也很低，僅為發(fā)達國家人均能耗的1/10—1/5[2]。

　　我國東西部經(jīng)濟發(fā)展的差距日益擴大，資源分布不平衡的矛盾日益突出。我國東部特別是沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展很快，但資源儲量很少，供應(yīng)緊張。我國的絕大部分資源分布在經(jīng)濟發(fā)展相對落后的西部及北方地區(qū)，由于技術(shù)、交通及經(jīng)濟等因素，未能充分開發(fā)利用。即使有計劃開采出的大量煤炭，也不能及時運出。一些邊遠山區(qū)、牧區(qū)、高原、海島，人口稀少，居住分散，交通不便，經(jīng)濟落后，那兒缺乏常規(guī)能源，又遠離大電網(wǎng)，嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代化建設(shè)與國民經(jīng)濟的發(fā)展。

　　由于技術(shù)基礎(chǔ)差，管理水平低等因素，使得本已有限的能源資源浪費很大，利用率低。我國能源總效率只有30%左右，單位國民生產(chǎn)總值能耗比發(fā)達國家高6—10倍，生產(chǎn)單位產(chǎn)品能耗比國外高50—100%[3]。

　　由于礦物能源的大量使用，造成環(huán)境嚴(yán)重污染。我國每年CO2的排放量占世界總量的10%還多，僅次于美國，居世界第二位[4]。目前很多城市特別是一些北方重工業(yè)城市上空，經(jīng)常彌漫著煙霧，環(huán)境污染問題突出。

　　上述狀況表明，要發(fā)展經(jīng)濟，一方面要充分高效利用現(xiàn)有能源資源，避免浪費，降低消耗，提高技術(shù)水平與管理水平，另一方面，必須加快能源開發(fā)建設(shè)，克服因礦物資源嚴(yán)重不足帶來的潛在危機，同時還必須承擔(dān)對全球環(huán)境保護的義務(wù)。因此，開發(fā)利用潔凈的可再生能源資源是世界各國的必然選擇。

　　我國在發(fā)展可再生能源方面做了大量的工作[5，6]，但利用規(guī)模還十分有限。今后應(yīng)大力發(fā)展地面和空間太陽能發(fā)電技術(shù)，解決太陽能的大規(guī)模利用問題。

　　為了從實質(zhì)上解決能源需求問題，作者認(rèn)為，發(fā)展空間太陽能電站應(yīng)成為主要目標(biāo)。在地球附近的宇宙空間，太陽能具有能流密度大、連續(xù)穩(wěn)定、不占用耕地等優(yōu)點，通過控制微波束空間太陽能電站可向任何一個地點供電，它比地面光伏電站更具開發(fā)價值。目前許多發(fā)達國家通過大量論證[10～12]，已將它作為解決未來能源需求的主要發(fā)展方向。根據(jù)我國的特點，作者認(rèn)為，空間太陽能電站也應(yīng)是我國發(fā)展的主要方向。

　　2 我國建立空間電站相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)分析

　　2.1 無線電能傳輸技術(shù)(WPT)基礎(chǔ)

　　作為空間太陽能發(fā)電的主要關(guān)鍵技術(shù)，WPT(Wireless Power Transmission)在能量傳輸方面起重要作用。通過WPT可將太陽能轉(zhuǎn)換成的電能進一步轉(zhuǎn)換為微波集束能或激光能，并根據(jù)需要將束向控制在所需電能的地區(qū)，在當(dāng)?shù)卦偻ㄟ^微波或激光接受裝置進一步轉(zhuǎn)換成電能，輸入電網(wǎng)或直接滿足不同用戶需要。

　　WPT技術(shù)以微波輸能、控制及轉(zhuǎn)換原理為基礎(chǔ)，它早已在軍事、科學(xué)及通訊衛(wèi)星等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。家用微波爐的普及，表明微波技術(shù)已經(jīng)成熟。微波理論、鎖相技術(shù)、磁控管技術(shù)及相關(guān)控制理論早已成為我國大學(xué)電子專業(yè)的必修課。在我國各種轉(zhuǎn)換器(如DC/DC、DC/AC等)用于輸電配電、穩(wěn)壓電源、能量轉(zhuǎn)換方面十分普遍，其中的開關(guān)技術(shù)：PWM、ZCS、ZVS等的研究已具有一定水平和深度，為微波能的高效率轉(zhuǎn)換提供了堅實的基礎(chǔ)。

