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摘要：太空太阳能发电系统（SSPS：Space Solar Power Systems）被誉为利用太空技术的终极方法，是“太空发电站”和“太空输电线路”相结合的新型能源系统，在2021年10月日本政府内阁会议审议通过的《第六次能源基本计划》中，明确将SSPS定位为能源供应源，将切实推进研发、降低成本，并开展实证实验等。

关键字：新型零碳能源技术、太空太阳能发电、新型能源系统、未来能源、太阳能发电、元器件

要点

已经开始尝试利用太空技术解决能源和环境问题，例如提供气象信息，灾害和气候变化监测等。其中，令人期待的是太空太阳能发电。
太空太阳能发电十分清洁，不存在能源枯竭问题，与地面太阳能不同，稼动率可趋近100%。
已经阐明必要的技术和原理，今后的研发重点是降低成本，同时开展实证实验。

太空技术对能源和环境问题的贡献

太空技术已在各个方面为能源和环境问题做出了巨大贡献。日常天气预报中不可缺少的气象信息利用静止气象卫星“向日葵”发送的信息。利用地球观测卫星得到的观测信息有助于了解超强台风或超级飓风带来的灾害以及地震造成的破坏。利用微波的气象观测不易受到云层等的影响，可提供光学传感器在夜间或恶劣天气时难以获得的气象信息。

在气候变化对策方面，温室气体观测技术卫星“伊吹”对无法通过地面观测获得的全球温室气体（例如甲烷和二氧化碳等）的浓度进行测量，并提供推进对策所需的信息。

静止气象卫星“向日葵”

（来源：日本气象厅）

温室气体观测技术卫星“伊吹”示意图

（来源：日本宇宙航空研究开发机构（JAXA））

太空太阳能发电系统（SSPS：Space Solar Power Systems）被誉为利用太空技术的终极方法。将在宇宙空间内利用太阳能发电产生的电能以微波形式传输到地球上，然后在地球上转换成电能。SSPS是“太空发电站”和“太空输电线路”相结合的新型能源系统。

在2021年10月日本政府内阁会议审议通过的《第六次能源基本计划》中，明确将SSPS定位为能源供应源，并提出“将在全面、连续评估经济合理性及其对其他产业的连锁反应的同时，切实推进研发和实证实验，包括探讨从地球实证实验阶段过渡到太空实证实验阶段等”。在2018年7月日本政府内阁会议审议通过的《第五次基本能源计划》中也提到了在地球上进行SSPS实证实验的重要性，但在《第六次能源基本计划》中明确表示将升级到在宇宙空间轨道中的实证实验。SSPS正朝着实用化稳步前进。

太空太阳能发电的特点和海外动向

太空太阳能发电卫星（SPS:Solar Power Satellite）作为SSPS的核心，于1968年在美国首次发布（注1）。如图1所示，已获得美国专利的SPS的机制如下：利用太阳能电池将太阳能转换成直流电，再将其转换为高频微波，通过抛物面天线发送到地球接收站。太阳能电池和电波转换器通过超导电缆直接连接，然而发布的专利中并未提及如何对这两个设备进行姿态控制。

发布这一专利后，美国能源部（DOE）和美国国家航空航天局（NASA）开始展开合作进行系统性研究。在最初的DOE/NASA标准模型中，将太阳能电池指向太阳光方向，并调整天线方向以将无线电波发送到地球上（注2）。

DOE/NASA标准模型的插图。包括一个5km×10km的太阳能光伏板和一个直径为1km的天线。

日本也已开始进行相关研究。1990年在美国休斯顿召开的七国集团峰会上，日本将SSPS定位为与核聚变并列的未来能源，并提出了SPS2000模型（注3）。

但是，有观点认为，太阳能电池和天线一直在旋转，因此标准模型的安全性低。为此，相继提出了至少9种模型，例如将太阳能电池和天线固定在一起的模型（注4）、将太阳能电池和天线作为独立的飞翔体来控制轨道以整体运行的模型等（注5）。这些模型可以将太阳能电池和天线组以背对背的形式模块化（注6），但存在当太阳光从侧面或背面照射时无法发电的缺点。

虽然SPS研究的历史悠久，但很难找到一种突破性的模型来克服DOE/NASA标准模型的缺点。然而，最近中国提出了一种配备多个太阳能电池并能控制其方向的模型（注7）。该模型单独使用多个旋转接头，能够弥补标准模型缺点，具备发展前景。

中国提出的使用多个太阳能面板和旋转接头的模型。

与电波（电能）发生源相关的技术也取得了重大进展。传统的SPS发电源采用可以产生大量的电能，即使在充斥宇宙射线的宇宙空间中也能持续较长时间的真空管，但最近，半导体晶体管也能够产生大量电能。由于晶体管也被用于电动汽车（EV），因此技术开发进展迅速，以提升性能以及降低成本。

在美国，军方和大学正在推进开发元器件和实证用卫星。日本即将开始对之前提出的模型进行比较研究，并重新审视必要的技术。中国正在重庆和西安建设大型地面实验设施。欧洲一直致力于风力发电和地面太阳能发电，某些国家还致力于核能发电，在此之前并没有明显的动静，但最近英国政府在COP26（《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方大会）上讨论了SSPS的将来性，评价其“可行且有发展前景”。欧洲的天线研究人员也开始在学术层面进行活动（注8）。

