遥远太空如何建电站

空间太阳能电站示意图。

　　冬季来临，全球能源供应问题频发。据报道，英国不少加油站遭遇“油荒”，欧洲电价已攀升至近年来最高点，解决能源问题又一次被提上日程。

　　太阳能属于绿色可再生能源，宇宙空间储量丰富且品质优良。在宽千米的地球同步轨道上，一年内收集的太阳能量，相当于所有已知常规可开采石油储量的能量总和。相比于化石能源和核能、风能等，空间太阳能高效、持久、安全、清洁，为人类解决能源问题提供了可能。

　　空间太阳能电站(SPS)，也称天基太阳能电站(SBSP)，是指在太空将太阳能转化为电能、再通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统。它被认为是人类开发利用空间太阳能的物理载体。

　　空间太阳能电站有三大优点：一是能量收集率高。受昼夜变化和天气影响小，可将能量稳定传输至地面，适合大规模开放利用。二是能量利用效率高。空间太阳能利用率可达1366瓦/平方米，是地面平均太阳光照功率的7～12倍。三是可收集时间长。在地球同步轨道，99%的时间内可稳定接收太阳辐射，向地面固定区域传输能量。

　　为了让空间太阳能电站造福人类，科学家发挥聪明才智，提供了多种可谓“脑洞大开”的技术路线。

　　往事成追忆，多种技术方案应运而生

　　1920年，现代宇宙航行学奠基人之一的苏联科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基设想，可考虑使用巨型太空发电站收集太阳能。这一想法在当时过于超前，只能成为作家创作科幻小说的素材。

　　1968年，在进行微波能量传输实验的基础上，彼得·格拉泽博士在《科学》杂志发表文章，正式提出“太阳能发电卫星”概念：通过将两颗卫星送入地球静止轨道，保证至少有一颗卫星被太阳照射，另一颗卫星进行能量传输。此文详细论述了发展空间太阳能电站的可行性，开启了人类研究开发利用空间太阳能的新纪元。

　　1973年和1979年，在全球先后两次爆发能源危机的背景下，美国能源部在国家航空航天局(NASA)支持下，开展空间太阳能电站项目研究，“1979基准系统”应运而生。该系统由巨型太阳电池阵和发射天线组成，计划在太空部署60个发电能力为50亿瓦的电站。这是第一个具有参考价值的工程方案概念。

　　1983年，日本京都大学进行了“微波-电离层非线性作用试验”，天线口径1.3米，总发射功率1250瓦。这是全球首次在电离层进行的微波能量传输试验，从工程上验证了空间太阳能电站能量传输的可行性。

　　1995年，美国国家航空航天局开展“新面貌”研究，提出“太阳塔”技术概念。这是一组中等规模、重力梯度稳定、微波发射的太空太阳能发电系统。每颗卫星像一朵指向地球的大向日葵，“向日葵”的面是发射阵列，“茎上的叶子”是太阳能收集器。这一方案性价比高，可在飞行环境中进行测试。但存在一个问题：反射镜阵列在中午和午夜时会互相遮蔽。这意味着需要更多卫星来收集太阳能。

　　欧洲基于“太阳塔”概念，提出“太阳帆塔”方案。该方案采用薄膜技术和重力梯度稳定方式，由数百个尺寸为150米×150米的太阳发电阵模块组成。发电阵沿超导材料制成的中央缆绳两侧排列成2行或4行，发出的电流通过缆绳送到末端的发射天线。由于无法保持对日定向姿态，该系统较难实现对地面的持续供电。

　　20世纪90年代末，NASA启动“空间太阳能电站探索性研究和技术”(SERT)计划，提出“集成对称激光系统”(ISC)设计方案。包括200多个单独发射激光的卫星，分为24面镜和36面镜版本。每个反射镜直径500米，采用聚光系统设计，将太阳电池、微波发射机和发射天线集成为“三明治”夹层结构板，利用位于桅杆两侧的薄膜聚光器指向太阳，无须大功率导电滑环和长距离电力运输。不足之处是受天气影响较大，需要准备多个地面接收站。

　　2004年，日本把发展空间太阳能电站列入国家航天发展计划，将在2030年实现商业化，总投资超过210亿美元。

　　2006年，日本提出绳系式空间太阳能电站方案。由一个大型发电/传输面板组成，面板上方的总线系统悬挂着很多缆线。基本组成单元为100米×95米的单元板和卫星平台，采用4根2～10千米的绳系悬挂在一起。其中，单元板包含3800个模块。该方案结构简单，不受光照条件变化影响，摆脱了对巨型光学系统的依赖，具有较强的工程可实现性。

　　2012年，在NASA创新概念项目支持下，美国、日本和英国科学家提出“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”(SPS-ALPHA)方案。该方案核心是“三明治”结构的微波能量发射装置，扩展性较强，降低了技术难度和研制成本。