　　另外，我國在雷達技術(shù)研究、應(yīng)用方面具有一定基礎(chǔ)，激光技術(shù)也已成熟�？傊�，微波技術(shù)、激光技術(shù)在許多方面得到了應(yīng)用，表明我國在WPT技術(shù)上已具有相當(dāng)基礎(chǔ)，只要認(rèn)真組織，對WPT在輸能的功率、效率與精度控制等方面進行技術(shù)攻關(guān)，相信應(yīng)用于空間電站的WPT技術(shù)一定會很快成熟起來。

　　2.2 太陽電池技術(shù)基礎(chǔ)

　　作為空間電站的能量轉(zhuǎn)換器件——太陽電池應(yīng)具有較高的轉(zhuǎn)換效率、重量體積比功率以及較強的抗輔照、抗衰退能力，同時要成本低、壽命長，便于安裝。

　　我國研制太陽電池始于1958年，目前約有38個研究生產(chǎn)單位從事光伏研究與發(fā)展工作。生產(chǎn)能力超過5.5MW/年。另有兩條空間用硅太陽電池生產(chǎn)線，產(chǎn)品大部分是單晶硅太陽電池組件[9]。

　　我國光伏發(fā)電首先應(yīng)用于空間，已經(jīng)發(fā)射的大多數(shù)衛(wèi)星均采用硅太陽電池供電。我國太陽電池的研究經(jīng)歷了從單晶硅、多晶硅、片狀硅、非晶硅到薄膜硅的發(fā)展歷程。砷化鎵高效太陽電池也有了較快的發(fā)展，目前正處于實用階段的前夕。對其它類型太陽電池也開展了研究，并取得一定進展。

　　目前我國實用性單晶硅電池效率可達15%，多晶硅電池超過10%，非晶硅電池也超過6%。砷化鎵電池的實驗室效率可達21%，批量生產(chǎn)可達18%。

　　隨著效率提高、各種新工藝、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，太陽電池的比功率、抗輻照、抗衰退能力也將進一步提高。目前，作為空間用太陽電池，抗輻照、抗衰退能力尚待提高，它直接關(guān)系到光伏電站的使用壽命和成本，這是空間用太陽電池研究的一個主要內(nèi)容。

　　另外，為了滿足建設(shè)龐大的空間光伏電站需要，在我國現(xiàn)有兩條空間用太陽電池生產(chǎn)線的基礎(chǔ)，應(yīng)增加投資，提高生產(chǎn)能力。

　　總之，我國已具備了太陽電池的技術(shù)基礎(chǔ)與空間應(yīng)用能力。

　　2.3 空間技術(shù)基礎(chǔ)

　　我國自1970年4月24日成功地發(fā)射“東方紅一號”衛(wèi)星以來，先后成功地發(fā)射了40多顆人造地球衛(wèi)星，特別是返回式衛(wèi)星的高回收率，表明我國在衛(wèi)星的發(fā)射、定位、遙測及遙控等方面具有先進水平。

　　目前我國已有多種型號的長征系列運載火箭，輸送的有效載荷也越來越大，已能承擔(dān)國際上各種衛(wèi)星的發(fā)射業(yè)務(wù)。

　　空間電站十分龐大，裝配、維修技術(shù)也很重要。但由于我國在載人航天、空間站建設(shè)方面尚是空白，缺少空間現(xiàn)場活動的經(jīng)驗及相關(guān)技術(shù)，給空間電站的建設(shè)帶來一定的困難。要建設(shè)空間電站，除發(fā)展載人航天、空間站技術(shù)外，應(yīng)同時或首先研究空間遙控機器人技術(shù)。因為即使無人上天，具備先進的遙控機器人技術(shù)，同樣可完成空間設(shè)備的組裝工作。

　　另外，為了降低空間電站的建設(shè)成本，應(yīng)重點降低運輸成本，提高有效載荷，同時研究其它各種運輸技術(shù)，如電子推進器、磁懸浮火箭、可重復(fù)使用的運載器等。

　　盡管就我國的目前空間技術(shù)水平而言，尚不具備建設(shè)地球軌道空間電站的能力，月球探索更是遙遠，但就空間工業(yè)基礎(chǔ)來講，我國已具備建設(shè)空間電站所需空間技術(shù)的潛能。

　　2.4 其它相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)

