2011-2012年NASA創新型科技前沿項目第一階段
第1章 執行摘要
在2011年至2012年期間，NASA創新型科技前沿（NIAC）項目支持了一個第一階段的項目，以研究一種涉及空間太陽能概念的新的轉換方法：利用任意大型相控陣的太陽能發電人造衛星（SPS-ALPHA）。為了給地球提供能源，就需在地球同步軌道(GEO)上建立SPS-ALPHA基地，在這個地方利用一個獨立的指向型薄膜鏡組來攔截太陽光，通過一個大型射頻（RF）孔將太陽光轉變成相干微波波束，再將太陽能輸送到地球場或太空場。圖1展示了兩種可選的SPS-ALPHA概念視覺效果圖，以及早期的幾個SPS概念圖，以作比較。
圖1-1 所選的早期太陽能發電人造衛星概念以及2種版本的新SPS-ALPHA概念
SPS-ALPHA吸納了許多關鍵的新技術，包括：（1）利用高效固態放大器進行定向制動RF相控陣的WPT；（2），利用綜合熱力管理，在聚光光伏（CPV）架構中利用了高效多帶隙PV太陽電池；（3）在多個系統/子系統中採用了輕型結構組件；（4）在高度結構化環境中採用了自主機器人技術；（5）各個模塊實現了高度的自治性。但此項目不需要所謂的“重大突破”，並且在系統級別實現了關鍵創新。
此項目的目的是確定該SPS-ALPHA概念對早期的TRL3——概念分析論證——的經濟和技術可行性，併為其進一步的研究和技術開發建立一個架構。該項目的目的是：（1）為了確定SPS-ALPHA的技術可行性，對該概念進行初步的端對端的系統分析；（2）對架構中內在的關鍵技術問題（包括每一個關鍵技術領域裡的品質因數）進行詳盡的確定與評估；（3）在支持平行試驗中, 對一些SSP核心優勢的參數進行測試，並使用測試成果來指導系統建模工作；（4）對該概念的經濟可行性進行初步的評估(作為關鍵性能參數)；（5）為SPS-ALPHA概念的進一步發展制定一個初步的線路圖。
此項目的目的是將這一新型概念法當前技術成熟度水平（TRL）從TRL1/TRL2（建立起來的物理原理，形成的基本概念）推向早期的TRL3（實驗室裡關鍵功能的實驗和/或分析驗證）。根據計劃，此項目屬於大型分析性項目，並選擇了一些支撐實驗作為配套。
以下個幾段落總結了SPS-ALPHA NIAC第1階段項目的11個任務的成果。
1.1 任務1：項目綜合與報告
該活動為此項目完成了整體綜合與報告，其中包括：（1）軌道進度；（2）為NASA提供雙月狀態報告；（3）未來概念發展的初步發展路線圖（更多細節請參見第7節）；（4）撰寫最終報告（即此文件）；（5）參加NIAC同仁會（於2012年3月下旬舉行）。[1]最終報告是任務1的主要成果。
1.2 任務2：用於分析和建模的綜合框架
任務2包括：（1）評估與利用先前研究開發的模型，特別是NASA新外觀研究項目的空間段模型（1995-1997年）；（2）圍繞有關關鍵參數的起點值，對架構級靈敏度進行研究和分析（例如：kg/kW和PV效率的WPT比質量）；（3）初步成本估計與所選的市場和空間應用領域之經濟分析；（4）分析假設結果的靈敏度。
此項任務的成果詳情見第4章“系統定義與分析方法”、第7章“SPS-ALPHA系統分析結果”。
1.3 任務3：商業案例研究：陸地市場與空間應用領域
商業案例開發任務包括：（1）確定使用SPS-ALPHA能量的候選陸地能源市場；（2）確定SPS-ALPHA概念的其他空間市場與使命的執行（例如：太空探索、太空工業化等）；其中包括為此概念創建數個概念性“設計參考任務”（DRMs）；（3）在任務2取得的成果的基礎上，選擇部分目標市場和應用領域；（4）確定潛在合夥人與利益相關者以進一步進行開發。
此項目發現SPS-ALPHA架構、系統與技術以及配套基礎設施具有廣闊的應用前景，包括圖1-2總結的領域。
圖1-2 SPS-ALPHA商業案例綜述
有關此任務的成果詳情見第4章“系統分析法”、第5章“SPS-ALPHA市場預測”和第6章“非SPS的應用展望”。
1.4 任務4：SPS-ALPHA系統概念的定義與視圖
此任務是定義SPS-ALPHA的基本概念，包括尺寸、整體外形以及特定的系統要求（此定義基於一個或多個SPS-ALPHA的設計參考任務（DRMs），其反映了所選的市場和/或任務應用領域；見任務3.）。任務4還重點開展了可視化工作，產生了一個基於計算機渲染的靜態可視化圖集，這項工作受到一位重要顧問的支持。此任務的成果詳情見第3章“SPS-ALPHA概念說明”。
