身远心近，漫谈空间太阳能电站

四川省南充市纤维检验所 陈春全

到太空找能源

我国先民利用太阳能的历史相当悠久，周代的《考工记》便有记载：“阳燧以铜为之，向日则生火。”也就是说，周代人用青铜做成凹面镜，用凹面向太阳聚光而取得火种。这种利用太阳能取火的凹面镜被称为“阳燧”，而这种取火的方式也被称为“阳燧取火”。

到了现代，人类利用太阳能的步伐更是日新月异。我国先后建设了世界上最大的青海龙羊峡水光互补并网光伏电站和全世界球聚光规模最大的甘肃敦煌熔盐塔式光热电站。

然而，太阳能发电站一般都会受到太阳光照强度、环境温度以及天气条件等的影响。一场突如其来的雾霾或者沙尘暴都会导致太阳能发电站发电量的波动。

那么，有没有能够彻底解决影响太阳能发电站工作效率问题的办法呢？

“Of course！”在上世纪60 年代末，诺贝尔物理学奖得主彼得·格拉赛博士就提出过到太空去建造一座太阳能发电站。在太空中特定的轨道上，太阳能发电板能够始终对准太阳，每天能有大约99%的时间在持续发电。在发电效率高的同时，空间太阳能电站还具有不受气候干扰、不受季节昼夜变化和地理位置影响及不存在污染排放等优点。

建在何处

“行百里者半于九十”，由于受到成本、技术、安全、设备等方面的制约，空间太阳能电站从被科学家提出开始的很长时间里，一直停留在理论层面。不过，随着上世纪70 年代和90 年代几次能源危机的发生，美国、日本等国家又开始对空间太阳能电站项目进行投资，同时还有不少民间资本也进入到这一领域。

我国虽然是全世界第一能源消费大国，但是在空间太阳能发电方面却起步较晚。直到2010 年，科学家们才初步提出了我国空间太阳能电站发展路线图。

建设空间太阳能电站并不是把地面的太阳能发电设备发射到太空中这么简单的事情。首先，咱们要从技术、成本以及费效比等方面考虑，这电站建在太空中的哪一个地方比较合适。

目前，学术界大致有两种意见。其中一个设想是将其建设在地球上空大约3.6万千米的同步轨道上。这里距离地球比较近，电能传输以及我们对它进行管理和维护都很方便。但是，地球同步轨道的轨道资源非常紧张，各种各样的卫星以及航天器大多都会占用这个轨道。

另外一种设想则是将空间太阳能电站建设到距离地球超过30 万千米的月球轨道上去。建在那里的优点是受地球阴影的影响比同步轨道小得多，可以增加发电的效率。并且，还可以为我们以后建立月球前沿基地带来帮助。但问题是，月球轨道距离地球很远，建设的难度和成本都会大幅度增加。

我国的空间太阳能电站究竟建在哪里，还得等待科学家们的进一步研究、论证才能最终确定。

太空电能的生产

那么，空间太阳能电站又是如何发电的呢？

众所周知，太阳能发电大致就是利用众多太阳能板收集太阳能并将其转化为电能。太阳能电池又分为半导体和光化学两种。

半导体太阳能电池的技术比较成熟，硅（单晶硅、多晶硅、非晶硅）太阳能电池、多元化合物太阳能电池、有机半导体太阳能电池、纳米晶体太阳能电池都已经投入使用。不过从技术和成本上来说，有机半导体太阳能电池、纳米晶体太阳能电池应该是空间太阳能电站不错的选择。因为它们都能在极低的温度下发电，而且使用寿命可达20 年左右，同时其成本还不到硅太阳能电池的五分之一。

光化学太阳能电池是通过化学过程将光能转换为电能的设备，也称为湿式太阳能电池。不过，到目前为止这种技术尚不完全成熟。

根据科学家们的设想，我国的空间太阳能电站大致会由许多个小型发电基站集群而成。每个小基站在10 万千瓦级左右，都具有独立发电、储电和传输的能力。这样不但能够大大减轻建设、维护的难度，同时还可以根据实际情况掌控空间太阳能电站的规模。

太空电能的传输

空间太阳能电站生产的电能如何传输到地球或者其他需要的地方呢？拉几条电缆线显然是不可能的，一来距离太远，二来技术上也不能实现。目前人类进行远距离无线能量传输的办法有微波输电和激光输电两种。

微波是波长介于无线电波和红外线辐射之间的电磁波，它能顺利通过电离层而不反射。微波输电就是先通过微波转换器将电能转换成微波，再通过发射站将其传输至地面接收站，地面接收站再将接收到的微波通过转换器转换为工频交流电。值得注意的是，微波输电在宇宙空间几乎没有能量损耗，即便是在通过大气层的时候也仅有2%左右的能量损耗。

激光输电则是利用激光转换器，将常规电能转换成可视激光束。这种光束可在空气中传播，被接收后在专门的光电电池中再转换回电能。不过，激光输电会受到云层、雾霾等天气条件的影响。

需要说明的是，这两种远距离传输电能的方法，目前还都不太成熟，尚需进一步研究和发展。同时，空间太阳能电站的储能问题也尚待解决。目前，传统的储电设备都不太适合太空高密度、超低温储能的需求。科学家们正在考虑利用超导体来实现在太空中对电能的长时间、无损耗存储。

我国研究的进度

空间太阳能电站一旦建成，在尺寸和重量上都会远远超过目前所有的航天器。因此，它是一个超级庞大的系统工程。根据之前提出的我国空间太阳能电站发展路线图，科学家们计划到2030 年左右，开始建设兆瓦级小型空间太阳能试验电站，到2050 年基本具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力。

目前，重庆大学和西安电子科技大学分别对空间太阳能电站展开了研究。

重庆大学的科研队伍已经在重庆市璧山区开始了空间太阳能电站实验基地的建设，预计2021 年底完工，2022 年正式开始相关试验。他们考虑到直接在3.6 万千米的同步轨道做试验不太现实，便计划利用高空气球，从300 米的低空到2 000 米的高空，再到平流层建立一个简易的太阳能电站。逐步实现平流层的太阳能收集、储能，并以微波和激光的方式向无人机充电及向地面应急供电。

西安电子科技大学的空间太阳能电站系统项目被命名为“逐日工程”。目前，他们已经在学校里建起了一个巨大的三角形铁塔，在离地约55 米高的塔中心安装有4个直径6.7 米的半球面聚光装置。这些装置会将太阳光汇聚起来使太阳能电池产生直流电，随后他们将其转换成微波再发射到地面。其主要目的是，进一步测试微波输电理论和研究其中的关键技术。

虽然空间太阳能电站还面临诸多技术、设备、资金上甚至是未知的困难，比如说尺寸如此之大的电站，在太空中如何应对陨石、太空垃圾或者小行星等的威胁。但是科学家们深信，通过百倍努力，在2030～2050 年我国有可能研发出第一个商业化空间太阳能发电站系统，实现空间太阳能发电站的商业运行。