系繩式太陽能電站方案。

由大量太陽能電池陣組成的塔式空間太陽能電站設想圖。

集成對稱聚光系統(tǒng)空間太陽能電站設想圖。

來源：北京日報

新聞背景

最近，我國首個空間太陽能電站實驗基地在重慶啟動，該基地建成后開展的基礎性實驗和應用研究，將對我國今后建設空間太陽能電站產(chǎn)生重大意義。此外，空間太陽能電站系統(tǒng)項目的地面驗證平臺也將在西安落成，它用于對空間太陽能電站功能與效率進行系統(tǒng)驗證。

那么，什么是空間太陽能電站?為何要在太空建造太陽能電站?怎樣建造空間太陽能電站呢?

優(yōu)勢得天獨厚

目前，在地面用太陽能發(fā)電已經(jīng)很普及了，主要是采用太陽能電池板把太陽能轉換成電能。其實，在太空利用太陽能發(fā)電并不新鮮，因為目前大多數(shù)人造地球衛(wèi)星、載人航天器和空間探測器都裝有大大小小的太陽能電池翼，包括剛剛在月球背面著陸的嫦娥四號月球探測器也是如此。但是這些航天器的太陽能電池翼所發(fā)的電都是供航天器本身使用，而科學家想在太空建造的太陽能電站所發(fā)的電將主要用于地面的千家萬戶，為人類提供巨大清潔能源。

太陽是地球和整個太陽系取之不盡、用之不竭的核心能源系統(tǒng)。但是在地面上的利用率卻不高，因為在地面上利用太陽能會受到大氣的吸收和散射、云雨的衰減以及季節(jié)、晝夜更替的影響而衰減很多，能量密度變化也巨大，很不穩(wěn)定。

不過，在太空中太陽能卻非常充裕。比如，在地球上空3.6萬千米的地球同步軌道，由于太陽光線不會被大氣減弱，也不受季節(jié)、晝夜變化的影響，陰影期很短，99%的時間內可穩(wěn)定接收太陽輻射，其強度是地面的6倍以上，且能實現(xiàn)空間向地面進行能量的定點傳輸，所以在太空建設太陽能電站，可有效利用此軌道上的太陽能，為人類提供優(yōu)質的、巨大的、用之不竭的清潔能源。

發(fā)展空間太陽能電站，可為地面提供商業(yè)化的、大規(guī)模的電力供給，解決人類長期對于穩(wěn)定的可再生能源的需求問題。同時空間太陽能電站對于地面偏遠地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電和調節(jié)環(huán)境等方面具有重要的應用前景。同時，空間太陽能電站的發(fā)展也將為更為長遠的月球太陽能電站的發(fā)展奠定基礎。

一旦能夠攻克空間太陽能發(fā)電技術，就有望逐步解決人類社會面臨的能源危機，獲得取之不盡、用之不竭的可持續(xù)清潔能源。所以，空間太陽能電站被稱為“能源領域的偉大變革”，中國、美國和日本等國的專家都在積極開展相關研究。

就目前來看，空間太陽能電站是開發(fā)地月空間經(jīng)濟圈最直接有效可實現(xiàn)的方式，對比開發(fā)月球氦3的難度要小得多。

面臨巨大挑戰(zhàn)

空間太陽能電站是指在太空將太陽能轉化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳到地面的電力系統(tǒng)，主要包括三大部分：太陽能發(fā)電裝置、能量轉換和發(fā)射裝置，以及地面接收和轉換裝置。

太陽能發(fā)電裝置將太陽能轉化成為電能;能量轉換裝置將電能轉換成微波或激光等形式(激光也可以直接通過太陽能轉化)，并利用發(fā)射裝置向地面發(fā)送波束;地面接收系統(tǒng)接收空間傳輸?shù)牟ㄊㄟ^轉換裝置將其轉換成為電能接入電網(wǎng)。

空間太陽能電站的技術原理現(xiàn)已沒有太大問題。近年來，太陽能發(fā)電效率、微波轉化效率以及相關的航天技術取得了很大進步，為未來空間太陽能電站的發(fā)展奠定了很好的基礎。但空間太陽能電站作為一個非常宏大的空間系統(tǒng)，需要開展系統(tǒng)的研究工作，在許多技術方面都有待取得突破性進展。例如，要達到工業(yè)應用標準，對發(fā)電量要求將很高，至少是兆瓦量級，太陽能電池板也可能要用平方千米來計算。

目前，一些國家的專家們已提出多種空間太陽能電站方案，這些方案各有千秋，對未來設計出實用的空間太陽能電站有較高的借鑒參考價值。

迄今為止，人類發(fā)射到太空的最龐大物體“國際空間站”有400多噸，而一個工業(yè)級的太陽能發(fā)電站則有上千噸。我國有專家建議：將空間太陽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技術將所需的組件打印出來，再通過太空機器人進行組裝。這是目前的研究方向之一。

空間太陽能電站規(guī)模巨大，質量可達萬噸、尺度能到千米、發(fā)電功率為兆瓦級、壽命需要在30年以上，所以對于新型運載、新型材料、高效能量轉化器件、超大型航天器結構及控制技術、在軌組裝維護技術等提出了很大的技術挑戰(zhàn)。

