建立在技术上和经济上可行的空间太阳能电站系统可以有效利用空间太阳能，更能为国家提供巨大的可再生能源战略储备，对于保证中国的能源独立与安全以及国民经济的可持续发展具有重大战略意义。


面向未来空间太阳能电站的空间高压大功率电力传输需求，本文论述空间电能传输与管理系统的国内外发展现状，梳理有待解决的基础科学问题与核心关键技术，为未来深化研究指明方向。提出现阶段制约太空高压电力传输与能量管理系统发展的关键技术、材料和器件，分析空间辐射环境对于空间电力系统的影响并提出了其辐射防护需求，最后明确了需进一步研究的重点内容，为开拓该领域的后续研究提供参考。


太空中的太阳光不会因大气衰减，也不受季节、昼夜变化的影响，太阳辐照强度稳定，约为1353W/m2，是地面太阳平均辐照强度的5倍以上。特别在地球同步轨道（Geosynchronous Orbit, GEO）上，99%的时间内可稳定接收太阳辐射，是建设太阳能电站的理想位置。空间太阳能电站（Space solar Power Station, SPS），是指在地球轨道上将太阳能进行有效收集、转化并传输到地面，进而转化为电能供地面使用的系统。


空间太阳能电站的电力传输与管理系统，负责将太阳充电机充电蓄电池阵发出的超高功率电力传输并分配到发射天线及服务系统设备，其质量和效率直接影响到整个电站的总质量和能量转换总效率。为了实现安全、可靠的空间超大功率电力传输和管理，亟需开展空间高压大功率电力传输与管理技术研究，突破核心技术。


目前的大功率通信卫星采用的供电电压为100V左右，功率达到20kW。国际空间站一次电源系统运行在137～177V范围，二次电源系统运行在123～126V范围，总发电功率达到110kW[1-3]。我国正在研制的空间站的供电规模接近40kW，而长期的扩展规模有可能达到100kW以上[4-6]。空间太阳能电站是目前国际上论证的最大功率的航天器，作为验证型的空间太阳充电机充电蓄电池阵供电系统的功率将可能达到MW级水平，而未来的商业化电站的供电功率将达到GW级[7-15]。


对于未来百千瓦以上的空间大功率供电需求，为减少电力传输电缆的质量和传输损耗，必须提高电压、降低电流，因此采用超高电压供电体制成为未来空间技术发展的一个重要方向，空间超高压大功率电力系统成为制约超大功率航天器发展的一个关键瓶颈。


传统的航天器供电系统主要包括太阳充电机充电蓄电池阵发电系统和电源管理系统，其母线电压等级主要由太阳充电机充电蓄电池阵的供电电压决定，并通过电源管理设备进行调节以满足整星的供电需求。由于空间环境引起的放电问题，目前的航天器母线电压都不超过200V。未来空间大功率供电需求将达到105V甚至106V以上，必然需要发展更高的供电电压。


空间太阳能电站的传输母线电压等级需要达到数千伏至10kV以上[16,17]，受到太阳充电机充电蓄电池阵供电电压的限制，空间超高压大功率供电系统将采用升压变换的方式实现高压母线传输供电。因此，未来的空间大功率供电系统将由高压太阳充电机充电蓄电池阵、高压电力变换设备、大功率导电关节（充电机充电蓄电池阵驱动机构）、超高压大功率传输电缆、大功率电力调节设备和高比容量储能系统组成。


本文面向未来空间大功率的供电需求，对空间高压电力传输与管理系统进行分析，提出其关键技术和关键材料器件，分析空间辐射环境对于太空高压电力系统的影响并提出亟待解决的核心技术问题。


1  空间高压电力传输与管理系统发展现状


1.1  高压太阳充电机充电蓄电池阵


太阳充电机充电蓄电池阵是电力传输的输入端，高压充电机充电蓄电池阵的特性将直接决定电力传输与管理的方式。为了实现高电压供电，在20世纪70年代，美国曾在此领域开展了大量的研究，波音、休斯等公司面向高压电推进系统需求开展了高达16kV的高压太阳充电机充电蓄电池阵的设计和研究[18,19]。后续随着研究的深入，由于空间等离子体环境引起的太阳充电机充电蓄电池阵放电问题，相关研究并未实质性地推动下去。


2012年，日本研制了高压充电机充电蓄电池阵验证小卫星HORYUII[20]如图1所示，并于2012年5月搭载发射，运行轨道为680km高的太阳同步轨道。该卫星的主要任务是验证低轨300V高压充电机充电蓄电池阵技术，充电机充电蓄电池阵采用三结GaAs充电机充电蓄电池（GaAs/InGaP/Ge），尺寸为122cm×214cm，利用多组充电机充电蓄电池的串联形成高压，整个充电机充电蓄电池表面通过覆盖乙烯四氟乙烯共聚物（ETFT）涂层减小放电风险，同时在整个充电机充电蓄电池表面覆盖半导电涂层进一步减小放电风险。地面测试显示800V的电压差不会产生放电，在轨测试表明充电机充电蓄电池阵工作电压最高达到350V，是目前在轨验证的最高电压的太阳充电机充电蓄电池阵。


