遙遠(yuǎn)太空如何建電站

李振舉 趙輝 胡濱

空間太陽(yáng)能電站（SPS），也稱天基太陽(yáng)能電站（SBSP），是指在太空將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)無(wú)線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。它被認(rèn)為是人類開(kāi)發(fā)利用空間太陽(yáng)能的物理載體?？臻g太陽(yáng)能電站有三大優(yōu)點(diǎn)：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(wěn)定傳輸至地面，適合大規(guī)模開(kāi)放利用。二是能量利用效率高?？臻g太陽(yáng)能利用率可達(dá)1366瓦/平方米，是地面平均太陽(yáng)光照功率的7～12倍。三是可收集時(shí)間長(zhǎng)。在地球同步軌道，99%的時(shí)間內(nèi)可穩(wěn)定接收太陽(yáng)輻射，向地面固定區(qū)域傳輸能量。

為了讓空間太陽(yáng)能電站造福人類，科學(xué)家發(fā)揮聰明才智，提供了多種可謂“腦洞大開(kāi)”的技術(shù)路線。

往事成追憶

1920年，現(xiàn)代宇宙航行學(xué)奠基人之一的蘇聯(lián)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基設(shè)想，可考慮使用巨型太空發(fā)電站收集太陽(yáng)能。這一想法在當(dāng)時(shí)過(guò)于超前，只能成為作家創(chuàng)作科幻小說(shuō)的素材。

1968年，在進(jìn)行微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，彼得·格拉澤博士在《科學(xué)》雜志發(fā)表文章，正式提出“太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星”概念：通過(guò)將兩顆衛(wèi)星送入地球靜止軌道，保證至少有一顆衛(wèi)星被太陽(yáng)照射，另一顆衛(wèi)星進(jìn)行能量傳輸。此文詳細(xì)論述了發(fā)展空間太陽(yáng)能電站的可行性，開(kāi)啟了人類研究開(kāi)發(fā)利用空間太陽(yáng)能的新紀(jì)元。

1973年和1979年，在全球先后兩次爆發(fā)能源危機(jī)的背景下，美國(guó)能源部在國(guó)家航空航天局（NASA）支持下，開(kāi)展空間太陽(yáng)能電站項(xiàng)目研究，“1979基準(zhǔn)系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)由巨型太陽(yáng)電池陣和發(fā)射天線組成，計(jì)劃在太空部署60個(gè)發(fā)電能力為50億瓦的電站。這是第一個(gè)具有參考價(jià)值的工程方案概念。

1983年，日本京都大學(xué)進(jìn)行了“微波-電離層非線性作用試驗(yàn)”，天線口徑1.3米，總發(fā)射功率1250瓦。這是全球首次在電離層進(jìn)行的微波能量傳輸試驗(yàn)，從工程上驗(yàn)證了空間太陽(yáng)能電站能量傳輸?shù)目尚行浴?/p>

1995年，美國(guó)國(guó)家航空航天局開(kāi)展“新面貌”研究，提出“太陽(yáng)塔”技術(shù)概念。這是一組中等規(guī)模、重力梯度穩(wěn)定、微波發(fā)射的太空太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。每顆衛(wèi)星像一朵指向地球的大向日葵，“向日葵”的面是發(fā)射陣列，“莖上的葉子”是太陽(yáng)能收集器。這一方案性價(jià)比高，可在飛行環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。但存在一個(gè)問(wèn)題：反射鏡陣列在中午和午夜時(shí)會(huì)互相遮蔽。這意味著需要更多衛(wèi)星來(lái)收集太陽(yáng)能。

歐洲基于“太陽(yáng)塔”概念，提出“太陽(yáng)帆塔”方案。該方案采用薄膜技術(shù)和重力梯度穩(wěn)定方式，由數(shù)百個(gè)尺寸為150米×150米的太陽(yáng)發(fā)電陣模塊組成。發(fā)電陣沿超導(dǎo)材料制成的中央纜繩兩側(cè)排列成2行或4行，發(fā)出的電流通過(guò)纜繩送到末端的發(fā)射天線。由于無(wú)法保持對(duì)日定向姿態(tài)，該系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的持續(xù)供電。

