據(jù)英國《泰晤士報》等媒體報道，為了實現(xiàn)2050年凈零排放的目標，英國政府正在考慮一項提議——在太空中建造一座太陽能發(fā)電站，成本大約160億英鎊（約合1300億人民幣）。我國國家航天局副局長吳艷華日前在接受媒體采訪時表示，我國也在論證是否要建設大型的空間太陽能電站。

那么，空間太陽能電站將如何建造？它有什么優(yōu)勢和缺點？今天我們就來深入了解一下。

什么是空間太陽能電站

空間太陽能電站的概念最初來自科幻小說。美國科幻小說家艾薩克·阿西莫夫在1941年發(fā)表的短篇小說《理性》里，就提到一個從太陽收集能量，并用微波束將能量傳輸給不同行星的空間站。

1968年，美國航空航天工程師彼得·格拉澤首次在學術論文中提出了“太陽能衛(wèi)星系統(tǒng)”的概念，他當時發(fā)表的論文標題是《來自太陽的能量：它的未來》，刊登在1968年2月22日出版的《科學》雜志上。1973年，彼得·格拉澤還成功申請到了美國專利，標題為《將太陽輻射轉換為電能的方法和設備》，介紹了在太空中利用衛(wèi)星收集太陽輻射并轉化為微波能量傳輸?shù)降厍虻姆椒ā?/p>

從那之后，美國、日本、歐洲和我國等國家和地區(qū)的科研機構發(fā)展出了很多在太空中收集太陽能并傳輸?shù)降孛胬玫目茖W概念，國際上一般將這些概念統(tǒng)稱為“基于太空的太陽能電站”，或者叫“空間太陽能電站”。

一般來說，現(xiàn)有的空間太陽能電站概念包括3個要素：能量收集平臺，能量轉換和傳輸過程，能量接收與利用終端。

“能量收集平臺”就是在太空中收集太陽能的航天器，這些航天器可以是在各種軌道上的衛(wèi)星或空間站等。收集能量的手段除了我們大多數(shù)人直觀想到的太陽能電池板（光伏發(fā)電）之外，還有將太陽能直接轉為激光能量的技術路線。當然，更直接的方法是，把太陽光用鏡面反射或聚焦到地球表面，類似于“人造月亮”。俄羅斯在20世紀90年代就開展過名為“旗幟”的一系列“人造月亮”實驗，但效果不甚明顯，后來沒有繼續(xù)深入推進研究。

“能量轉換和傳輸過程”也存在諸多技術路線，討論最多的是用微波或激光的方式，將在太空中收集的太陽光能量轉換成電磁波，然后傳到地球表面。目前，高指向精度的激光傳輸技術已經(jīng)被用于從衛(wèi)星到地面的激光通信，但是激光在大氣層中的傳輸容易受到云層和降水的影響。而利用微波傳送電力的手段相對更加成熟，2015年，日本宇宙航空研究開發(fā)機構和三菱重工就先后宣布成功開展了相關實驗，其中三菱重工將10千瓦的電力通過天線傳到了500米之外，并且在接收裝置上把微波能量還原成電能，點亮了發(fā)光二極管。

“能量接收與利用終端”一般可以認為是地面的接收裝置，當然也可以是飛機、衛(wèi)星甚至月球上需要用電的其他終端?？傮w來看，地面的微波接收裝置（整流天線）周圍的安全是可控的，在地表可以建造圍欄等防止人員進入，在飛機上可以安裝保護性的金屬外殼（法拉第籠）來防止乘客受到微波光束照射，此外還需要控制微波束的功率，防止對鳥類等動物造成傷害。也有研究者擔心長期用微波照射電離層會對大氣環(huán)境產(chǎn)生影響，但是還沒有看到顯著的影響分析。

空間太陽能電站的優(yōu)缺點

如果不考慮建設成本和技術成熟度問題，簡單來看，空間太陽能電站的優(yōu)勢包括以下三點：

一是空間太陽能屬于綠色清潔和可再生的能源。如果空間太陽能電站能夠成熟使用，可以克服化石能源帶來的各種問題，而且不像風電、水電，對地理環(huán)境有特殊要求，也不像核電站需要消耗核燃料、有產(chǎn)生核污染的風險。

二是能源利用效率高。2014年5月，日本宇宙航空研究開發(fā)機構的科學家司理佐佐木在美國電氣電子工程師學會《頻譜》雜志上發(fā)表的文章《太空中總是陽光明媚》對這一點進行了很好的解讀。根據(jù)估算，地球大氣可以反射或者吸收55%—60%的太陽光，而且地面的光伏發(fā)電裝備還要面臨黑夜、陰天、冬季等光照條件不強的環(huán)境。而在太空中，通過調整太陽能電池板的姿態(tài)、設計合適的衛(wèi)星軌道，可以使空間太陽能電站幾乎一天24小時都持續(xù)發(fā)電。

