发达国家空间太阳能电站研究进展
传统意义上空间太阳能电站的构想,是由美国科学家彼得˙格拉赛于1968年首次提出,国际上对此研究已超过40年,其间由于关键技术难以突破、需要投入巨额资金等问题,研发工作曾一度停滞。近年,由于地球化石能源危机凸显,以美、日和欧洲为主的发达国家又重新投入资金和人力,开展空间太阳能电站关键技术研究。
2007年4月,美国国家安全空间办公室成立了空间太阳能发电站研究组。2012年,在美国国家航空航天局创新型先进概念的支持下,研究人员提出了“任意大型相控阵空间太阳能电站”项目,这是目前最新的建设方案。
根据规划,美国空间太阳能电站的重点研究方向,包括整体构型、聚光镜、空间发电技术、无线能量传输技术、电力传输与管理技术、热管理与热材料技术、先进运输技术等,未来将通过分阶段开展不同功率级别的系统验证,最终实现功率吉瓦(GW)级以上的商业化运行系统。
日本作为积极开展空间太阳能电站研究的主要国家之一,在无线能量传输技术的研究和试验方面处于国际先进水平。2004年,日本正式将发展空间太阳能电站列入国家航天中长期规划,形成了“官产学”联合的研究模式。
根据2013年日本最新公布的航天基本计划,空间太阳能电站研究开发项目已被列入国家七大重点发展领域,并作为三个国家长期支持的重点研究领域之一。
当前亟待解决的五个关键技术
相当于超大型地球同步轨道卫星天线的空间太阳能电站,主要由三部分组成,即太阳光聚光装置、能量转换和发射装置,以及地面接收和转换装置。其中,太阳聚光镜与光伏电池阵装置将太阳能转化成为电能,能量转换装置将电能转换成微波等形式,并利用天线向地面发送能束,地面接收系统利用地面天线接收空间发射来的能束,通过整流装置将其转换成电能以供使用。
作为大型工程,空间太阳能电站的发展必须尽早确定发展规划与研究计划,开展长期、持续的基础性和前瞻性研究,解决其中共性与关键技术难题。目前,空间太阳能电站的关键技术难题主要有五个方面:即超大型空间天线系统轻量化设计、天线波束指向与控制、空间机器人组装、机电耦合设计和低成本空间运输。