空間太陽能電站建設(shè)：難題不少 前景廣闊

文/武苑

▲集成對稱聚光系統(tǒng)空間太陽能電站設(shè)想圖。圓盤形太陽電池陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，集中到朝向地面的發(fā)送設(shè)備上，以微波形式發(fā)送到固定的地面微波接收站

前不久，我國首個(gè)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、改變傳統(tǒng)能源傳輸方式、破解能源供給難題等產(chǎn)生重大意義。

另外，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？

前景十分廣闊

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?，F(xiàn)在，科學(xué)家又想在太空建造太陽能電站了。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。

可再生清潔能源是人類社會賴以生存和持續(xù)發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，地面太陽能、風(fēng)能、水能、核能、海洋能、地?zé)崮芎蜕锬艿刃履茉炊即嬖诳偭渴芟耷也环€(wěn)定等問題，還難以大規(guī)模替代傳統(tǒng)化石能源的地位。

太陽是地球和整個(gè)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朴暌约凹竟?jié)、晝夜更替的影響衰減很多，能量密度變化也巨大，很不穩(wěn)定。

然而在太空中太陽能卻非常充裕。比如，在地球同步軌道，由于太陽光線不會被大氣減弱，陰影期很短，其強(qiáng)度是地面的6倍以上，且可以實(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，可有效地利用此軌道上的太陽能，為人類提供優(yōu)質(zhì)的、巨大的和用之不竭的清潔能源。

與風(fēng)電、水電相比，空間太陽能電站不受天氣和地區(qū)緯度等自然因素影響，可以大規(guī)模收集、轉(zhuǎn)換和利用太陽能，發(fā)電量與地面核電站相當(dāng)。不僅如此，其電能通過無線方式傳輸，可對偏遠(yuǎn)地區(qū)、受災(zāi)地區(qū)以及重要設(shè)施等進(jìn)行定向供電或移動供電，其延伸的無線輸能、無線通信等相關(guān)技術(shù)能廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。據(jù)悉，如果將太陽能電站發(fā)射到距離地球3.6萬公里的地球同步軌道，其獲取的能量效率將是地面光伏電站的35倍。

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(shí)空間太陽能電站在地面偏遠(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(shí)，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。

三大組成部分

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輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。它是開發(fā)利用空間資源的重要手段，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。

▲日本空間太陽能電站方案之一

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ㄊㄟ^轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能接入電網(wǎng)。整個(gè)過程將經(jīng)歷太陽能—電能—微波（激光）—電能，或太陽能—激光—電能的能量轉(zhuǎn)變過程。

目前的研究表明，空間太陽能電站的理想軌道應(yīng)選擇在地球上空3.6萬公里的地球同步軌道。地球同步軌道相對于地面靜止且距地球較近，99%的時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定接收太陽輻射，向地面固定區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳輸，控制和傳輸電能都相對方便很多，而且可以隨時(shí)傳輸。

▲由大量太陽電池陣組成的塔式空間太陽能電站設(shè)想圖

▲空間太陽能電站系統(tǒng)組成示意圖

▲任意相控陣太空發(fā)電站

空間太陽能電站在技術(shù)原理上已沒有太大問題。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(gè)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公里來計(jì)算。

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，比開發(fā)月球氦3的難度要小得多。

幾種典型方案

空間太陽能電站需要解決三個(gè)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?；三是如何保障設(shè)備運(yùn)行安全和環(huán)境安全。現(xiàn)在，這三個(gè)問題都還處在基礎(chǔ)性探索中。

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(jì)出實(shí)用的空間太陽能電站有較高的借鑒參考價(jià)值。例如：

集成對稱聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。這種方案采用位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽能反射到兩個(gè)位于中央的光伏陣列。聚光器面向太陽，桅桿、電池陣、發(fā)射陣作為一體，旋轉(zhuǎn)對地。聚光器與桅桿間相互旋轉(zhuǎn)維持每天的軌道變化和季節(jié)變化。

