空間太陽(yáng)能電站藍(lán)圖

李忠東

盡管太陽(yáng)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(yáng)能有望成為新能源。

發(fā)展前景令人鼓舞

目前，太陽(yáng)能發(fā)電主要是采用太陽(yáng)能電池板把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。不過，因?yàn)樵诘孛嫔侠锰?yáng)能會(huì)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(jìn)展，但是也只達(dá)到40%。

太空太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能比地面上強(qiáng)烈得多。太空太陽(yáng)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(yáng)能電站安裝兩個(gè)太陽(yáng)能收集轉(zhuǎn)換器（矩形電池帆板），將太陽(yáng)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(jià)、清潔、安全、可靠、可持續(xù)，以及可增加的能源。計(jì)算結(jié)果表明，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地面接收站的發(fā)電功率可達(dá)50億瓦，相當(dāng)于5個(gè)大型核電廠發(fā)電功率之和。

其實(shí)，科學(xué)家早已在太空利用太陽(yáng)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(cè)器都裝有大大小小的太陽(yáng)能電池翼，在月球背面著陸的“嫦娥”四號(hào)月球探測(cè)器也是如此。這些太陽(yáng)能電池翼所發(fā)的電供航天器本身使用，而空間太陽(yáng)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(dòng)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(yáng)能電站也能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yáng)能電池翼，從而大大增加控制精度，這對(duì)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(jià)值。另外，空間太陽(yáng)能電站可以直接用于空間燃料生產(chǎn)以及進(jìn)行空間加工制造，使得空間工業(yè)發(fā)展變?yōu)榭赡埽矊楦鼮殚L(zhǎng)遠(yuǎn)的月球太陽(yáng)能電站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

多項(xiàng)難題有待攻克

近年來，太陽(yáng)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(jìn)步，但空間太陽(yáng)能電站規(guī)模巨大，面積可達(dá)到10平方千米，質(zhì)量上萬噸，發(fā)電功率為兆瓦級(jí)，壽命需要在30年以上，要達(dá)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(hù)等一系列技術(shù)難題。建成的空間太陽(yáng)能電站也將面臨很多危險(xiǎn)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(yáng)能電站的方法。第一種方案是將空間太陽(yáng)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(jī)器人進(jìn)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(gè)單一的大型太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)。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(jìn)入預(yù)定軌道后，大船釋放出小船，4艘飛船形成一個(gè)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(jī)器人）爬到“蜘蛛線”上，化身為太陽(yáng)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(jià)便宜，但是激光穿過大氣層時(shí)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(diǎn)，需要進(jìn)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(huì)干擾傳輸，可以說是風(fēng)雨無阻?？茖W(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(jiǎn)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(duì)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(dòng)力。束能飛機(jī)能利用機(jī)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(jī)動(dòng)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(gè)基地中國(guó)建造

我國(guó)早在2008年就把空間太陽(yáng)能電站研發(fā)工作納入國(guó)家先期研究規(guī)劃，錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了非聚光型和二次對(duì)稱聚光型空間太陽(yáng)能電站，提出了創(chuàng)新的多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽(yáng)能電站方案。此方案得到該領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)專家的認(rèn)同，并獲2015年世界太陽(yáng)能衛(wèi)星設(shè)計(jì)競(jìng)賽第一名。與此同時(shí)，我國(guó)在無線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)方面也取得重大進(jìn)步。

我國(guó)有望成為世界首個(gè)建成有實(shí)用價(jià)值空間太陽(yáng)能電站的國(guó)家。我國(guó)已提出實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)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(jìn)：第一階段（2011年～2020年）進(jìn)行太空電站的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證;第二階段（2021年～2025年）建成第一個(gè)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(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能電站商業(yè)運(yùn)營(yíng)，設(shè)計(jì)壽命30年。我國(guó)空間太陽(yáng)能電站質(zhì)量達(dá)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(yùn)載技術(shù)。它鋪展開來面積達(dá)數(shù)平方千米，相當(dāng)于6個(gè)衛(wèi)星的等級(jí)。專家預(yù)計(jì)，需投資8萬億元。

盡管空間太陽(yáng)能電站的設(shè)想最早由美國(guó)提出，但目前只有中國(guó)正在建設(shè)基地進(jìn)行地面驗(yàn)證。2021年6月18日，全國(guó)首個(gè)空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地在璧山正式開工建設(shè)，將重點(diǎn)進(jìn)行空間太陽(yáng)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(yàn)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(rùn)、無霜期長(zhǎng)、日照多，以及云霧陰雨少等特點(diǎn)，可以保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。由于目前技術(shù)水平和條件有限，該項(xiàng)目計(jì)劃先在平流層建立一個(gè)太陽(yáng)能電站，試驗(yàn)收集太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)基地效果圖）。

該基地技術(shù)負(fù)責(zé)人、中國(guó)工程院院士楊士中列舉數(shù)據(jù)說，在日照充足的中國(guó)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(dá)10千瓦～14千瓦。

與此同時(shí)，距重慶700千米之外的西安，中國(guó)工程院院士段寶巖的團(tuán)隊(duì)也在開展空間太陽(yáng)能發(fā)電相關(guān)試驗(yàn)，他們正在建設(shè)全球首個(gè)空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)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(gè)半球面的聚光裝置，每個(gè)直徑約6.7米，這是聚光式空間太陽(yáng)能電站的核心。太陽(yáng)光射入球形反射面上后，會(huì)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(yáng)能發(fā)電技術(shù)將在我國(guó)未來的建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。