　　现实多崎岖，诸多技术瓶颈有待突破

　　中国空间技术研究院王希季院士曾说过：空间太阳能电站工程巨大，还有很多坎儿要一个一个地遵循客观规律地迈过去。

　　就工程规模和资金投入而言，空间太阳能电站超越了“曼哈顿工程”和“阿波罗登月计划”，与之相关的空间高压大功率发电与电力管理技术，被认为是宇航领域科学问题和技术难题之一。

　　空间太阳能电站的核心问题在于“聚、传、建”3个方面，以目前的技术能力进行建设，难度较大。因此，空间太阳能电站尚处于研发阶段。

　　所谓“聚”，主要研究采用哪种聚能方式。非聚光空间太阳能电站典型代表为“1979基准系统”。该系统利用旋转机构，保持电池阵列对太阳定向，需要大量输电电缆进行远距离、大功率电力传输，功率损耗相对较多。聚光空间太阳能电站典型代表为“集成对称激光系统”。该系统采用聚光器，将太阳光投射到电池阵上，可减少电池面积，降低电力管理和分配技术难度。但系统控制和热控难度较大，需要采用耐高温部件。

　　所谓“传”，主要研究采用哪种传输方式。无线能量传输是空间太阳能电站的核心技术，主要包括微波无限能量传输和激光无限能量传输。微波无限能量传输技术在世界科技强国研究较多，其转化和传输效率较高、特定频段穿透性好、安全性强;其波束较宽，发射和接收天线的尺寸较大，适合于大功率天地能量传输模式。激光无线能量传输的波束窄、发射和接收装置小、应用灵活，适合于中等功率轨道间或天地灵活能量传输模式。但激光无线能量传输技术存在成熟度不高、高指向精度实现难度大、存在安全隐患、传输效率易受大气影响等问题。另外，天地之间长期大功率无线能量传输，也可能对地球大气环境和生态环境造成无法预知的影响。

　　所谓“建”，主要研究采用哪种组建方式。空间太阳能电站在重量、尺度方面，远超现有航天设施。目前国际空间站重约400吨，而按最小构型计算，一座空间太阳能电站至少也要上千吨。将其发射到3.6万千米高度的地球同步轨道，需要140次航天发射任务，且要在2年内完成在轨组装。这意味着在一个月内至少要发射6次重型火箭，对已有太空发射、太空制造、航天器研制等都提出了严峻挑战。此外，空间太阳能电站设计寿命为30年以上，结构复杂、新技术应用较多，空间环境可靠性是亟待解决的重要问题。地面接收系统需要考虑部件可靠性、系统集成和生物安全等问题。用于收集微波波束的整流天线直径在3～10千米，这意味着一座空间太阳能发电站面积大约要10～40平方千米，相当于数千个足球场那么大。

　　未来犹可期，应用前景广阔深远

　　空间太阳能电站具有功率大、能量传输方式灵活等特点，既可成为未来稳定的能量来源，又可广泛应用于电网调度、军事无线供电、气象科学研究、应急救灾、空间供电、行星探测等多个领域。

　　——能源供应的新方案。研究空间太阳能发展利用规划，开展空间太阳能电站相关科学问题研究和关键技术攻关，对于国家未来能源和环境安全具有重要战略意义。可对偏远地区、受灾地区和重要设施进行定向或移动供电，为改善国家电力能源结构和供电方式提供创新方案，具有较高社会效益。空间太阳能电站不产生二氧化碳，因此不会有碳排放，可助力国家实现碳达峰、碳中和目标。同时，可提供战略能源供应，从根本上解决能源和气候变化危机。

　　——太空旅行的“充电桩”。可为航天器接续供电，支持太空旅游、制造、探月和小行星资源利用等。理论上使航天器不再依赖太阳能电池翼，并增加功率水平和控制精度。作为深空探测能源系统的候选方案，未来可进行燃料生产和空间加工制造，提升空间制造和空间资源利用能力。

　　——国际合作的大工程。空间太阳能电站商业运行前期投入和建设难度较大，需要各国齐心协力完成这一大工程。目前，开展相关研究的组织包括国际宇航科学院(IAA)、国际宇航联合会(IAF)、国际无线电科学联合会(URSI)等，各国可加强联系交流，推动建立联合研究组织以及政府间合作与协调机构等。

　　——军事应用的潜能量。空间太阳能可为卫星之间的能量传输、无人机长时飞行提供动力。其发电站平台的微波或激光发射器，具有成为太空武器的潜力。美国国防部提出，从太空发射超过500万瓦的波束能量，可能颠覆未来战场游戏规则。此外，美国空军正在开展空间太阳能研究，旨在为海外军事基地提供能源保障。从发展趋势看，空间太阳能电站有可能引发包括军事技术在内的全球新技术革命。