遙遠太空如何建電站

李振舉 趙輝 胡濱

空間太陽能電站（SPS），也稱天基太陽能電站（SBSP），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輸到地面的電力系統。它被認為是人類開發利用空間太陽能的物理載體。空間太陽能電站有三大優點：一是能量收集率高。它受晝夜變化和天氣影響小，可將能量穩定傳輸至地面，適合大規模開放利用。二是能量利用效率高。空間太陽能利用率可達1366瓦/平方米，是地面平均太陽光照功率的7～12倍。三是可收集時間長。在地球同步軌道，99%的時間內可穩定接收太陽輻射，向地面固定區域傳輸能量。

為了讓空間太陽能電站造福人類，科學家發揮聰明才智，提供了多種可謂“腦洞大開”的技術路線。

往事成追憶

1920年，現代宇宙航行學奠基人之一的蘇聯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基設想，可考慮使用巨型太空發電站收集太陽能。這一想法在當時過于超前，只能成為作家創作科幻小說的素材。

1968年，在進行微波能量傳輸實驗的基礎上，彼得·格拉澤博士在《科學》雜志發表文章，正式提出“太陽能發電衛星”概念：通過將兩顆衛星送入地球靜止軌道，保證至少有一顆衛星被太陽照射，另一顆衛星進行能量傳輸。此文詳細論述了發展空間太陽能電站的可行性，開啟了人類研究開發利用空間太陽能的新紀元。

1973年和1979年，在全球先后兩次爆發能源危機的背景下，美國能源部在國家航空航天局（NASA）支持下，開展空間太陽能電站項目研究，“1979基準系統”應運而生。該系統由巨型太陽電池陣和發射天線組成，計劃在太空部署60個發電能力為50億瓦的電站。這是第一個具有參考價值的工程方案概念。

1983年，日本京都大學進行了“微波-電離層非線性作用試驗”，天線口徑1.3米，總發射功率1250瓦。這是全球首次在電離層進行的微波能量傳輸試驗，從工程上驗證了空間太陽能電站能量傳輸的可行性。

1995年，美國國家航空航天局開展“新面貌”研究，提出“太陽塔”技術概念。這是一組中等規模、重力梯度穩定、微波發射的太空太陽能發電系統。每顆衛星像一朵指向地球的大向日葵，“向日葵”的面是發射陣列，“莖上的葉子”是太陽能收集器。這一方案性價比高，可在飛行環境中進行測試。但存在一個問題：反射鏡陣列在中午和午夜時會互相遮蔽。這意味著需要更多衛星來收集太陽能。

歐洲基于“太陽塔”概念，提出“太陽帆塔”方案。該方案采用薄膜技術和重力梯度穩定方式，由數百個尺寸為150米×150米的太陽發電陣模塊組成。發電陣沿超導材料制成的中央纜繩兩側排列成2行或4行，發出的電流通過纜繩送到末端的發射天線。由于無法保持對日定向姿態，該系統較難實現對地面的持續供電。

20世紀90年代末，NASA啟動“空間太陽能電站探索性研究和技術”（SERT）計劃，提出“集成對稱激光系統”（ISC）設計方案。系統包括200多個單獨發射激光的衛星，分為24面鏡和36面鏡版本。每個反射鏡直徑500米，采用聚光系統設計，將太陽電池、微波發射機和發射天線集成為“三明治”夾層結構板，利用位于桅桿兩側的薄膜聚光器指向太陽，無需大功率導電滑環和長距離電力運輸。不足之處是受天氣影響較大，需要準備多個地面接收站。

2004年，日本把發展空間太陽能電站列入國家航天發展計劃，將在2030年實現商業化，總投資超過210億美元。

2006年，日本提出繩系式空間太陽能電站方案。由一個大型發電/傳輸面板組成，面板上方的總線系統懸掛著很多纜線。基本組成單元為100米×95米的單元板和衛星平臺，采用4根2～10千米的繩系懸掛在一起。其中，單元板包含3800個模塊。該方案結構簡單，不受光照條件變化影響，擺脫了對巨型光學系統的依賴，具有較強的工程可實現性。

2012年，在NASA創新概念項目支持下，美國、日本和英國科學家提出“任意大規模相控陣式空間太陽能電站”（SPS-ALPHA）方案。該方案核心是“三明治”結構的微波能量發射裝置，擴展性較強，降低了技術難度和研制成本。

現實多崎嶇

中國空間技術研究院王希季院士曾說過：空間太陽能電站工程巨大，還有很多坎兒要一個一個地遵循客觀規律地邁過去。

就工程規模和資金投入而言，空間太陽能電站超越了“曼哈頓工程”和“阿波羅登月計劃”，與之相關的空間高壓大功率發電與電力管理技術，被認為是宇航領域科學問題和技術難題之一。