20世紀(jì)90年代末，NASA啟動(dòng)“空間太陽(yáng)能電站探索性研究和技術(shù)”（SERT）計(jì)劃，提出“集成對(duì)稱激光系統(tǒng)”（ISC）設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)包括200多個(gè)單獨(dú)發(fā)射激光的衛(wèi)星，分為24面鏡和36面鏡版本。每個(gè)反射鏡直徑500米，采用聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將太陽(yáng)電池、微波發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線集成為“三明治”夾層結(jié)構(gòu)板，利用位于桅桿兩側(cè)的薄膜聚光器指向太陽(yáng)，無(wú)需大功率導(dǎo)電滑環(huán)和長(zhǎng)距離電力運(yùn)輸。不足之處是受天氣影響較大，需要準(zhǔn)備多個(gè)地面接收站。

2004年，日本把發(fā)展空間太陽(yáng)能電站列入國(guó)家航天發(fā)展計(jì)劃，將在2030年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，總投資超過(guò)210億美元。

2006年，日本提出繩系式空間太陽(yáng)能電站方案。由一個(gè)大型發(fā)電/傳輸面板組成，面板上方的總線系統(tǒng)懸掛著很多纜線?；窘M成單元為100米×95米的單元板和衛(wèi)星平臺(tái)，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(gè)模塊。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受光照條件變化影響，擺脫了對(duì)巨型光學(xué)系統(tǒng)的依賴，具有較強(qiáng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。

2012年，在NASA創(chuàng)新概念項(xiàng)目支持下，美國(guó)、日本和英國(guó)科學(xué)家提出“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽(yáng)能電站”（SPS-ALPHA）方案。該方案核心是“三明治”結(jié)構(gòu)的微波能量發(fā)射裝置，擴(kuò)展性較強(qiáng)，降低了技術(shù)難度和研制成本。

現(xiàn)實(shí)多崎嶇

中國(guó)空間技術(shù)研究院王希季院士曾說(shuō)過(guò)：空間太陽(yáng)能電站工程巨大，還有很多坎兒要一個(gè)一個(gè)地遵循客觀規(guī)律地邁過(guò)去。

就工程規(guī)模和資金投入而言，空間太陽(yáng)能電站超越了“曼哈頓工程”和“阿波羅登月計(jì)劃”，與之相關(guān)的空間高壓大功率發(fā)電與電力管理技術(shù)，被認(rèn)為是宇航領(lǐng)域科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題之一。

空間太陽(yáng)能電站的核心問(wèn)題在于“聚、傳、建”3個(gè)方面，以目前的技術(shù)能力進(jìn)行建設(shè)，難度較大。因此，空間太陽(yáng)能電站尚處于研發(fā)階段。

所謂“聚”，主要研究采用哪種聚能方式。非聚光空間太陽(yáng)能電站典型代表為“1979基準(zhǔn)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，保持電池陣列對(duì)太陽(yáng)定向，需要大量輸電電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大功率電力傳輸，功率損耗相對(duì)較多。聚光空間太陽(yáng)能電站典型代表為“集成對(duì)稱激光系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用聚光器，將太陽(yáng)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(shù)難度。但系統(tǒng)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(wú)線能量傳輸是空間太陽(yáng)能電站的核心技術(shù)，主要包括微波無(wú)限能量傳輸和激光無(wú)限能量傳輸。微波無(wú)限能量傳輸技術(shù)在世界科技強(qiáng)國(guó)研究較多，其轉(zhuǎn)化和傳輸效率較高、特定頻段穿透性好、安全性強(qiáng);其波束較寬，發(fā)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(wú)線能量傳輸?shù)牟ㄊ?、發(fā)射和接收裝置小、應(yīng)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(wú)線能量傳輸技術(shù)存在成熟度不高、高指向精度實(shí)現(xiàn)難度大、存在安全隱患、傳輸效率易受大氣影響等問(wèn)題。另外，天地之間長(zhǎng)期大功率無(wú)線能量傳輸，也可能對(duì)地球大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境造成無(wú)法預(yù)知的影響。