1.5 任務5：系統-科技貿易空間的定義
項目任務5主要關注：（1）為SPS-ALPHA定義詳細系統-技術交易空間，包括選擇和確定關鍵平臺技術選項、定義品質因素（FOMs）及其內在聯繫、確定目標和FOM閾值（也就是“關鍵性能參數”（KPPs）；（2）向IFAM數據庫輸入FOMS群和相關的KPPs（見任務2）；（3）對SSP的SME工作組在研討中選擇的FOMs進行評議（見任務6）。任務5的關鍵在於SPS-ALPHA平臺；其他配套基礎設施部分僅在能做初步系統分析的高層次配置時使用。
任務5成果詳情見第3章SPS-ALPHA概念的說明及第7章“系統分析結果”。
1.6 任務6：太空太陽能主題專家工作組
此任務的目的是對SSP主題專家（SME）工作組予以引導，這涉及美國和國際上的參與者，還包括為選定的在美國舉辦的研討會提供旅遊資金。在實際項目中，任務6為兩個研討會提供了支持，包括原本計劃的SME工作組，以及注重國際參與者的第二工作組。此任務成果詳情見第3章“SPS-ALPHA概念的說明”、第7章“系統分析成果”、第8章“技術成熟度與風險評估”、第9章“前行道路：SPS-ALPHA路線圖”。
1.7 任務7：整體技術準備程度與風險評估
此任務包括：（1）核心SPS功能/系統的技術成熟度水平（TRL）評估；（2）上述技術的風險鑑別；（3）核心功能/系統的整體技術準備程度/風險模型的研究。
執行此任務的成果詳情見此報告第8章“技術準備程度與風險評估”。
1.8 任務8：關鍵SPS系統/子系統的質量評估
此任務完成了SPS-ALPHA平臺的關鍵系統/子系統的基本質量評估，其包含在系統分析的建模中（見任務2）。此任務所選的成果將在第7章“系統分析成果”中加以討論。
1.9 任務9：在公眾中宣傳項目成果
此任務是在兩大重要會議上廣泛宣傳項目成果：（1）國家太空學會（NSS）的國際太空發展會議（ISDC），任務9在此會議上展示了一篇論文，並介紹了SSP的進展；（2）美國航天航空協會（AIAA）舉辦的國際能源轉換工程會議（IECEC），任務9在此會議上展示了一篇論文；（3）並將於2012年10月初在2012年國際宇航大會（IAC）上展示一篇論文。任務9還製作了數張高質量圖像，以在公眾中宣傳項目成果，其中包括在NAIC2012年春季研討會上展示過的海報。任務9的成果詳情見此報告第2章“引言”。
1.10 任務10：支持美國的實驗
此任務是一個工程臨床項目，目的是為SPS-ALPHA（包括微波發送器和整流天線接收器）開展一項模擬板電力無線傳輸（WPT）實驗。（此實驗已於2011-2012年加利福利亞州克萊爾蒙特市哈維姆德學院，作為工程臨床項目的一部分完成。）此任務成果見上述任務4、5、8。
1.11 任務11：國際SSP概念研究與實驗
這項工作包括兩項國際任務：（1）神戶大學，負責管理調節與美國同步開展的太空太陽能概念研究/實驗，以及在SSP的SME研討會上彙報工作（任務6）；斯特拉斯克萊德大學，負責與美國同步的太空太陽能概念研究/實驗，以及在SSP的SME研討會上彙報工作（任務6）。神戶大學的成果包括技術型項目的微波能源傳輸、太空結構系統（例如：系鏈和充氣結構）、內太空建造。斯特拉斯克萊德大學重點負責軌道設計與控制、結構分佈尺寸與控制、系統優化、精度定量等技術型項目。
任務11的成果已在兩個SME研討會上彙報，（上述任務6），併為任務5、8所提供了有價值的信息。
1.12 成果總結
此研究得出的結論是：在取得必要的技術進展的情況下，SPS-ALPHA概念使能陸地上太陽能市場具備經濟可行性。特別的，如果能夠在關鍵組成技術方面取得所需的進展，全規模的SPS-ALPHA能夠以大約每千瓦時9美分的平均發電成本（LCOE）提供電力。如上述所言，此研究成果的完成只是達到了TRL3的初始階段。[2]雖然實現SPS-ALPHA不要求取得重大的技術突破，但卻需要對空間系統的設計方法進行變革。需要開展更多的研究與開發（R&D）以證實這項非常具有前景的發現。
[1] 從2012年3月NIAC會議起SPS-ALPHA的介紹，請見www.nasa.gov/pdf/636903main_Mankins_Presentation.pdf
[2] “TRL 3” 意為證明新概念的可行性的一個實驗或分析。
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