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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

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;

图错误!未定义书签。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、空间太阳能电站的必威体育精装版进展

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;2007

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;2009年,美国PG＆

E公司宣布与Solaren公司签署了正式购买200MWSPS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;

图错误!未定义书签。日本空间太阳能电站发展路线图2011年

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;2009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2011年日本公布的必威体育精装版发展路线图,日本SPS发展将分为3

个阶段;

第一阶段:研究阶段,2020年前

2012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;2015年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1