提高效率所需的元器件

SSPS相关研发的主要目标是提高处理电波的元器件（最小单元的部件）能力，并结合各元器件实现高效传送电系统。关于天线元器件，随着半导体晶体管技术的进步，能够获得一定水平的电波输出。SSPS的输电阵列天线（注9）中使用了非常多的元器件（辐射元器件），如果在每个辐射元器件上安装放大器，就能够在宇宙空间合成电波，从而可以获得大量电能。

如何构建一个巨大的阵列天线可能是最应该着手研究的课题之一。一般来说，机器的精度会随着阵列天线尺寸的增加而降低。阵列天线的尺寸由系统需求决定，精度则是由所使用的电波的波长决定，因此，仅凭小型天线的性能很难对大型天线的性能进行预测。

为了在宇宙中使用天线，需要用火箭发射并携带到宇宙中，如图3所示，将天线（的一部分）折叠起来发射，到达投入轨道后再展开（注10）。另外，需要在宇宙中将多根天线组合成一个巨大的天线，目前还没有实现的例子。

在元器件级的研发中，电波的整流元器件和电路也很重要。电波一直用于通信等，但检波和整流功率最大仅为1瓦。为了使整流功率提高到1千瓦左右，需要将半导体材料从当前的硅转换为氮化镓（GaN）。

需要细致的实证实验

系统的开发建立在元器件水平的基础上，在性能和成本之间达成平衡，找到最佳解决方案。SSPS规模巨大，供电量也远超以往。比起天马行空的新颖系统，可预测的保守系统更容易被接受。因此应该基于以往提出的模型进行研究。相比于传统的通过卫星通信的“发射和接收”，SSPS的“电能输送和接收”这一无线电波的使用方法对于人类来说是未知的技术，因此在实用化之前需要细致反复地进行实证实验，以验证系统的有效性。

实际上，将卫星发射到宇宙中后，在轨道上进行的实证实验将分阶段进行：第1阶段，在宇宙中展开天线，发射对地面没有影响的微弱电波，并确认该电波是否按设计一样到达；第2阶段，证实从宇宙中发射的近90%的无线电波到达接收天线，并且电能可以实际使用。

如图4所示，由于在卫星通信中发射的电波会扩散，因此只能接收到发射的无线电波的百万分之一或更少（注11）。为了使SSPS不会对电能接收站周围产生不利影响，需要抑制电波的扩散（注12）。

建设和运营成本是关键

SSPS是由重达2万吨、全长数公里的巨大卫星不间断地输送数百万千瓦电能的系统，建设成本高昂。将宇宙中产生的电能输送到地球的构想本身就是一项商业项目，能否实现的关键取决于建设和运营成本。

美国太空探索技术公司（SpaceX）为了重复利用火箭而进行的着陆实验

希望有能力提供巨额资金的基金和电力公司参与这一实证实验，为了降低综合成本，需要降低SSPS的发射成本。如果能正式开发可重复利用的火箭，并降低在轨巨型结构的建造成本，预计未来总体成本将大幅降低。

注释：

（注1）P.E.Glaser,“Power from the Sun:Its Future”,Science,vol.162,pp.857-866,1968

（注２）DOE and NASA report;“Satellite Power System;Concept Development and Evaluation Program”,Reference System Report, Oct. 1978

（注３）宇宙科学研究所报告特集第43号太阳能发电卫星《SPS2000研究成果报告》、ISSN 0285-9920宇宙科学研究所、2001年3月

SPS2000课题组;“SPS2000概念计划书”、宇宙科学研究所、1993

（注４）S.Sasaki,K.Tanaka,K.Higuchi,N.Okuizumi,S.Kawasaki,N.Shinohara,K.Senda,and K.Ishimura,“A new concept of solar power satellite:Tethered-SPS.

（注５）高野忠、《从卫星角度观察SPS发电系统的构成—太空天线相关—》、太阳能（日本太阳能学会）、vol.42,no.1,pp.35－40,2015

（注６）Executive Summary:Satellite Power Systems (SPS) Concept Definition Study (Exhibit C),Volume 1,Executive Summary.Rockwell International,March 1979

（注７）Hou Xinbin,Li Meng,Niu Lili,Zhou Lu,Chen Ying,Cheng Zhengai,Jia Haipeng,“Study on Multi-Rotary Joints Space Power Satellite Concept”,AEROSPACE CHINA,Vol.19,Issue (1):19-26,2018.doi:10.3969/j.issn.1671-0940.2018.01.003

（注８）EuCAP2022:https://www.eucap.org/authors-1/call-for-papers

（注９）一种规则地排列多个元器件，并可以通过控制元器件的幅度和相位来改变方向等的天线。

（注10）T.Takano,H.Hosono,K.Saegusa,Y.Miyazaki,K.Uchiyama,and Y.Araki,Proposal of a Multiple Folding Phased Array Antenna and Phase Compensation for Panel Steps,IEEE AP-S & URSI 2011,Spokane, Washington,USA,July 2011,pp.1557-1559

（注１１）T.Takano,A.Sugawara and S.Sasaki,“System Considerations of Onboard Antennas for SSPS”,The Radio Science Bulletin,No.311,pp.16-20,December,2004

（注12）高野忠、《太空太阳能发电系统的研究现状和推进方法建议》、太空太阳能发电（原创论文）、Vol.2,pp.46-51,2017.

新型零碳能源技术——太空太阳能发电