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(shè)想圖
集成對稱聚光系統(tǒng)空間太陽能電站設(shè)想圖
新聞背景
最近，我國首個空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地在重慶啟動，該基地建成后開展的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，將對我國今后建設(shè)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(xiàng)目的地面驗(yàn)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(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)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(dú)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(zhuǎn)換成電能。其實(shí)，在太空利用太陽能發(fā)電并不新鮮，因?yàn)槟壳按蠖鄶?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(xué)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?yàn)樵诘孛嫔侠锰柲軙艿酱髿獾奈蘸蜕⑸洹⒃朴甑乃p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(nèi)可穩(wěn)定接收太陽輻射，其強(qiáng)度是地面的6倍以上，且能實(shí)現(xiàn)空間向地面進(jìn)行能量的定點(diǎn)傳輸，所以在太空建設(shè)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(zhì)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(yuǎn)地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電和調(diào)節(jié)環(huán)境等方面具有重要的應(yīng)用前景。同時，空間太陽能電站的發(fā)展也將為更為長遠(yuǎn)的月球太陽能電站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
一旦能夠攻克空間太陽能發(fā)電技術(shù)，就有望逐步解決人類社會面臨的能源危機(jī)，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(lǐng)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(guān)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(jì)圈最直接有效可實(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換和發(fā)射裝置，以及地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。
太陽能發(fā)電裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成為電能；能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波或激光等形式（激光也可以直接通過太陽能轉(zhuǎn)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ㄊㄟ^轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能接入電網(wǎng)。
空間太陽能電站的技術(shù)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(zhuǎn)化效率以及相關(guān)的航天技術(shù)取得了很大進(jìn)步，為未來空間太陽能電站的發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。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(shù)方面都有待取得突破性進(jìn)展。例如，要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計出實(shí)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(shù)將所需的組件打印出來，再通過太空機(jī)器人進(jìn)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(zhì)量可達(dá)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(yùn)載、新型材料、高效能量轉(zhuǎn)化器件、超大型航天器結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)、在軌組裝維護(hù)技術(shù)等提出了很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
長期運(yùn)行的安全性也是需要特別重視的問題。盡管從系統(tǒng)設(shè)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(guān)鍵問題：一是如何通過大型運(yùn)載火箭將發(fā)電設(shè)備運(yùn)送至地球同步軌道并組裝發(fā)電；二是如何將電能傳輸?shù)降孛妫蝗侨绾伪Ｕ显O(shè)備運(yùn)行安全和環(huán)境安全。目前這三個問題都還處在基礎(chǔ)性探索中。
應(yīng)用無限可能
空間太陽能電站發(fā)展的核心應(yīng)用目標(biāo)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(yīng)用領(lǐng)域很多。空間太陽能電站對于地面偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電和調(diào)節(jié)環(huán)境等方面具有重要的應(yīng)用前景。空間太陽能電站的發(fā)展也將為更為長遠(yuǎn)的月球太陽能電站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
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(shè)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(chǔ)設(shè)施，覆蓋面非常廣，可以靈活地用于地面移動目標(biāo)的供電和緊急情況下的供電，包括偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島和災(zāi)區(qū)等。
空間太陽能電站也可實(shí)現(xiàn)對可視范圍內(nèi)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(xué)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(jìn)行空間燃料生產(chǎn)以及進(jìn)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(fēng)和龍卷風(fēng)等惡劣氣象的頻繁出現(xiàn)給人類帶來巨大的災(zāi)難。將空間太陽能電站的巨大能量傳輸?shù)烬埦盹L(fēng)所在的區(qū)域，可以改變臺風(fēng)的溫度分布，從而破壞龍卷風(fēng)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(diào)節(jié)的作用。
延伸閱讀
中國空間太陽能電站研究已進(jìn)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(nèi)參與空間太陽能電站的研究團(tuán)隊(duì)在逐漸擴(kuò)大。國防科工局支持了與空間太陽能電站相關(guān)的總體和關(guān)鍵技術(shù)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(shù)等方面取得了一定的成果，同時也帶動了大型空間結(jié)構(gòu)、空間薄膜太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。
中國空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)通過比較國內(nèi)外多種空間電站方案，重點(diǎn)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站方案。此方案得到國際該領(lǐng)域頂級專家的認(rèn)同，并獲2015年世界太陽能衛(wèi)星設(shè)計競賽第一名。
我國在無線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)方面也取得重大進(jìn)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(shí)驗(yàn)基地項(xiàng)目，將在2021年至2025年建設(shè)中小規(guī)模平流層太陽能電站并實(shí)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(guān)工作。空間太陽能電站是一個宏偉的工程，涉及到空間運(yùn)輸、姿態(tài)控制、微波技術(shù)、能量傳輸?shù)仍S多重要的技術(shù)領(lǐng)域，每一步關(guān)鍵技術(shù)都需要有效、安全、可靠的模擬驗(yàn)證方案，實(shí)驗(yàn)基地將起到模擬驗(yàn)證和演示的作用。
當(dāng)前，我國在空間太陽能電站研究方面初步實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”的轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)我國空間太陽能電站目標(biāo)的技術(shù)路線圖：2030年后建設(shè)兆瓦級試驗(yàn)空間太陽能電站，2050年后建設(shè)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(jìn)入世界前列，如能保持并進(jìn)一步加大研發(fā)力度，中國將有望成為世界首個建成有實(shí)用價值空間太陽能電站的國家。