李忠東

盡管太陽能發(fā)電已經(jīng)相當(dāng)普及，但由于其光能轉(zhuǎn)化為電能的效率低，太空太陽能有望成為新能源。

發(fā)展前景令人鼓舞

目前，太陽能發(fā)電主要是采用太陽能電池板把太陽能轉(zhuǎn)換成電能。不過，因為在地面上利用太陽能會受到大氣的吸收和散射的影響，加上云雨、季節(jié)和晝夜更替等，目前光電效率（即光能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換率）不高，10年前只有10%。近來的發(fā)電技術(shù)取得重大進展，但是也只達到40%。

太空太陽能有望成為新能源，最理想的方法是在35 800千米高的地球同步軌道上建立空間太陽能發(fā)電站。那里沒有空氣，沒有晝夜和四季之分，更沒有陰云遮日。接收到的太陽能比地面上強烈得多。太空太陽能發(fā)電可提供恒定而沒有污染的電能。

科學(xué)家設(shè)想在空間太陽能電站安裝兩個太陽能收集轉(zhuǎn)換器（矩形電池帆板），將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。位于矩形電池帆板之間的微波輻射天線，可將電能通過波發(fā)生裝置變成微波能，再由微波天線聚成微波束能，發(fā)射到地面。地面接收站把接收天線收到的微波束能轉(zhuǎn)換成電能，從而為人類提供廉價、清潔、安全、可靠、可持續(xù)，以及可增加的能源。計算結(jié)果表明，一個標(biāo)準(zhǔn)地面接收站的發(fā)電功率可達50億瓦，相當(dāng)于5個大型核電廠發(fā)電功率之和。

其實，科學(xué)家早已在太空利用太陽能發(fā)電。目前大多數(shù)人造地球衛(wèi)星、載人航天器和空間探測器都裝有大大小小的太陽能電池翼，在月球背面著陸的“嫦娥”四號月球探測器也是如此。這些太陽能電池翼所發(fā)的電供航天器本身使用，而空間太陽能電站發(fā)展的核心應(yīng)用目標(biāo)是為地面提供大規(guī)模商業(yè)化電力，它覆蓋面廣，能夠靈活地用于地面移動目標(biāo)的供電和特殊情況下的供電，包括偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島和災(zāi)區(qū)等。

空間太陽能電站也能實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)的高、中、低軌道的航天器供電，使航天器不需要巨大的太陽能電池翼，從而大大增加控制精度，這對于未來的大功率通信衛(wèi)星、高精度科學(xué)衛(wèi)星等衛(wèi)星的發(fā)展具有重要價值。另外，空間太陽能電站可以直接用于空間燃料生產(chǎn)以及進行空間加工制造，使得空間工業(yè)發(fā)展變?yōu)榭赡?，也將為更為長遠(yuǎn)的月球太陽能電站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

多項難題有待攻克

近年來，太陽能發(fā)電技術(shù)、微波轉(zhuǎn)化技術(shù)以及相關(guān)的航天技術(shù)取得了很大進步，但空間太陽能電站規(guī)模巨大，面積可達到10平方千米，質(zhì)量上萬噸，發(fā)電功率為兆瓦級，壽命需要在30年以上，要達到這些標(biāo)準(zhǔn)，需要攻克高效能量轉(zhuǎn)化器件的制造、超大型航天器的建造與控制、在軌組裝維護等一系列技術(shù)難題。建成的空間太陽能電站也將面臨很多危險因素和工程學(xué)難題。例如，電站可能受到太空垃圾的撞擊，再比如，如何使衛(wèi)星發(fā)射出來的巨大微波束與地面的網(wǎng)格形天線一直保持同步。

科學(xué)家提出了3種建造空間太陽能電站的方法。第一種方案是將空間太陽能電站的建造材料直接發(fā)射到太空中，在太空建立“太空工廠”，通過3D打印技術(shù)將所需的組件打印出來，再利用太空機器人進行組裝。第二種方案是開發(fā)數(shù)千顆較小的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將聚集在一起，并配置成一個單一的大型太陽能發(fā)電機。第三種方案是先發(fā)射一艘攜帶3艘小飛船的大型飛船。進入預(yù)定軌道后，大船釋放出小船，4艘飛船形成一個菱形，然后釋放出一根根“蜘蛛線”，相互連接以保持穩(wěn)定，接著許多太空“蜘蛛”（機器人）爬到“蜘蛛線”上，化身為太陽能電池板。

