技经观察丨推动天基太阳能电站建设，创造能源发展新生态

能源是人类社会赖以生存和发展的基础，能源短缺以及传统化石能源带来的全球性气候与环境问题成为制约世界社会与经济可持续发展的重要因素。为解决能源发展问题，近年来各国政府重视推动太阳能光伏等产业发展，希望利用太阳能这一可再生的清洁能源，助力全球能源转型发展。而将地面光伏系统搬上天，建造天基太阳能电站，将极大提升能源收集和利用效率，并将打破地面限制，实现全球范围内随时随地和按需分配的新型能源供给方式，创造绿色清洁的能源发展新生态。

二、主要国家和组织积极推进天基太阳能技术研发与测试

目前，国际上天基太阳能电站尚处于研发阶段，由于其工程规模及技术难度巨大，美国有智库称之为航天领域的“曼哈顿工程”。近年来，太阳电池效率、微波转化效率以及相关的空间技术取得了很大进步，为天基太阳能电站的研发奠定了良好的基础。

美国侧重推进天基太阳能电站技术研发与测试。2020年5月，美海军研究实验室将“光伏射频天线模块”搭载在X-37B飞行器上，在轨验证天基太阳能发电系统电力电磁波传输的可行性。2021年1月，X-37B初步验证数据显示在轨测试结果优于地面测试效果。

X-37B飞行器

2021年9月，美空军研究实验室开展“天基太阳能增量示范和研究”（SSPIDR）计划。该计划旨在使安装在卫星上的太阳能电池阵列在轨收集太阳能，并将其转换为射频，然后发射至地球。地面服务人员将能够使用移动设备在全球各地接收能量，使其为整个前沿作战基地供电力能源。诺格公司作为SSPIDR主承包商获得1亿美元资金，用于开展太空能到射频的能量转换研究。2022年1月，美空军研究实验室和诺格公司在实验室中成功将太阳能转换为射频。在实验中，诺格公司利用一台太阳模拟器照射“夹层瓦”太阳能电池板，成功将太阳能转换为射频能。此次实验成功将为美空军于2025年在轨开展太阳能射频转换试验奠定基础。

2023年8月，美国加州理工学院的天基太阳能演示器原型机完成首次太空无线能量传输。该原型机利用轻型微波发射器MAPLE，验证了天基太阳能发电的可行性。在实验中，MAPLE在轨成功完成对太阳能量的收集和传输，在太空中点亮一对led灯，并将收集到的能量发射回地面，被加州理工学院戈登和贝蒂摩尔工程实验室放置在屋顶的接收器检测到。此次测试是全球首次在轨开展的无线能量传输和对地回传技术验证测试，标志着天基太阳能发电技术的重大飞跃，将为未来天基太阳能电站建设奠定重要基础。

MAPLE内部照片

2024年10月，美国Aetherflux公司计划在近地轨道上开发并部署卫星星座，用于收集太阳能。与设想部署在地球静止轨道上的天基太阳能发电站概念不同，该星座部署在低轨，并将采用基于红外激光将电力传输回地球。据悉，该公司计划在2026年初发射一颗小型卫星来展示这项技术。

此外，在技术发展规划方面，美国超越地球研究所曾于2021年8月向美国国家太空委员会提交《国家天基太阳能战略》总统政策令草案，建议开展天基太阳能系统建设。该草案的目标是开发天基太阳能电站，为地球提供净零碳商用电力。草案建议：一是遵循安全、安保和可持续性原则，发展民用和商业天基太阳能电站。二是白宫应指定NASA领导国务院、能源部、国防部等机构以及私营部门，并通过国际合作发展天基太阳能电站。三是制定21世纪20年代天基太阳能电站发展路线图。

欧洲重视天基太阳能技术布局，为碳中和及能源转型提供支持。欧空局方面，欧空局在2021年3月发布《欧空局议程2025》中指出，空间技术要为欧洲碳中和与能源转型提供支持，建议对天基太阳能发电开展新一轮研究。2023年1月，欧空局正式启动SOLARIS天基太阳能电站预先研发计划，计划在3年内将投资6000万欧元，对太阳能电池、直流至射频转换器、装配机器人、波束控制天线等关键技术开展研究，为2025年后开展在轨验证和全系统验证奠定技术基础。