所謂“建”，主要研究采用哪種組建方式。空間太陽(yáng)能電站在重量、尺度方面，遠(yuǎn)超現(xiàn)有航天設(shè)施。目前國(guó)際空間站重約400噸，而按最小構(gòu)型計(jì)算，一座空間太陽(yáng)能電站至少也要上千噸。將其發(fā)射到3.6萬(wàn)千米高度的地球同步軌道，需要140次航天發(fā)射任務(wù)，且要在2年內(nèi)完成在軌組裝。這意味著在一個(gè)月內(nèi)至少要發(fā)射6次重型火箭，對(duì)已有太空發(fā)射、太空制造、航天器研制等都提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，空間太陽(yáng)能電站設(shè)計(jì)壽命為30年以上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、新技術(shù)應(yīng)用較多，空間環(huán)境可靠性是亟待解決的重要問(wèn)題。地面接收系統(tǒng)需要考慮部件可靠性、系統(tǒng)集成和生物安全等問(wèn)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(yáng)能發(fā)電站面積大約要10～40平方千米，相當(dāng)于數(shù)千個(gè)足球場(chǎng)那么大。

未來(lái)猶可期

空間太陽(yáng)能電站具有功率大、能量傳輸方式靈活等特點(diǎn)，既可成為未來(lái)穩(wěn)定的能量來(lái)源，又可廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度、軍事無(wú)線供電、氣象科學(xué)研究、應(yīng)急救災(zāi)、空間供電、行星探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。

——能源供應(yīng)的新方案。研究空間太陽(yáng)能發(fā)展利用規(guī)劃，開(kāi)展空間太陽(yáng)能電站相關(guān)科學(xué)問(wèn)題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，對(duì)于國(guó)家未來(lái)能源和環(huán)境安全具有重要戰(zhàn)略意義?？蓪?duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)、受災(zāi)地區(qū)和重要設(shè)施進(jìn)行定向或移動(dòng)供電，為改善國(guó)家電力能源結(jié)構(gòu)和供電方式提供創(chuàng)新方案，具有較高社會(huì)效益?？臻g太陽(yáng)能電站不產(chǎn)生二氧化碳，因此不會(huì)有碳排放，可助力國(guó)家實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。同時(shí)，可提供戰(zhàn)略能源供應(yīng)，從根本上解決能源和氣候變化危機(jī)。

——太空旅行的“充電樁”。可為航天器接續(xù)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(yáng)能電池翼，并增加功率水平和控制精度。作為深空探測(cè)能源系統(tǒng)的候選方案，未來(lái)可進(jìn)行燃料生產(chǎn)和空間加工制造，提升空間制造和空間資源利用能力。

——國(guó)際合作的大工程?？臻g太陽(yáng)能電站商業(yè)運(yùn)行前期投入和建設(shè)難度較大，需要各國(guó)齊心協(xié)力完成這一大工程。目前，開(kāi)展相關(guān)研究的組織包括國(guó)際宇航科學(xué)院（IAA）、國(guó)際宇航聯(lián)合會(huì)（IAF）、國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)合會(huì)（URSI）等，各國(guó)可加強(qiáng)聯(lián)系交流，推動(dòng)建立聯(lián)合研究組織，以及政府間合作與協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)等。

——軍事應(yīng)用的潛能量?？臻g太陽(yáng)能可為衛(wèi)星之間的能量傳輸、無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)飛行提供動(dòng)力。其發(fā)電站平臺(tái)的微波或激光發(fā)射器，具有成為太空武器的潛力。美國(guó)國(guó)防部提出，從太空發(fā)射超過(guò)500萬(wàn)瓦的波束能量，可能顛覆未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)游戲規(guī)則。此外，美國(guó)空軍正在開(kāi)展空間太陽(yáng)能研究，旨在為海外軍事基地提供能源保障。從發(fā)展趨勢(shì)看，空間太陽(yáng)能電站有可能引發(fā)包括軍事技術(shù)在內(nèi)的全球新技術(shù)革命。

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