將能量傳輸回地球的方法有激光傳輸和微波傳輸兩種。激光傳輸能量集中，所需的接收設(shè)備小，造價便宜，但是激光穿過大氣層時能量損耗較大，在惡劣氣候條件下不能使用，而且大功率的激光技術(shù)目前還有許多難點，需要進一步研究才能使用。微波無線能量傳輸技術(shù)更可行一些，基本不受云層影響，甚至下雨、下雪、大霧等天氣也不會干擾傳輸，可以說是風(fēng)雨無阻。科學(xué)家通過聚焦技術(shù)把無線電波聚攏在一起成為一種能，叫作束射能源，簡稱束能。束能是一種新型能源，正受到越來越多的重視。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家使微波束能傳輸回地面的過程，僅損失2%的能量。

目前，科學(xué)家對束能的研究主要集中在建立地面微波束能站方面，為各種飛行器提供束能動力。束能飛機能利用機翼下面的天線，接收地面微波站發(fā)射的微波束能，然后將其轉(zhuǎn)變成電能用作飛機動力。航天器則可以減少甚至取消攜帶的燃料，從而大大提高航天器的凈載質(zhì)量。

首個基地中國建造

我國早在2008年就把空間太陽能電站研發(fā)工作納入國家先期研究規(guī)劃，錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室研究團隊重點研究了非聚光型和二次對稱聚光型空間太陽能電站，提出了創(chuàng)新的多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站方案。此方案得到該領(lǐng)域國際頂級專家的認(rèn)同，并獲2015年世界太陽能衛(wèi)星設(shè)計競賽第一名。與此同時，我國在無線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)方面也取得重大進步。

我國有望成為世界首個建成有實用價值空間太陽能電站的國家。我國已提出實現(xiàn)空間太陽能電站目標(biāo)的技術(shù)路線圖，按照四步走設(shè)想向前推進：第一階段（2011年～2020年）進行太空電站的設(shè)計與驗證;第二階段（2021年～2025年）建成第一個低軌道空間電站系統(tǒng);第三階段（2026年～2040年）發(fā)射太空電站系統(tǒng)并完成組裝;第四階段（2036年～2050年）正式實現(xiàn)空間太陽能電站商業(yè)運營，設(shè)計壽命30年。我國空間太陽能電站質(zhì)量達萬噸以上，比目前的衛(wèi)星還重很多，需要采用新型材料與運載技術(shù)。它鋪展開來面積達數(shù)平方千米，相當(dāng)于6個衛(wèi)星的等級。專家預(yù)計，需投資8萬億元。

盡管空間太陽能電站的設(shè)想最早由美國提出，但目前只有中國正在建設(shè)基地進行地面驗證。2021年6月18日，全國首個空間太陽能電站實驗基地在璧山正式開工建設(shè)，將重點進行空間太陽能電站、無線微波傳能以及空間信息網(wǎng)等技術(shù)的前期演示模擬與驗證等。

璧山基地位于重慶市璧山區(qū)福祿鎮(zhèn)和平村，這里地形三面環(huán)山，所在地區(qū)具有氣候濕潤、無霜期長、日照多，以及云霧陰雨少等特點，可以保障實驗順利進行。由于目前技術(shù)水平和條件有限，該項目計劃先在平流層建立一個太陽能電站，試驗收集太陽能并通過無線能量傳輸方式向地面提供持續(xù)電力的發(fā)電系統(tǒng)（題圖為實驗基地效果圖）。

該基地技術(shù)負(fù)責(zé)人、中國工程院院士楊士中列舉數(shù)據(jù)說，在日照充足的中國西北地區(qū)，1平方米的光伏電池可產(chǎn)生0.4千瓦電力，在“霧都”重慶僅為0.1千瓦，而在距離地球表面約3.6萬千米高度的地球同步軌道上，發(fā)電功率可高達10千瓦～14千瓦。

與此同時，距重慶700千米之外的西安，中國工程院院士段寶巖的團隊也在開展空間太陽能發(fā)電相關(guān)試驗，他們正在建設(shè)全球首個空間太陽能電站地面驗證中心。在西安電子科技大學(xué)校園內(nèi)，一座巨大的三角形塔拔地而起，周圍的教學(xué)樓在其映襯下顯得格外低矮。在塔的中心，距離地面55米高的地方，有4個半球面的聚光裝置，每個直徑約6.7米，這是聚光式空間太陽能電站的核心。太陽光射入球形反射面上后，會匯集到固定的聚光區(qū)，再打入光伏電池并產(chǎn)生直流電，隨后轉(zhuǎn)成微波，通過發(fā)射天線傳輸?shù)降孛妗?/p>

人們深信，空間太陽能發(fā)電技術(shù)將在我國未來的建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。