要把光伏电站送上天！中国太空光伏电站计划提前两年

　　要把光伏电站建到太空！
　　科幻小说中的奇妙构想，如今正逐渐成为现实。
　　今年3月，英国《泰晤士报》发表了一篇文章，其中提到：英国政府正考虑投资160亿英镑（约合1300亿元人民币），在太空建设太阳能电站。该电站直径将达到1.7千米，重约2000吨，计划于2040年建成并投入使用，该计划也被视作是可以帮助英国到2050年实现净零排放的潜在解决方案。
　　5月28日，美国宇航局发言人表示，将紧随美国军方步伐，重新开始天基太阳能（即太空太阳能电站）的研究。该发言人称，以前的障碍在于发射成本高，不值得部署这些太空太阳能工厂，现在我们看到发射变得更加容易、成本更低，太空运输不再是限制，这使得太空太阳能发电站的建造成为可能。
　　6月21日，西安电子科技大学段宝岩院士带领的＂逐日工程＂，全链路、全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过验收。这意味着，中国＂太空三峡＂建造迈出重要一步，这个时间比原定的技术路线节点提前了将近三年。
　　进入2022年，受俄乌冲突引发的欧洲能源危机影响，各国追求太空太阳能电站的热度与日俱增。专家分析，在全球能源危机的大背景下，太阳能这个取之不尽用之不竭的能源，有望随着太空太阳能电站的建成，成为人类解决能源问题的重要选项。
　　太空光伏电站
　　据了解，空间太阳能电站构想最早由美国科学家格拉泽于1968年提出，即在地球轨道上建立太阳能电站，并通过无线传输方式持续向地面提供电力的发电系统。
　　与地面太阳能电站相比，空间太阳能电站不受昼夜、天气等自然因素影响，对太阳能的利用率也更高。
　　2007年，美国五角大楼曾向国家安全太空办公室提交过一份长达75页的研究报告。
　　报告指出，太空太阳能可能成为一种可以利用的新能源。如果能在太空中放置一块＂光伏板（一种受阳光照射产生直流电的发电装置）＂，一切问题都将迎刃而解。届时，地球能够接收到的太阳能量将增加至100%，而不是70%，因为太阳辐射到地球的能量受到黑夜、多云的天空和大气的影响，其接收能力有限。
　　五角大楼的最初目的，是希望通过装置在巨型卫星上的太阳能电池板搜集太空能量，为地面上位于各地的美军基地提供能源。
　　如今，伴随着能源短缺以及传统化石能源带来的全球性气候与环境问题愈发严峻，发展清洁能源、开发可再生能源，逐渐替代传统化石能源成为全球共识。在太空建设光伏电站，从而实现太阳能大规模稳定利用，已成为世界科技大国解决未来能源和环境问题的主要战略选择之一。
　　多国研发，集思广益
　　在太空太阳能电站的研究方面，美国一直走在世界前列。以美国空军研究实验室和诺斯罗普·格鲁曼公司等为主的机构正不断加大在该领域的研发力度，并表示将在2025年前开展关键技术空间验证。据美国宇航局发布的消息称，美国海军研究实验室曾于2020年在太空中测试了一套太阳能模块和电力转换系统，为建造太空太阳能电站迈出关键的一步。
　　欧洲航天局官网信息显示，欧洲从1998年起就开始进行太空太阳能电站的研究工作，并提出了＂太阳帆塔＂的概念设计，计划将＂太阳帆塔＂搬上太空，为欧洲源源不断输送清洁电力资源，
　　而作为世界第三大太空强国，日本从上世纪80年代起，就对太空太阳能电站的关键技术进行了广泛研究。在此基础上，日本已将太空太阳能发电列入国家发展计划，提出2050年前建设商业太空太阳能电站的发展路线图。
　　日本计划在地球的静止轨道上，距离地球约3.6万公里，建造一个发电量为10亿千瓦的太空发电站，为此多个机构研究所的研究人员集思广益，提出了多个设计方案。日本宇宙航空研究开发机构的研究院设计的太阳能电池板像是两面巨大的镜子，这两面＂镜子＂直径为1.25公里，将太阳光聚集到上面后，通过微波传输器将能量传输到地球。
　　中国要建＂太空三峡＂
　　另一边，中国科学界也紧随世界潮流。
　　根据葛昌纯院士2021年发表在《中国科学报》上的文章介绍，在国家有关部门支持下，我国从＂十一五＂正式开始空间太阳能电站研究，目前在系统设计和关键技术方面已经取得了部分重要成果。
　　2010年，我国12位院士和百余位相关领域专家曾在中国空间技术研究院举办的空间太阳能电站技术研讨会上发布了我国空间太阳能电站发展路线图，提出到2030年建设兆瓦级小型空间太阳能试验电站的＂三步走＂计划：首先开展关键技术的地面及浮空器试验验证，其次开展高空超高压发电输电验证，最终开展空间无线传能试验。该路线图还提出了到2050年具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站能力的目标。
