闫 勇，金 光

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033)

1 引言

随着经济社会的不断发展，能源需求增长迅速，然而，矿物资源的过度开采造成了常规能源的日益短缺。为应对人类对能源需求日益增加和现有煤炭、石油等资源过度消耗造成地球生态环境不断恶化的现状，人们开始积极地寻找和开发新能源和各种可再生能源。

1968年美国彼得·格拉赛提出空间太阳能电站(SPS)概念后，其作为一种前景广阔的可再生能源系统受到各发达国家的广泛关注，但由于当时科技水平不成熟，仅侧重于概念性研究。

目前，随着空间技术的迅速发展，特别是空间运载技术、航天器技术及太阳能电池技术等的日臻成熟，SPS因其具有不受昼夜和气候的影响，可实现连续工作，能量利用率高等诸多优点，备受美、日、欧等发达国家的关注，并相继进行了大量的研究工作［1-3］。

当前，我国能源日趋短缺的现状与经济迅速发展的矛盾也非常突出，从世界范围内能源开发利用的研究现状看，发展SPS，优化能源结构同样将是解决我国能源需求切实可行的途径。本文结合当前国际SPS研究现状和我国国情，在对SPS技术现状分析总结的基础上，结合我国当前的技术水平和未来科技发展的进步，初步提出一种新型SPS系统，旨在为未来我国SPS的发展提供有益的补充和借鉴。

2 SPS的发展

2.1 组成及原理

SPS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，主要由太阳能发电装置、能量转换/发射装置和地面接收/转换装置3部分组成，其工作原理如图1所示。

图1 SPS工作原理图Fig.1 Working principle diagram of space SPS

2.2 轨道选择

太阳表面辐射通量中90%以上是可见光与红外线，太阳辐射强度在大气层外地球轨道处约为1 367 W/m2。空间太阳能不受地磁场及大气层性质的影响，其照射时间长、利用效率高、能量总量大，是未来可持续发展的重要能源之一。

目前，SPS最佳工作轨道主要有地球同步轨道和月球轨道，其具体情况如下:

(1)地球同步轨道:3.6×104km的地球同步轨道相对地面静止且距地较近，便于SPS的控制和电能的实时传输，且位于该轨道的SPS全年有99%的时间都能接收到太阳光的照射;

(2)月球轨道:距地球约38.4×104km，该轨道受地球阴影的影响比同步轨道小许多，可有效的延长发电时间，且该轨道较大，可建立多个SPS以满足地球日益增长的能量需求。

2.3 发展现状

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，利用空间太阳能发电已越来越受世界各国的关注，为了加快实现空间发电的构想，美、日、欧等先后进行了SPS的可行性论证工作。

美国自20世纪70年代起开始进行SPS系统及其关键技术研究，先后提出“1979 SPS基准系统”方案和“集成对称聚光系统”方案，如图2所示。开展了SPS系统探索性研究，提出了美国SPS系统未来20年的发展技术路线，并计划在2030年实现1GW商业系统的运行。

图2 集成对称聚光系统Fig.2 Integrated symmetric condenser system

日本基础能源极端贫乏，特别重视开发空间太阳能发电系统。自20世纪80年代起开始进行SPS概念和关键技术研究，以现实性和应用性为指导原则，2003年提出了“促进空间太阳能利用”计划，并制定了SPS发展路线图，计划2030年前后实现商业化运行，其典型结构为SPS系统模型和分布式绳系系统模型。图3所示为日本SPS 2003系统模型，该方案将太阳电池、微波换转装置和发射天线进行了一体化集成设计，大大简化了结构设计和空间装配难度。

图3 SPS2003系统模型Fig.3 SPS2003 system model

1998年欧洲开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了太阳帆塔的概念，如图4所示。该方案采用可展开的轻型太阳帆结构，可大大降低系统总重量、减小系统的装配难度。每一块太阳帆电池阵为一单元模块，待发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过推力系统转移至地球同步轨道。

图4 太阳帆塔Fig.4 Solar sail tower

图5 我国SPS发展“路线图”Fig.5 Development roadmap of space SPS in China

目前，国内SPS的研究还处于起步阶段，主要活动和工作鲜见报道。2010年8月举行的SPS发展技术全国研讨会结合国际发展现状和我国空间技术的长足进步及国家发展战略需要首次提出了我国SPS发展“路线图”，如图5所示。该路线图指出到2050年我国将研制出首个商业化SPS系统，实现空间电力产业商业化［4-8］。

3 我国SPS发展设想

当前，我国能源日趋短缺的现状与经济迅速发展的矛盾非常突出，从世界范围内能源开发利用的研究现状看，发展SPS，优化能源结构将是解决我国能源需求切实可行的途径。

目前，我国已具有成功发射卫星和空间飞船的技术基础，未来10年左右将要建设的空间站会给我国SPS的发展带来很大的机遇;新一代运载火箭和未来可能发展的重型运载将大幅提升我国进入空间的能力，也为建站提供了技术条件;随着空间技术和空间工业基础的不断发展，将为我国进一步开发利用空间资源开辟新的领域。

依据我国SPS发展“四步走”路线图及2026～2040年我国将进行地球同步轨道10 MW SPS系统方案在轨验证技术研究的计划，考虑未来技术的进步，本文采用目前先进的轻型薄膜聚光设计概念提出了一种新型SPS构型。

3.1 组成及功能

图6为“10 MW SPS”示意图，其特点是:

(1)聚光薄膜反射镜采用模块化的聚光单元模块拼接成形，易于空间组装和规模扩大;