图1  HORYU-II验证卫星




美国ABEL公司设计的Squarerigger大功率太阳充电机充电蓄电池阵采用了ENTECH公司的聚光充电机充电蓄电池阵[21]。按照设计，Squarerigger大功率充电机充电蓄电池阵的设计功率将达到100kW到MW级，工作电压达到1kV。该聚光充电机充电蓄电池采用了菲涅耳透镜作为聚光系统，由于采用了聚光设计，充电机充电蓄电池片的间距较大，减小了放电的风险，提高了充电机充电蓄电池阵工作电压，原理样机如图2所示。


图2   Squarerigger聚光太阳翼原理样机




1.2  国际空间站高压供电系统


目前在空间运行的最大功率航天器为国际空间站，其系统框图如图3所示。国际空间站电源系统由电能产生、能量存储、电能管理和分配设备组成。其中，美国的供电系统采用4组高压太阳充电机充电蓄电池翼，一次电源供电电压范围为137～173V，经过贝塔导电旋转关节、直流切换单元（用于控制蓄充电机充电蓄电池组充放电）和阿尔法导电旋转关节进入主母线调节单元，之后经过直流变换单元将一次电源电压转换为二次电源供电电压，范围为123～126V。二次电源供电再根据负载供电需求进行变换后分配到功率负载。国际空间站采用了大功率滚环式导电旋转关节，其中的阿尔法旋转关节传输电功率达到65.5kW。


图3  国际空间站供电系统框图




1.3  空间太阳能电站高压电力传输管理方案


1.3.1  SPS-1979空间太阳能电站


SPS-1979空间太阳能供电系统结构框图如图4所示。美国于20世纪70年代末对于基准电站方案——SPS-1979开展详细的研究，提出了总供电功率为8GW的方案，采用了40kV等级的高压设计方案并采用集中式供电方式，即太阳充电机充电蓄电池阵发出的电力通过单个导电旋转关节传输到微波发射天线。太阳充电机充电蓄电池阵被分为了228个电力分支，集成为了多条供电母线，为了避免母线间出现高压击穿现象，传输到导电旋转关节的不同母线间的电压偏差需要控制在0.25%以内。


导线旋转关节前的切换开关主要用于控制部分功率用于平台系统供电，而导电旋转关节后的功率调节模块将电能分配为两部分：一部分为电站平台系统供电；另一部分为微波源供电，单个微波源DC-DC变换器的功率等级为5.4MW，效率为96%。该方案最大的难点在于GW级的导电旋转关节，其次为40kV的远距离高压电力传输系统。


图4  SPS-1979供电系统结构框图




1.3.2  太阳塔空间太阳能电站（Sun-Tower）


2000年，美国波音公司针对太阳塔空间太阳能电站概念提出一种基于交流的电力传输方案，其框图如图5所示。太阳塔概念的核心是采用梯度稳定太阳充电机充电蓄电池阵，不进行对太阳定向，因此回避了导线旋转关节，但造成发电的极大波动性。该方案的发电功率等级最高达到3GW，由340个5kV高压太阳充电机充电蓄电池阵构成。


每个太阳充电机充电蓄电池阵发电功率10MW，通过DC-AC变换器变为100kV（10kHz）的三相交流电，进入15km的主传输母线传输接入发射天线阵。在接入端进行一次降压变换，将电压降为10kV，在微波源再进行一次AC-DC的降压变换，产生80V直流电用于微波源供电。对于这样的一个电力传输管理系统，总质量将超过8 000t，其中电压变换器所占质量超过75%，电缆质量约占25%。


图5  太阳塔空间太阳能电站发电及电力传输框图




1.3.3  多旋转关节空间太阳能电站


2014年，中国空间技术研究院提出了一种新型的电站方案，称为多旋转关节空间太阳能电站（Multiple Rotation Joint-Space-Power Station, MR-SPS），其核心是采用模块化设计思想，将太阳充电机充电蓄电池阵拆分为多个充电机充电蓄电池子阵，每个子阵通过两个导电旋转关节进行电力传输，解决了传统平台式电站的极大功率导电旋转关节和单点失效问题。根据该方案的构型特点以及微波源的供电需求，整个电力传输与管理设计为分布式+集中式的混合电力传输与管理方式[17]。


每一个高压太阳充电机充电蓄电池阵模块输出电压为500V，12个太阳充电机充电蓄电池阵模块的电能经过一次升压变换提升至5 000V，通过充电机充电蓄电池子阵的两个导电旋转关节传输到主结构。50个太阳充电机充电蓄电池子阵对应的100路输出电力经过二次升压变换（20kV）后通过安装在主结构桁架上的电缆进行汇集接入电力传输主母线，并通过两个输入端口输入到微波发射天线部分。


微波发射天线的输入电功率再根据微波源的供电需求再次进行变换和分配。主要的发电功率用于微波发射，部分功率用于电站服务系统设备（安装于太阳充电机充电蓄电池阵、主结构和微波发射天线）的供电，同时也通过蓄充电机充电蓄电池储存部分电力用于阴影期服务系统设备的供电。