空间太阳能电站蓝图

李忠东

尽管太阳能发电已经相当普及，但由于其光能转化为电能的效率低，太空太阳能有望成为新能源。

发展前景令人鼓舞

目前，太阳能发电主要是采用太阳能电池板把太阳能转换成电能。不过，因为在地面上利用太阳能会受到大气的吸收和散射的影响，加上云雨、季节和昼夜更替等，目前光电效率（即光能转换成电能的转换率）不高，10年前只有10%。近来的发电技术取得重大进展，但是也只达到40%。

太空太阳能有望成為新能源，最理想的方法是在35 800千米高的地球同步轨道上建立空间太阳能发电站。那里没有空气，没有昼夜和四季之分，更没有阴云遮日。接收到的太阳能比地面上强烈得多。太空太阳能发电可提供恒定而没有污染的电能。

科学家设想在空间太阳能电站安装两个太阳能收集转换器（矩形电池帆板），将太阳能转换成电能。位于矩形电池帆板之间的微波辐射天线，可将电能通过波发生装置变成微波能，再由微波天线聚成微波束能，发射到地面。地面接收站把接收天线收到的微波束能转换成电能，从而为人类提供廉价、清洁、安全、可靠、可持续，以及可增加的能源。计算结果表明，一个标准地面接收站的发电功率可达50亿瓦，相当于5个大型核电厂发电功率之和。

其实，科学家早已在太空利用太阳能发电。目前大多数人造地球卫星、载人航天器和空间探测器都装有大大小小的太阳能电池翼，在月球背面着陆的“嫦娥”四号月球探测器也是如此。这些太阳能电池翼所发的电供航天器本身使用，而空间太阳能电站发展的核心应用目标是为地面提供大规模商业化电力，它覆盖面广，能够灵活地用于地面移动目标的供电和特殊情况下的供电，包括偏远地区、海岛和灾区等。

空间太阳能电站也能实现对一定范围内的高、中、低轨道的航天器供电，使航天器不需要巨大的太阳能电池翼，从而大大增加控制精度，这对于未来的大功率通信卫星、高精度科学卫星等卫星的发展具有重要价值。另外，空间太阳能电站可以直接用于空间燃料生产以及进行空间加工制造，使得空间工业发展变为可能，也将为更为长远的月球太阳能电站的发展奠定基础。

多项难题有待攻克

近年来，太阳能发电技术、微波转化技术以及相关的航天技术取得了很大进步，但空间太阳能电站规模巨大，面积可达到10平方千米，质量上万吨，发电功率为兆瓦级，寿命需要在30年以上，要达到这些标准，需要攻克高效能量转化器件的制造、超大型航天器的建造与控制、在轨组装维护等一系列技术难题。建成的空间太阳能电站也将面临很多危险因素和工程学难题。例如，电站可能受到太空垃圾的撞击，再比如，如何使卫星发射出来的巨大微波束与地面的网格形天线一直保持同步。

科学家提出了3种建造空间太阳能电站的方法。第一种方案是将空间太阳能电站的建造材料直接发射到太空中，在太空建立“太空工厂”，通过3D打印技术将所需的组件打印出来，再利用太空机器人进行组装。第二种方案是开发数千颗较小的卫星，这些卫星将聚集在一起，并配置成一个单一的大型太阳能发电机。第三种方案是先发射一艘携带3艘小飞船的大型飞船。进入预定轨道后，大船释放出小船，4艘飞船形成一个菱形，然后释放出一根根“蜘蛛线”，相互连接以保持稳定，接着许多太空“蜘蛛”（机器人）爬到“蜘蛛线”上，化身为太阳能电池板。

将能量传输回地球的方法有激光传输和微波传输两种。激光传输能量集中，所需的接收设备小，造价便宜，但是激光穿过大气层时能量损耗较大，在恶劣气候条件下不能使用，而且大功率的激光技术目前还有许多难点，需要进一步研究才能使用。微波无线能量传输技术更可行一些，基本不受云层影响，甚至下雨、下雪、大雾等天气也不会干扰传输，可以说是风雨无阻。科学家通过聚焦技术把无线电波聚拢在一起成为一种能，叫作束射能源，简称束能。束能是一种新型能源，正受到越来越多的重视。随着微波技术的发展，科学家使微波束能传输回地面的过程，仅损失2%的能量。

目前，科学家对束能的研究主要集中在建立地面微波束能站方面，为各种飞行器提供束能动力。束能飞机能利用机翼下面的天线，接收地面微波站发射的微波束能，然后将其转变成电能用作飞机动力。航天器则可以减少甚至取消携带的燃料，从而大大提高航天器的净载质量。

首个基地中国建造

我国早在2008年就把空间太阳能电站研发工作纳入国家先期研究规划，钱学森空间技术实验室研究团队重点研究了非聚光型和二次对称聚光型空间太阳能电站，提出了创新的多旋转关节空间太阳能电站方案。此方案得到该领域国际顶级专家的认同，并获2015年世界太阳能卫星设计竞赛第一名。与此同时，我国在无线能量传输等关键技术方面也取得重大进步。

我国有望成为世界首个建成有实用价值空间太阳能电站的国家。我国已提出实现空间太阳能电站目标的技术路线图，按照四步走设想向前推进：第一阶段（2011年～2020年）进行太空电站的设计与验证;第二阶段（2021年～2025年）建成第一个低轨道空间电站系统;第三阶段（2026年～2040年）发射太空电站系统并完成组装;第四阶段（2036年～2050年）正式实现空间太阳能电站商业运营，设计寿命30年。我国空间太阳能电站质量达万吨以上，比目前的卫星还重很多，需要采用新型材料与运载技术。它铺展开来面积达数平方千米，相当于6个卫星的等级。专家预计，需投资8万亿元。

尽管空间太阳能电站的设想最早由美国提出，但目前只有中国正在建设基地进行地面验证。2021年6月18日，全国首个空间太阳能电站实验基地在璧山正式开工建设，将重点进行空间太阳能电站、无线微波传能以及空间信息网等技术的前期演示模拟与验证等。

璧山基地位于重庆市璧山区福禄镇和平村，这里地形三面环山，所在地区具有气候湿润、无霜期长、日照多，以及云雾阴雨少等特点，可以保障实验顺利进行。由于目前技术水平和条件有限，该项目计划先在平流层建立一个太阳能电站，试验收集太阳能并通过无线能量传输方式向地面提供持续电力的发电系统（题图为实验基地效果图）。

该基地技术负责人、中国工程院院士杨士中列举数据说，在日照充足的中国西北地区，1平方米的光伏电池可产生0.4千瓦电力，在“雾都”重庆仅为0.1千瓦，而在距离地球表面约3.6万千米高度的地球同步轨道上，发电功率可高达10千瓦～14千瓦。

与此同时，距重庆700千米之外的西安，中国工程院院士段宝岩的团队也在开展空间太阳能发电相关试验，他们正在建设全球首个空间太阳能电站地面验证中心。在西安电子科技大学校园内，一座巨大的三角形塔拔地而起，周围的教学楼在其映衬下显得格外低矮。在塔的中心，距离地面55米高的地方，有4个半球面的聚光装置，每个直径约6.7米，这是聚光式空间太阳能电站的核心。太阳光射入球形反射面上后，会汇集到固定的聚光区，再打入光伏电池并产生直流电，随后转成微波，通过发射天线传输到地面。

人们深信，空间太阳能发电技术将在我国未来的建设中发挥巨大作用。