太空太阳能发电站

沈羡云

据国际权威机构的统计，地球上的煤炭还能用200年左右，化石燃料（石油和天然气）还能用五六十年。为此，人类需要抓紧时间寻找可持续、无污染、低成本的替代能源。现在，人们的目光已经开始聚集到太空，太空太阳能也许可以成为一种可被利用的新能源。

太空太阳能发电站的最初构想

早在1941年，科幻小说作家伊萨克·阿西莫夫就在他的短篇小说《理性》中写到，空间站可以利用微波束从太阳收集能量传输到各个行星。1968年，美国航空航天工程师彼得·格拉塞在《科学》杂志上发表了《来自太阳的能量：它的未来》，文中提出了“太阳能发电卫星”的概念。格拉塞提出，先在太空建设一个太阳能发电站，将收集到的太阳辐射能转变成电能后再转变成电磁能，然后将电磁能通过无线传输装置传输到地面的接收站，接收站将电磁能转变回电能后，便可提供给供电网。在当时，格拉塞的想法可谓非常大胆，但他提出这一构想时，全球正面临着石油危机，太空发电站的设想就显得非常诱人。美國科学家在经过10年的论证后，终于在1979年提出了一个名为“1979SPS基准系统”的太空发电站方案，并计划斥资2500亿美元实现这个计划。然而这个计划中的太空发电站重达5万吨，仅太阳能电池板的空间面积就超过了50平方千米，向地球运输电力的微波发射天线的直径甚至宽达1千米。别说当时美国的航天飞机还未正式投入使用，即使能够使用，50吨载量的航天飞机也需要运送约1000次才能完成太空发电站组件的运送工作。于是这个项目不得不搁置。

20世纪末，太空发电站的构想再次被美国军政当局提上了议事日程，并计划于2050年前将自己的太空发电站部署在太空轨道上。在美国忙于研究的这20多年里，其他国家也对太空发电站的构想很感兴趣，欧盟及俄罗斯、日本等国家都纷纷启动了自己的太空发电站计划。

太空太阳能发电站的优势

首先，与地面太阳能发电站相比，太空太阳能发电站不受昼夜、天气等自然因素影响，对太阳能的利用率更高，是充分利用太阳能的最佳选择。相比于地面太阳能供电系统，太空太阳能发电站有更高的发电效率，这不仅是因为太阳能发电站在太空中能够24小时持续工作，而且因为太空太阳能发电站的阳光不会受到地球大气层的削弱和干扰，从而使每块太阳能电池板都能发挥出数倍于地面同类的能效。

其次，太阳能属于绿色清洁和可再生能源。如果太空太阳能发电站能够成熟使用，便可以克服化石能源带来的各种问题。

此外，太空太阳能发电站可实现超远距离能量传输和调度。太空太阳能发电站利用无线能量传输技术，可以快速将能量聚焦传输到偏远的环境，比如海洋、沙漠等缺乏电网设施的地区。不仅如此，还可以在飞机、卫星、深空探测器甚至在其他星球上搭载接收微波能量的天线设备，让这些移动平台在需要时方便地接收来自太空的微波能量，实现“充电自由”。

如何建立太空太阳能发电站

建立太空太阳能发电站，其实就是在地球赤道上空3万多千米的地球静止轨道上，建造一个太阳能电池矩阵，并通过无线输电装置进行传输。太空发电站相对地球静止，这也为无线输电装置的使用创造了有利条件。就目前来看，太空发电站的理想位置有两个，分别位于西经123°和东经57°附近，这两个地方日照时间长，不受天气、气候影响，稳定性强，总的发电时间可以达到99%。

具体地讲，太空太阳能发电站包括以下3个部分：能量收集平台，能量转换和传输过程，能量接收与利用终端。

能量收集平台就是在太空中收集太阳能的航天器。从本质上看，太空太阳能发电站是一颗卫星，主要由太阳能电池板组成。太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能。

能量转换和传输过程存在诸多技术方案，讨论最多的是用微波或激光的方式，将在太空中收集的太阳光能量转换成电磁波，然后传到地球表面。目前，高精度的激光传输技术已经被用于从卫星到地面的激光通信，但是激光在大气层中的传输容易受到云层和降水的影响。利用微波传送电力的手段相对更加成熟。微波是一种电磁辐射，在环境好的状况下，通过微波将电能送回，其电能仅仅损失2%。

能量接收与利用终端一般可以认为是地面的接收装置，当然也可以是飞机、卫星甚至月球上需要用电的其他终端。总体来看，地面的微波接收装置（整流天线）周围的安全是可控的：在地表可以建造围栏等防止人员进入；在飞机上可以安装保护性的金属外壳（法拉第笼）来防止乘客受到微波光束照射；此外还需要控制微波束的功率，防止对鸟类等动物造成伤害。