(2)薄膜聚光系统持续指向太阳，对太阳能进行连续收集，经反光次镜反射至模块化集成的光伏单元阵。光伏单元阵、微波转换装置和发射天线集成为夹层结构，大大简化了结构设计和空间装配的难度;

图6 10 MW SPS示意图Fig.6 Schematic diagram of 10 MW space SPS

(3)有折叠展开功能的聚光薄膜系统面密度低、结构收缩比大，易于发射、组装，可降低发射成本。

该系统包括聚光薄膜反射镜、反光次镜、对日跟踪指向机构、薄膜折展机构、支撑结构、光伏单元阵等，太阳光经聚光薄膜反射镜汇聚和反光次镜反射到光伏单元阵进行光电转换，并由卫星平台上的无线能量传输装置向地面发送能量，聚光系统各部分功能如下:

(1)薄膜折展机构:发射过程中，薄膜反射镜收拢，待到达预定轨道位置，展开成预期状态;

(2)聚光薄膜反射镜:薄膜采用聚酰亚胺，反射镜展开后，借助辅助系统将薄膜展成预期面形;

(3)对日跟踪指向机构:调整对日指向，保证太阳能薄膜聚光系统与太阳光成最佳入射角度;

(4)支撑结构:构成太阳能电站聚光系统主体;

(5)光伏单元阵:实现太阳能转换为电能。

该方案包括大型聚光薄膜反射镜技术的拼接成形、空间对日跟踪系统的研制、聚光系统光电转换设备的研制、远距离高密度的能量发送和接收及空间热控等多项关键技术，目前，本项目获得了有关部门的支持，并已相继开展了相关的探索性研究工作。

3.2 光路设计

图7 太阳能电站薄膜聚束系统光路图Fig.7 Light path diagram of condensing film reflector system SPS

空间太阳光可近似看作是准平行光，设计时选用离轴抛物面作为聚光薄膜反射镜，为了有效缩小系统中反光次镜口径，降低加工和装调的难度，将反光次镜置于系统焦平面附近，具体设计结果如图7所示。10 MW SPS聚光薄膜反射镜口径为200 m，焦距为250 m，系统焦斑直径为40 m。

聚光薄膜反射镜由模块化子孔径拼接而成，即φ 200 m口径薄膜反射镜的抛物面由同等大小的平面或曲面拼接成形，拼接后的曲面满足太阳能电站聚光面形指标，具体拼接方案如图8所示。

图8 抛物面拼接示意图Fig.8 Schematic diagram of parabolic splicing

为了进一步验证面形拼接方案的可行性，对φ 200 m聚光薄膜反射镜拼接后的面形的聚光性能进行了分析，分析结果如图9所示。

图9 抛物面拼接聚光光斑特性Fig.9 Condenser spot characteristics of parabolic splicing

从图9的分析可以看出，用若干口径相同的平面或抛物面拼接而成的聚光薄膜反射镜的聚焦光斑半径均小于20 m，可满足聚光要求，且利用二次曲面进行子孔径拼接的聚光效果略好，综合考虑研制周期及难易程度，拟选平面实现面形拼接。

3.3 聚光薄膜反射镜

SPS薄膜聚光系统薄膜反射镜有效口径为φ 200 m，以现有技术难以实现整体成形，当前国际上大口径反射镜多采用面形拼接的成形方式，这种方法不仅便于系统的装配和规模扩大化，而且相对整体成形的方法而言更易于实现。项目组借鉴国外成功经验，拟采用模块化子孔径拼接的成形方案，具体拼接方案如图10和图11所示。

图10 聚光薄膜反射镜单元模块Fig.10 Unit module of condensing film reflector

图10和图11分别为聚光薄膜反射镜单元模块及其拼接成的大型聚光薄膜反射镜，各单元模块间通过外杆连接。为确保各单元模块拼接后的整体面形精度，在模块与模块连接的外杆上通过特定的凹凸插槽导向结构及销钉定位，可有效保证各连接模块位置唯一，模块与模块之间通过定角度固定片固连，具体结构如图12所示。

图12 模块间连接接口Fig.12 Connections of the module interface

通过这种模块化的方法可有效地扩大聚光薄膜反射镜的口径而不会使系统拓扑结构发生变化，这将为未来更大发电功率和更大口径聚光薄膜SPS的研究和发展打下坚实基础。通过模块化设计和标准化接口等方式拼接应用于未来SPS薄膜聚光系统中大型薄膜反射镜的研制，这是未来大型SPS薄膜聚光系统发展的技术方向。

4 结束语

目前能源危机严重制约了世界经济的发展，并加剧了各国对能源的争夺，同时也促使人们积极寻找新的替代能源。风能、水能、核能、太阳能等均是人类探索的前沿，而太阳能作为一种取之不尽、完全清洁无污染的新型能源更是受人瞩目。

迄今为止美、日、欧等国相继进行了SPS可行性论证，并对其中的关键技术作了大量探索性的工作。研究认为:SPS在技术、经济、社会等方面是可行的，虽然目前国际上还没有成熟的系统上天，但上述各国研究的深度和广度已远远走在我国的前面。本文结合当前国际SPS研究现状和我国国情，在对SPS技术现状分析总结的基础上，结合我国当前的技术水平和未来科技发展的进步，初步提出了一种新型SPS构型。该结构大大减小了系统质量，降低了运载的发射成本和发射难度，可为未来我国SPS的发展提供有益的补充和借鉴。

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