　　2014年，工信部、发改委、科技部等16个部委组织了来自国内的130余位专家开展了近一年的论证工作，论证组最终完成了《中国太空发电站发展规划及关键技术体系规划论证报告》。
　　2021年6月18日，中国首个空间太阳能电站实验基地在重庆璧山正式启动，计划在距离地球表面3.6万公里的高空建造＂太空三峡＂。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。
　　同年12月23日，＂逐日工程＂启动，拉开了＂逐日工程＂空间太阳能电站的户外地面验证挑战的序幕。
　　2022年6月5日，从西安电子科技大学段宝岩院士带领的＂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。测试成功时间比原定技术路线节点，提前了近三年。
　　这一验证系统突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流、灵巧机械结构设计等多项关键技术。
　　空间太阳能电站的优缺点
　　如果不考虑建设成本和技术成熟度问题，简单来看，空间太阳能电站的优势包括以下三点：
　　一是空间太阳能属于绿色清洁和可再生的能源。 如果空间太阳能电站能够成熟使用，可以克服化石能源带来的各种问题，而且不像风电、水电，对地理环境有特殊要求，也不像核电站需要消耗核燃料、有产生核污染的风险。
　　二是能源利用效率高。 在太空中对太阳能转换效率可以提高14倍。在中国西北地区，一平方米太阳能电池可产生0.4千瓦电，而在日照较少的重庆，仅产生0.1千瓦电。但如果是在脱离了对流层的太空中，能产生10至14千瓦的电力。但在距离地球表面约3.6万公里的地球同步轨道上，发电功率可达10~14千瓦。
　　三是可实现超远距离能量传输和调度。 空间太阳能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，比如海上、沙漠中等缺乏电网设施的地区。不仅如此，还可以在飞机、卫星、轮船、深空航天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＂。
　　当然，空间太阳能电站也面临不少困难和挑战，主要有以下三个方面：
　　一是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（有计算为比地球上老化快7倍左右）。此外，空间太阳能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。
　　二是难以组装、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空间太阳能电站的组装和维修。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（3.6万千米）建设和维修空间太阳能电站，其难度和风险都远远超出以往的太空维修任务。
　　三是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1到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，需要通过管理协调。
　　结语
　　一个世纪前，当俄罗斯一位科学家提出在太空中建造巨型太阳能发电站，持续不断向地球提供足够用的清洁能源时，这个大胆的构想一直被当成科幻小说创作的素材。1941年，著名科幻作家艾萨克·阿西莫夫发表的短篇小说《推理》，就描述了这样一个能收集太阳能、并通过微波向行星传递能量的空间站。1968年，美国科学家彼得·格拉赛博士提出了太空太阳能电站方案，依靠太阳能发电卫星，将太阳能转化为电能，并经过无线能量传输系统将能量送达地面。随后，世界多国开启了太空太阳能电站的研究，并初步证实了该系统的可行性。
　　太空太阳能电站从最初构想到现在，一个世纪过去了，随着人类太空探索技术的进步，科学家的预测正在变成现实。
　　可以设想，在不远的未来，当巨大的太阳能电站漂浮在太空，将无数能量源源不断输送到地球各地之时，人们所使用的电能，都是从太空电站所获取并输送回来的，正像彼得·格拉塞在《来自太阳的能量：它的未来》一书中所描述的一样，先在太空建设一个太阳能电站，再把电能转变成电磁能，通过无线传输发射到地面的接收站，接收站再将电磁能转变回电能，并提供给供电网。
　　到时，人们不再为缺少电能发愁，也不会因为断电而焦虑，净零排放的目标得以实现，地球污染大幅减少，大气环境也得到根本改善，人类得以尽享来自太空的清洁能源。