建立太空太阳能发电站面临哪些挑战

既然太空太阳能发电站有这么多优点，为什么至今没有建成呢？这是因为建成它要面临不少困难和挑战，主要表现在以下4个方面。

第一，建造成本高。从历史上看，将这样一个发电站送入轨道的成本是天文数字，使其目前在商业上还不可行。按照目前一块1平方米的太阳能电池板重5千克计算，最终建成的太空太阳能发电站将重约2000吨。这里可以参考一下英国设想2040年落成的太空太阳能发电站方案，成本逾160亿英镑（约1300亿元人民币），其中有90亿英镑（约740亿元人民币）是发射成本。

第二，装备容易受损和老化。太空环境非常复杂，环境辐射强烈，温度变化剧烈，所以发电光伏板在太空中的老化速度远远超过在地球上的速度。另外，太空太阳能发电站需要非常庞大的体积，特别是展开的光伏板或者反射镜面等，因此更容易受到空间碎片的碰撞。

第三，难以组装、建设和维修。在地面维护和更换太阳能电池板是非常简单的事，但是在太空中往往需要通过遥控机器人来实现太空太阳能发电站的组装和维修。此前美国曾经多次通过航天员的太空行走，实现对哈勃空间望远镜（轨道高度在570千米左右）的维修，但是如果在地球同步轨道（约3.6万千米）建设和维修太空太阳能发电站，其难度和风险都远远超出以往的太空维修任务。

第四，微波传输可能干扰通信波段。目前，典型的无线能量传输设计是利用在1GHz～10GHz频率范围内的微波，例如常用的2.45GHz（微波炉的常用频率）或5.8GHz微波，因为该频段是大气微波传输的窗口，微波能量损耗最小。但是蓝牙、无线网络（WiFi）以及一些特殊的微波通信频率也在这个范围内，还有一些天文观测可能也会针对这个频段，这样就可能产生频谱干扰问题，需要通过管理来协调。

由于以上原因，目前太空太阳能发电站还处于探索阶段，至于何时实现还是个未知数。

我国太空太阳能发电站计划

2010年我国提出太空太阳能发电站“三小步”“两大步”计划。“三小步”即技术测试。首先开展地面及浮空器试验验证，然后开展高空超高压发电输电验证，最后开展空间无限传播能量试验。从地面到太空，分三步解决输电技术问题。“两大步”则为建设太空发电站两个阶段：第一阶段计划到2030年前，在距离地面3.6万千米的高轨道建设一个兆瓦级小型太空发电站，第二阶段计划到2050年前，建造兆瓦级空间太阳能电站验证系统和吉瓦（GW）级商业空间太阳能电站。

2018年12月，西安电子科技大学段宝岩院士团队提出了欧米伽空间太阳能电站设计方案：首先以75米高的钢结构支撑塔为底座，根据太阳高度角确定聚光镜需要倾斜的角度，在接收到聚光镜反射的太阳光后，位于聚光镜中心的光伏电池阵，将其转化为直流电能。随后，通过电源管理模块，4个聚光系统将转换得到的电能汇聚到中间发射天线，经过振荡器和放大器等模块，电能被进一步转化为微波，利用无线传输的形式发射到接收天线。最后，接收天线将微波整流再次转换成直流电，供给负载。这一设计方案被命名为“逐日工程”。与美国的阿尔法设计方案相比，我国的“逐日工程”具备3个优势：控制难度下降，散热压力减轻，功质比（天上系统的单位质量所产生的电）提高约24%。

2022年6月13日，段宝岩院士带领的“逐日工程”研究团队传来好消息，世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统顺利通过专家组验收。这一验证系统突破并验证了微波转换、微波发射等多项关键技术。该成果对我国下一代微波功率无线传输技术、空间太阳能电站理论与技术的发展具有支撑性、引领性，应用前景十分广阔。

此外，2021年6月，我国首个空间太阳能发电站实验基地在重庆璧山正式开工建设，该基地将重点进行空间太阳能发电站、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。建成后，“璧山电站”將会成为中国第一个集试验、技术集成攻关、科学数据野外观测及新产业培育为一体的大型综合实验基地，将对“改变传统能源传输方式、破解能源供给难题”等产生重大意义。

值得一提的是，在所有太空发电站构想中，只有中国真正进入到了地面验证阶段，中国或将领先一步成为首个拥有太空发电站的国家。但太空发电站的运行依旧充满挑战：在满是空间碎片的太空中，如何保护太阳能发电光伏板不受太空碎片的损害？脱离了大气层的保护受到强烈太阳辐射影响，太阳能发电光伏板的退化速度加快，如何延长它的使用寿命？当然，还有大众最关心的电价问题，毕竟成本高昂，太空发电站的电价会不会很贵？据推算，太空发电电价成本是一般电价的10倍，但随着太空太阳能发电站的普及，价格会慢慢降至一般电价水平。太空太阳能发电站点亮未来指日可待。