SOLARI概念图

英国方面，2021年9月，英国航天局在《国家太空战略》中提出要发展天基太阳能电站，提供潜在的零碳能源。2022年4月，英国政府计划投资160亿英镑在太空建造太阳能发电站，将从小型试验开始，到2040年建成一个可运行的太阳能发电站。该天基太阳能发电站直径为1.7千米，重约2000吨，将为英国提供2吉瓦的电力。英国预计到2050年全球能源需求将增长近50%，利用太空太阳能发电可能是应对不断增长的能源需求和全球气温上升的关键方案。2023年6月，英国能源安全部提供430万英镑政府资金，用于驱动天基太阳能产业的发展。英国航天局认为，天基太阳能技术仍处于发展早期阶段，但是在提升英国能源安全方面具有巨大的潜能，可以减少化石燃料的使用，降低家庭能源开支。2024年4月，英国能源安全和净零排放部宣布投入300万英镑，支持9个“天基太阳能创新竞赛”项目，旨在开发将太空中的太阳能转化为电能并传输回地球的技术，资助主题包括：无线电力传输；高聚光太阳能光伏发电；天基太阳能能源系统工程；天基太阳能太空任务架构可行性研究。

天基太阳能传输

日本将天基太阳能技术列为发展重点，积极开展关键技术验证。在政策规划方面，2021年7月，日本内阁府太空开发战略本部将推进天基太阳能项目发展列为太空基本计划工程表的重点事项，拟于2050年前建设商业天基太阳能电站。在技术测试方面，2015年，日本宇宙航空研究开发机构成功将1.8千瓦的电力传输到55米处的无线接收器上。2024年4月，日本航天公司公布了微型天基太阳能技术验证卫星信息。该卫星重约180千克，部署在400千米轨道高度，利用2平米光伏板收集太阳能，尝试利用微波对地传输约1千瓦的电力。

天基太阳能电站概念图

2024年12月，日本宇宙航空研究开发机构和日本航天系统公司开展空地长距离微波输电测试。在测试中，研究人员将功率发射器安装在飞机上，从7000米高空向地面指定位置发射微波，部署在地面的13个监控设备准确接收到微波能量。根据计划，日本将于2025年4月利用在轨小卫星开展太空到地面的电力传输测试。

韩国将天基太阳能电站纳入国家科技项目，推进重点技术研发。2018年，韩国宇航研究院启动天基太阳能电站领域的研究项目，提出韩国发展电站计划及K-SSPS概念，重点研发卷绕式电池阵和展开天线技术、高压高功率电力管理系统和无线能量传输系统。2019年，韩国电工研究院（KERI）得到国家科技重大项目支持，获得总计1100万美元资金支持。2022年，韩国提出计划于2027-2029年发射双星进行空间无线能量传输技术验证，包括能量传输卫星和能量接收卫星，运行轨道为太阳同步晨昏轨道。

K-SSPS卫星概念图

2024年5月，韩国宇宙航空研究院和韩国电工研究院的研究人员在《天基太阳能和无线传输》中描述了韩国K-SSPS天基太阳能卫星概念。K-SSPS将由可重复使用的火箭发射，在低轨道进行机器人组装和测试，然后使用太阳能电池阵列供电的太阳能电动推进器推进到地球静止轨道。根据设计，K-SSPS将通过直径4千米的整流天线向地面输送2GW的电力。在轨部署60个K-SSPS后，总收集功率将达120GW，每年将提供1TW的电力，超过韩国2021年的用电量。

中国稳步推进天基太阳能电站技术试验系统建设。在国家有关部门支持下，我国从“十一五”正式开始天基太阳能电站研究，虽然投入资金有限，但经过十几年的自主创新研究，在系统设计和关键技术方面取得了部分重要成果，得到了国际上的广泛认可，成为推动国际天基太阳能电站发展的核心力量之一。

2014年，国家层面组织专家开展了“太空发电站发展规划及关键技术体系”论证工作，并提出我国天基太阳能电站发展规划建议：中期目标是在2030年左右建设兆瓦级天基太阳能试验电站，实现应急供电并开展科学研究；远期目标是在2050年前具备建设百万千瓦级商业化天基太阳能电站的能力，满足国家可持续发展对能源安全的战略需求。

目前，我国正在建设两个实验基地，一个重庆建立的“天基太阳能电站实验基地”，该基地于2018年12月启动，将建成面向微波无线能量传输、激光无线能量传输、复杂环境高压电力系统、高功率无线能量传输的环境效应等的综合实验基地和国际合作基地。另一个是在西安建立的“天基太阳能电站全链路地面演示验证系统”。该系统于2022年6月开展了天基太阳能电站全链路能量转换和传输试验，垂直方向微波能量传输距离55米，发射微波功率超过2kW。

“天基太阳能电站全链路地面演示验证系统”

作者简介

张嘉毅 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究六室

研究方向：航空航天领域形势跟踪及关键核心技术、前沿技术研究