空間太陽能電站的核心問題在于“聚、傳、建”3個方面，以目前的技術能力進行建設，難度較大。因此，空間太陽能電站尚處于研發階段。

所謂“聚”，主要研究采用哪種聚能方式。非聚光空間太陽能電站典型代表為“1979基準系統”。該系統利用旋轉機構，保持電池陣列對太陽定向，需要大量輸電電纜進行遠距離、大功率電力傳輸，功率損耗相對較多。聚光空間太陽能電站典型代表為“集成對稱激光系統”。該系統采用聚光器，將太陽光投射到電池陣上，可減少電池面積，降低電力管理和分配技術難度。但系統控制和熱控難度較大，需要采用耐高溫部件。

所謂“傳”，主要研究采用哪種傳輸方式。無線能量傳輸是空間太陽能電站的核心技術，主要包括微波無限能量傳輸和激光無限能量傳輸。微波無限能量傳輸技術在世界科技強國研究較多，其轉化和傳輸效率較高、特定頻段穿透性好、安全性強;其波束較寬，發射和接收天線的尺寸較大，適合于大功率天地能量傳輸模式。激光無線能量傳輸的波束窄、發射和接收裝置小、應用靈活，適合于中等功率軌道間或天地靈活能量傳輸模式。但激光無線能量傳輸技術存在成熟度不高、高指向精度實現難度大、存在安全隱患、傳輸效率易受大氣影響等問題。另外，天地之間長期大功率無線能量傳輸，也可能對地球大氣環境和生態環境造成無法預知的影響。

所謂“建”，主要研究采用哪種組建方式。空間太陽能電站在重量、尺度方面，遠超現有航天設施。目前國際空間站重約400噸，而按最小構型計算，一座空間太陽能電站至少也要上千噸。將其發射到3.6萬千米高度的地球同步軌道，需要140次航天發射任務，且要在2年內完成在軌組裝。這意味著在一個月內至少要發射6次重型火箭，對已有太空發射、太空制造、航天器研制等都提出了嚴峻挑戰。此外，空間太陽能電站設計壽命為30年以上，結構復雜、新技術應用較多，空間環境可靠性是亟待解決的重要問題。地面接收系統需要考慮部件可靠性、系統集成和生物安全等問題。用于收集微波波束的整流天線直徑在3～10千米，這意味著一座空間太陽能發電站面積大約要10～40平方千米，相當于數千個足球場那么大。

未來猶可期

空間太陽能電站具有功率大、能量傳輸方式靈活等特點，既可成為未來穩定的能量來源，又可廣泛應用于電網調度、軍事無線供電、氣象科學研究、應急救災、空間供電、行星探測等多個領域。

——能源供應的新方案。研究空間太陽能發展利用規劃，開展空間太陽能電站相關科學問題研究和關鍵技術攻關，對于國家未來能源和環境安全具有重要戰略意義。可對偏遠地區、受災地區和重要設施進行定向或移動供電，為改善國家電力能源結構和供電方式提供創新方案，具有較高社會效益。空間太陽能電站不產生二氧化碳，因此不會有碳排放，可助力國家實現“碳達峰、碳中和”目標。同時，可提供戰略能源供應，從根本上解決能源和氣候變化危機。

——太空旅行的“充電樁”。可為航天器接續供電，支持太空旅游、制造、探月和小行星資源利用等。理論上使航天器不再依賴太陽能電池翼，并增加功率水平和控制精度。作為深空探測能源系統的候選方案，未來可進行燃料生產和空間加工制造，提升空間制造和空間資源利用能力。

——國際合作的大工程。空間太陽能電站商業運行前期投入和建設難度較大，需要各國齊心協力完成這一大工程。目前，開展相關研究的組織包括國際宇航科學院（IAA）、國際宇航聯合會（IAF）、國際無線電科學聯合會（URSI）等，各國可加強聯系交流，推動建立聯合研究組織，以及政府間合作與協調機構等。

——軍事應用的潛能量。空間太陽能可為衛星之間的能量傳輸、無人機長時飛行提供動力。其發電站平臺的微波或激光發射器，具有成為太空武器的潛力。美國國防部提出，從太空發射超過500萬瓦的波束能量，可能顛覆未來戰場游戲規則。此外，美國空軍正在開展空間太陽能研究，旨在為海外軍事基地提供能源保障。從發展趨勢看，空間太陽能電站有可能引發包括軍事技術在內的全球新技術革命。

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