　　空間太陽能電站除光伏發(fā)電外，還有熱發(fā)電、熱離子發(fā)電等方式。這些發(fā)電技術(shù)國內(nèi)也有一定基礎(chǔ)，它應(yīng)用在空間發(fā)電的基本原理是一樣的，只要相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟，便可應(yīng)用到空間電站，所以對這些技術(shù)也應(yīng)開展研究，以便將來在空間電站建設(shè)中多一些選擇。

　　3 我國空間電站的構(gòu)想與發(fā)展途徑

　　我國未來能源結(jié)構(gòu)的組合，應(yīng)在充分開發(fā)利用地球上的自然能源資源外，同時利用空間太陽能�？臻g電站不僅空間采集太陽能，也可在平衡輸送地區(qū)間能源需求方面發(fā)揮作用，國際上提出的電力傳輸衛(wèi)星PRS(Power Relay Satellite)就是基于這一設(shè)想[3]。

　　我國未來空間電站的發(fā)展方案與發(fā)展途徑的設(shè)想：

　　(1)作為建設(shè)空間電站的第一步，P.E.Glaser提出的太陽發(fā)電衛(wèi)星SPS方案是比較合適的選擇( 圖1)。特別在我國尚未有載人航天及空間站的情況下，通過大力發(fā)展遙控機器人技術(shù)、WPT技術(shù)等，可以在較短的時間內(nèi)完成該方案的技術(shù)準(zhǔn)備，并初步建立SPS系統(tǒng)，此時發(fā)電功率雖受一定限制，但可通過其進行相關(guān)技術(shù)的試驗論證工作。

　　(2)作為地區(qū)資源的平衡手段，進一步發(fā)展電力傳輸衛(wèi)星、微波中繼站等。例如，在國內(nèi)人口稀少、自然資源如太陽能、風(fēng)能、水能包括礦物資源豐富的地區(qū)集中建設(shè)大型電站，然后通過電力傳輸衛(wèi)星或微波中繼站向人口集中地區(qū)或其它缺電地區(qū)送電(圖2)。

　　(3)我國實現(xiàn)載人航天及建立空間站后，可擴大SPS的功率，并考慮其它的發(fā)電方式如太陽熱發(fā)電等，再進一步考慮月球發(fā)電構(gòu)想。

　　為了加速建設(shè)我國空間電站，建議做好以下工作：

　　(1)進行空間電站各項相關(guān)技術(shù)的可行性論證，列出所需發(fā)展的項目，并制定近期、中期和長期發(fā)展規(guī)劃。

　　(2)組織全國各大院校及科研院所對各個立項進行分組攻關(guān)。重點是WPT技術(shù)(包括微波的發(fā)射、反射、接受及轉(zhuǎn)換技術(shù))、遙控機器人技術(shù)、提高太陽電池的壽命、提高運載有效載荷、降低運輸成本等。

　　(3)進一步鞏固與擴大現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，向有利于建設(shè)空間電站的方向轉(zhuǎn)變。如在保證與提高質(zhì)量的前提下，擴大太陽電池生產(chǎn)能力；使運載工具適合空間太陽能衛(wèi)星及電力傳輸衛(wèi)星的發(fā)射等等。

　　(4)加速發(fā)展載人航天與空間站技術(shù)，提前研究空間活動內(nèi)容及相關(guān)技術(shù)。

　　(5)開展國際交流合作，探討國際間和平利用空間太陽能的可能。

　　我國航天技術(shù)的發(fā)展在加快，如果從現(xiàn)在起認(rèn)真進行空間電站的各項技術(shù)準(zhǔn)備工作，預(yù)計我國的空間太陽能電站演示系統(tǒng)可能在20年左右時間內(nèi)建立起來。

　　4 結(jié)論

　　(1)我國的能源現(xiàn)狀表明，發(fā)展空間太陽能電站是解決我國能源需求，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的合理選擇。

　　(2)我國的技術(shù)基礎(chǔ)已具備建立空間電站的潛在能力，但在關(guān)鍵技術(shù)上需進行重點攻關(guān)，加快發(fā)展載人航天及空間站技術(shù)。

　　(3)應(yīng)首先發(fā)展太陽發(fā)電衛(wèi)星，再發(fā)展電力傳輸衛(wèi)星等。

　　(4)如果從現(xiàn)在起開展空間電站各種相關(guān)技術(shù)的準(zhǔn)備工作，我國可能在20年左右時間內(nèi)建立空間電站演示系統(tǒng)。

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