任意相控陣設(shè)計(jì)方案。這種方案的核心思想還是聚光式空間太陽能電站，重要的是采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，并且創(chuàng)新性地提出了無需控制的聚光系統(tǒng)概念（該聚光系統(tǒng)的有效性還有待進(jìn)一步分析），對于控制系統(tǒng)的壓力大大減小。整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量約為10000～12000噸。

激光空間太陽能電站是空間太陽能電站概念發(fā)展的另外一個(gè)重要方向。它采用太陽聚光鏡（如拋物面）或透鏡（如菲涅耳） 進(jìn)行太陽光高聚光比聚焦，聚集的太陽光發(fā)送到激光發(fā)生器，利用直接泵浦激光方式產(chǎn)生激光，激光擴(kuò)束后傳輸?shù)降孛?，地面可以采用特定的光伏電池接收轉(zhuǎn)化為電力，或者直接用于制氫。

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(gè)工業(yè)級的太陽能發(fā)電站達(dá)到上千噸，靠從地面發(fā)射來建造空間太陽能電站幾乎是不可能的。所以，有專家提出，太陽能發(fā)電最主要的部件是電池板，其原料是二氧化硅，而這是月球上隨處可見取之不盡的資源；月球極地和地月空間的小行星上有水，可以電解成氧氣和氫氣，作為航天器的推進(jìn)劑。這兩個(gè)條件結(jié)合起來，使在地月空間建造太陽能電站成為可能。

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。

面臨巨大挑戰(zhàn)

▲聚光式空間太陽能電站方案

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)。

成本問題是制約空間太陽能電站發(fā)展的主要因素，規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化對于現(xiàn)有的航天器制造和發(fā)射能力提出巨大的挑戰(zhàn)，將需要現(xiàn)有航天工業(yè)生產(chǎn)體系發(fā)生根本性變革。長期運(yùn)行的安全性也是需要特別重視的問題。雖然空間太陽能電站功率很大，但如果采用微波能量傳輸模式，由于距離遠(yuǎn)，根據(jù)微波傳輸特性，實(shí)際接收天線的能量密度較低。盡管從系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。

空間太陽能電站發(fā)展的核心問題是降低系統(tǒng)面積。其面積主要由兩部分決定，一是太陽能發(fā)電部分的面積，即太陽能電池陣面積或聚光器面積。不論是否采用聚光的形式，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率都是減小太陽能發(fā)電部分面積最有效的措施。二是微波發(fā)射天線面積，在選定的軌道和微波頻率下，微波發(fā)射天線面積與地面接收面積成反比，需要優(yōu)化確定發(fā)射天線的面積。

另外，降低系統(tǒng)質(zhì)量、降低系統(tǒng)的收攏體積，傳輸通道的技術(shù)性、安全性等問題也很重要。

中國空間太陽能電站建設(shè)路線圖

中國十分重視空間太陽能電站的發(fā)展。

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?！笆濉币詠?，國內(nèi)參與空間太陽能電站的研究團(tuán)隊(duì)在逐漸地?cái)U(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(shí)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(MR-SSPS)方案。該方案將太陽電池陣分解為多個(gè)電池子陣，并將傳統(tǒng)非聚光型太陽能電站單一導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)化為多個(gè)較小功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，不僅解決了極大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和單點(diǎn)失效的技術(shù)難題，同時(shí)更易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的組裝構(gòu)建。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(jì)競賽第一名。

▲系繩式太陽電站方案。由于沒有運(yùn)動部件，所以具有高健壯性和穩(wěn)定性，無需主動熱控系統(tǒng)

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，主要研究方向包括：微波源效率、壽命和功質(zhì)比的提升，優(yōu)化大口徑天線上的功率分布以實(shí)現(xiàn)高效微波功率合成，高精度波束控制中考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)型和實(shí)時(shí)形狀位置狀態(tài)等因素對波束指向的影響，從機(jī)電熱綜合的角度發(fā)展一體化超輕天線模塊。

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—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)?？臻g太陽能電站系統(tǒng)相關(guān)工作。空間太陽能電站是一個(gè)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)基地就將起到模擬驗(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。