圖解空間太陽能電站（簡體書）

空間太陽能電站作為服務於能源領域的航天重大裝備系統，有望成為利用空間能源為人類提供規模巨大、持續、穩定的清潔綠色電力的重要基礎設施。本書以圖文結合的方式，從全球氣候變化與碳中和目標背景入手，介紹了空間太陽能電站的發展背景、國際發展現狀、典型空間太陽能電站概念，並針對重要的空間大功率太陽能發電、無線能量傳輸系統以及空間太陽能電站的運輸及在軌構建模式進行了闡述，後以我國提出的、在國際上具有重要影響的多旋轉關節空間太陽能電站為例進行了系統方案介紹。本書內容全面、圖文並茂，便於讀者快速全面地了解空間太陽能電站的發展背景和現狀，理解空間太陽能電站的技術特點、系統組成及涉及的相關技術，適合於從事航天、能源、電氣、機械、電子等專業方向的高等院校學生閱讀，也可供從事空間太陽能電站研究的科研人員參考使用。

1.本書作者從事空間太陽能電站技術領域研究工作16年，專家講科普，內容專業、權威；2.專業知識化繁為簡，搭配大量配圖，通識明了；3.一本能快速、容易地了解和學習空間太陽能電站基本原理、主要技術和應用的知識讀物；4.圖書內容上兼顧基礎性、科普性和科研性。主要圍繞空間太陽能電站的基本知識、發展現狀和各種方案進行介紹，對於空間太陽能電站的關鍵技術，如空間發電系統、無線能量傳輸系統、空間超大型結構、熱控、空間太陽能電站的運輸及在軌構建等，採用圖解的形式，進行直觀的介紹。

能源是人類社會賴以生存和發展的主要物質基礎，全球能源消耗量日益增加，傳統化石能源消耗所帶來的全球性氣候變暖趨勢明顯、天氣頻發，極大地影響了人類的生存，能源成為制約世界社會與經濟可持續發展的核心問題之一，發展清潔能源逐漸替代傳統化石能源、早日實現凈零排放成為全球的共識。2020年9月，中國提出力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。由於可再生能源技術的極度不穩定，基於現有的清潔能源體系滿足人類對於可靠能源的需求、實現全球“碳中和”目標面臨著巨大的挑戰，亟須發展新型的可作為基礎負載電源的大規模清潔能源技術。
空間太陽能電站是一項在空間進行大規模太陽能收集、轉化並通過無線方式將電能傳輸到地面電網的航天工程，其獨特的優勢是能夠不受晝夜與天氣變化的影響，為人類提供可持續的清潔能源，是人類利用空間資源解決未來能源危機和環境問題的宏偉計劃。近年來，航天技術快速發展，特別是可重復使用運載技術大幅降低了空間運輸成本，規模化的航天器研制模式極大地降低了航天器的製造成本，發展空間太陽能電站從技術和經濟上正在逐漸變得具有重大的現實意義。空間太陽能電站正在重新得到美國、日本、ESA（歐洲航天局）、韓國、英國、澳大利亞等國家及有關國際組織和私營公司的高度重視，中國也開展了長期的研究，已成為推動國際空間太陽能電站發展的核心力量。空間太陽能電站有望成為未來應對全球氣候變化“碳中和”清潔能源體系中的重要組成。
本書基於作者在空間太陽能電站領域的研究經歷，參考了相關的國內外資料，以圖文結合的方式，從全球氣候變化與碳中和目標背景入手，全面介紹了國際空間太陽能電站的發展現狀，對國際上提出的多種概念和方案進行了分析和比較，針對空間大功率太陽能發電、無線能量傳輸系統以及空間太陽能電站的運輸及在軌構建模式進行了闡述，並系統介紹了我國提出的多旋轉關節空間太陽能電站方案。全書共7章，第1章主要介紹空間太陽能電站的發展背景以及國際發展現狀；第2章介紹了空間太陽能電站的運行軌道、空間環境特性、系統組成等；第3章對國際上提出的典型空間太陽能電站概念進行了描述和分類比較；第4章對空間大功率太陽能發電系統涉及的主要技術進行了介紹；第5章對空間太陽能電站獨特的無線能量傳輸系統進行了介紹；第6章重點分析了空間太陽能電站可能的運輸模式和在軌組裝需求；第7章以多旋轉關節空間太陽能電站為代表介紹了典型空間太陽能電站的系統組成和方案。
本書編寫過程中參考了國內外該領域相關專家的研究成果，在此對各位專家表示衷心感謝，同時也向各級領導和專家對該領域的長期支持和幫助表示特別感謝！
由於編著者的學識和專業面有限，書中難免存在不足，懇請廣大讀者批評指正。