長期運行的安全性也是需要特別重視的問題。盡管從系統(tǒng)設計的角度已經(jīng)限制了波束密度可以滿足安全性要求，但對長期微波輻射下的生態(tài)、大氣、生物體等的影響問題仍需要開展長期的研究工作。

簡言之，空間太陽能電站需要解決三個關鍵問題：一是如何通過大型運載火箭將發(fā)電設備運送至地球同步軌道并組裝發(fā)電;二是如何將電能傳輸?shù)降孛?三是如何保障設備運行安全和環(huán)境安全。目前這三個問題都還處在基礎性探索中。

應用無限可能

空間太陽能電站發(fā)展的核心應用目標是為地面提供商業(yè)化的、大規(guī)模的電力供給，解決人類長期對于穩(wěn)定的可再生能源的需求問題。其應用領域很多。空間太陽能電站對于地面偏遠地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電和調節(jié)環(huán)境等方面具有重要的應用前景。空間太陽能電站的發(fā)展也將為更為長遠的月球太陽能電站的發(fā)展奠定基礎。

空間太陽能電站可以不間斷地為地面提供清潔的可再生能源，為人類提供巨大的、無盡的清潔能源儲備。假設在(空間)地球靜止軌道上每0.5?間隔(間距約360千米)布置一個空間太陽能電站，每個空間太陽能電站的發(fā)電功率為5兆瓦，則可以為地面連續(xù)提供約36億千瓦的電力。巨大的空間供電還可以用于地面的海水淡化、制氫等，從而可以用于其他清潔能源的利用。而且，空間太陽能電站作為一種大型的空間供電基礎設施，覆蓋面非常廣，可以靈活地用于地面移動目標的供電和緊急情況下的供電，包括偏遠地區(qū)、海島和災區(qū)等。

空間太陽能電站也可實現(xiàn)對可視范圍內的地軌、中軌和高軌道的航天器供電，使航天器不需要巨大太陽能電池翼，從而大大增加功率水平和控制精度，這對于未來的大功率通信衛(wèi)星、高精度科學衛(wèi)星等的發(fā)展具有重要價值。未來，還可以利用空間太陽能電站直接進行空間燃料生產(chǎn)以及進行空間加工制造，使得未來的空間工業(yè)發(fā)展變?yōu)榭赡堋？臻g太陽能電站也能作為深空探測能源系統(tǒng)的候選方案。

傳統(tǒng)化石能源的利用引起了地球溫度的升高，隨之產(chǎn)生的臺風和龍卷風等惡劣氣象的頻繁出現(xiàn)給人類帶來巨大的災難。將空間太陽能電站的巨大能量傳輸?shù)烬埦盹L所在的區(qū)域，可以改變臺風的溫度分布，從而破壞龍卷風的形成過程。利用空間太陽能電站還能減緩大氣霧霾，從而起到環(huán)境調節(jié)的作用。

延伸閱讀

中國空間太陽能電站研究已進入世界前列

2008年，我國將空間太陽能電站研發(fā)工作納入國家先期研究規(guī)劃。“十二五”以來，國內參與空間太陽能電站的研究團隊在逐漸擴大。國防科工局支持了與空間太陽能電站相關的總體和關鍵技術研究工作，目前在總體規(guī)劃、總體概念方案、微波無線能量傳輸技術等方面取得了一定的成果，同時也帶動了大型空間結構、空間薄膜太陽能發(fā)電技術的發(fā)展。

中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室研究團隊通過比較國內外多種空間電站方案，重點研究了非聚光型和二次對稱聚光型空間太陽能電站，提出了創(chuàng)新的多旋轉關節(jié)空間太陽能電站方案。此方案得到國際該領域頂級專家的認同，并獲2015年世界太陽能衛(wèi)星設計競賽第一名。

我國在無線能量傳輸?shù)汝P鍵技術方面也取得重大進步。無線能量傳輸包括微波和激光兩種方式，目前研究以微波方式為主。

2018年年底在重慶啟動的空間太陽能電站實驗基地項目，將在2021年至2025年建設中小規(guī)模平流層太陽能電站并實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電;2025年后可開始大規(guī)模空間太陽能電站系統(tǒng)相關工作。空間太陽能電站是一個宏偉的工程，涉及到空間運輸、姿態(tài)控制、微波技術、能量傳輸?shù)仍S多重要的技術領域，每一步關鍵技術都需要有效、安全、可靠的模擬驗證方案，實驗基地將起到模擬驗證和演示的作用。

當前，我國在空間太陽能電站研究方面初步實現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”的轉變，成為國際上推動空間太陽能電站發(fā)展的重要力量。我國專家已提出實現(xiàn)我國空間太陽能電站目標的技術路線圖：2030年后建設兆瓦級試驗空間太陽能電站，2050年后建設吉瓦級商業(yè)空間太陽能電站。目前，中國在空間太陽能電站方面的研究已進入世界前列，如能保持并進一步加大研發(fā)力度，中國將有望成為世界首個建成有實用價值空間太陽能電站的國家。

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