編著者

第1章 空間太陽能電站發展背景與現狀 1
1.1　概述 1
1.2　全球氣候變化與碳中和目標 3
1.2.1　溫室效應及其影響 3
1.2.2　聯合國氣候變化框架公約及全球碳中和目標 6
1.2.3　新能源發展現狀 8
1.3　利用空間技術解決全球變暖問題 11
1.3.1　全球變暖可能的航天解決方式 11
1.3.2　空間太陽能電站的概念 15
1.3.3　空間太陽能電站的特點 17
1.4　國際空間太陽能電站發展概況 20
1.4.1　美國 20
1.4.2　中國 22
1.4.3　日本 23
1.4.4　歐洲航天局 25
1.4.5　其他國家 26

第2章 空間太陽能電站設計基礎 29
2.1　運行軌道特性 29
2.2　空間環境特性 33
2.2.1　空間環境 33
2.2.2　空間環境對空間太陽能電站的影響 37
2.3　空間太陽能電站組成 39
2.3.1　空間太陽能電站工程組成 39
2.3.2　空間太陽能電站系統組成 40
2.3.3　空間太陽能電站能量傳輸鏈路 42
2.4　無線能量傳輸方式比較 44

第3章 典型空間太陽能電站方案 47
3.1　空間太陽能電站分類 47
3.2　非聚光連續傳輸型空間太陽能電站 48
3.2.1　1979 SPS參考系統 48
3.2.2　多旋轉關節空間太陽能電站 50
3.2.3　K-SSPS 51
3.2.4　模塊化多旋轉關節空間太陽能電站 52
3.3　非連續傳輸型空間太陽能電站 54
3.3.1　太陽塔 54
3.3.2　SPS 2000 55
3.3.3　太陽帆塔 57
3.3.4　繩系空間太陽能電站 58
3.3.5　微波蠕蟲 61
3.4　聚光連續傳輸型空間太陽能電站 63
3.4.1　集成對稱聚光系統 63
3.4.2　二次反射集成對稱聚光系統 64
3.4.3　任意相控陣空間太陽能電站 65
3.4.4　SSPS-OMEGA空間太陽能電站 68
3.4.5　CASSIOPeiA空間太陽能電站 69
3.5　激光傳輸空間太陽能電站 71
3.5.1　激光傳輸空間太陽能電站 71
3.5.2　太陽光直接泵浦激光空間太陽能電站 73
3.6　月球太陽能電站 75

第4章 空間大功率太陽能發電系統 77
4.1　空間太陽能發電方式 77
4.2　空間用太陽電池 79
4.3　空間太陽電池陣 84
4.3.1　典型空間太陽電池陣 84
4.3.2　空間聚光太陽電池陣 85
4.3.3　柔性太陽電池陣的折疊展開形式 91
4.4　空間電力傳輸與管理方式 98

第5章 無線能量傳輸系統 101
5.1　微波無線能量傳輸 101
5.1.1　微波無線能量傳輸系統組成及特點 101
5.1.2　微波無線能量傳輸系統效率鏈 102
5.1.3　微波頻率選擇 103
5.1.4　天線尺寸選擇 104
5.1.5　微波功率源選擇 106
5.1.6　微波能量接收轉化 107
5.1.7　微波發射天線 108
5.1.8　微波波束方向控制 110
5.2　激光無線能量傳輸 114
5.2.1　激光無線能量傳輸系統組成 114
5.2.2　激光無線能量傳輸系統效率鏈 115
5.2.3　大功率激光器 116
5.2.4　激光發射系統 121
5.2.5　高效激光接收轉化 124
5.2.6　激光無線能量傳輸的可能應用場景 128
5.2.7　月球激光無線能量傳輸 130

第6章 空間太陽能電站運輸、在軌構建及末期處理 133
6.1　空間太陽能電站組裝運輸模式分析 133
6.1.1　近地軌道組裝運輸模式 134
6.1.2　地球靜止軌道組裝運輸模式 135
6.1.3　近地軌道與地球靜止軌道組裝相結合運輸模式 136
6.2　空間太陽能電站的運輸 136
6.2.1　地面-LEO運輸 137
6.2.2　LEO-GEO軌道間運輸 146
6.3　空間太陽能電站的組裝 153
6.3.1　空間太陽能電站組裝設施需求 153
6.3.2　空間組裝服務平臺 154
6.3.3　空間組裝機器人 156
6.4　空間太陽能電站末期處置 161

第7章 多旋轉關節空間太陽能電站 163
7.1　電站系統組成 163
7.2　電站構型 165
7.3　能量轉化效率分配 166
7.4　主要分系統初步方案 167
7.4.1　太陽能收集與轉化分系統 167
7.4.2　電力傳輸與管理分系統 171
7.4.3　微波無線能量傳輸分系統 175
7.4.4　結構分系統 178
7.4.5　方案小結 182
7.5　空間太陽能電站的運輸 184
7.6　空間太陽能電站的在軌組裝 189
7.7　空間太陽能電站經濟性 193
7.7.1　全周期成本分析流程 193
7.7.2　電站成本分析結果 194

參考文獻 196