三是可實現(xiàn)超遠距離能量傳輸和調度?？臻g太陽能電站利用無線能量傳輸技術，可以快速將能量聚焦傳輸?shù)狡h的環(huán)境，比如海上、沙漠中等缺乏電網(wǎng)設施的地區(qū)。不僅如此，還可以在飛機、衛(wèi)星、輪船、深空航天器甚至在其他星球上搭載接收微波能量的天線設備，讓這些移動平臺在需要時方便地接收來自太空的微波能量，實現(xiàn)“充電自由”。

但是，空間太陽能電站也面臨不少困難和挑戰(zhàn)，主要有以下三個方面：

一是裝備容易受損和老化。太空環(huán)境非常復雜，環(huán)境輻射強烈，溫度變化劇烈，所以發(fā)電光伏板在太空中的老化速度遠遠超過在地球上的速度（有計算為比地球上老化快7倍左右）。此外，空間太陽能電站需要非常龐大的體積，特別是展開的光伏板或者反射鏡面等，因此更容易受到空間碎片的碰撞。

二是難以組裝、建設和維修。在地面維護和更換太陽能電池板是非常簡單的事，但是在太空中往往需要通過遙控機器人來實現(xiàn)空間太陽能電站的組裝和維修。此前美國曾經(jīng)多次通過航天員的太空行走，實現(xiàn)對哈勃空間望遠鏡（軌道高度在570千米左右）的維修，但是如果在地球同步軌道（3.6萬千米）建設和維修空間太陽能電站，其難度和風險都遠遠超出以往的太空維修任務。

三是微波傳輸可能干擾通信波段。目前，典型的無線能量傳輸設計是利用在1到10GHz頻率范圍內的微波，例如常用的2.45GHz（微波爐的常用頻率）或5.8GHz微波，因為該頻段是大氣微波傳輸?shù)拇翱?，微波能量損耗最小。但是藍牙、無線網(wǎng)絡（WiFi）以及一些特殊的微波通信頻率也在這個范圍內，還有一些天文觀測可能也會針對這個頻段，這樣就可能產(chǎn)生頻譜干擾問題，需要通過管理協(xié)調。

在工程和經(jīng)濟方面的可行性

冷戰(zhàn)時期，美國對空間太陽能電站建設做過許多詳細計算，結論是在經(jīng)濟上不可行，遠不如發(fā)展核電站等性價比高。但是近年來，情況發(fā)生了變化：一是航天發(fā)射的成本降低了，比如美國太空探索技術公司（SpaceX）的可重復使用火箭技術帶來的效果等。二是航天材料技術、微電子技術等飛速進步，讓建設空間太陽能電站所需要的材料重量減輕了，衛(wèi)星支撐結構、天線、鏡面、電池板都更加輕薄，還出現(xiàn)了很多輕量化的創(chuàng)新設計，比如薄膜電池等。三是近年來隨著氣候變化問題日益嚴峻，各國面臨脫碳的現(xiàn)實需求，因此發(fā)展新的能源技術的戰(zhàn)略需求進一步增強了。所以，從需求拉動、技術推動兩個方面來看，空間太陽能電站近年來熱度又有了上升趨勢。

關于可行性問題，2021年9月，英國政府網(wǎng)站上發(fā)布了由英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部委托弗雷澤-納什咨詢公司完成的一項研究報告，總體結論是，空間太陽能發(fā)電在技術上是可行的，到21世紀40年代，用衛(wèi)星星座構建空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)，可以滿足英國大部分的能源需求。該報告通過計算認為，在2040年建設5個空間太陽能并網(wǎng)發(fā)電站，平均發(fā)電成本可以降低至50英鎊/兆瓦時，具有很強的市場競爭力。但是，為了達到這一目標，需要163億英鎊的開發(fā)成本，以及10億英鎊的系統(tǒng)生命周期運行成本。而且考慮到開發(fā)相關技術會面臨巨大的時間成本和風險，私營企業(yè)難以承受，因此需要由國家公共資金來提供資助。這也是《泰晤士報》等媒體報道說英國政府正在考慮投資160億英鎊來建設太空發(fā)電站的信息來源。

我國空間太陽能電站研究進展

根據(jù)葛昌純院士2021年發(fā)表在《中國科學報》上的文章介紹，在國家有關部門支持下，我國從“十一五”正式開始空間太陽能電站研究，目前在系統(tǒng)設計和關鍵技術方面已經(jīng)取得了部分重要成果。

2010年，我國12位院士和百余位相關領域專家曾在中國空間技術研究院舉辦的空間太陽能電站技術研討會上發(fā)布了我國空間太陽能電站發(fā)展路線圖，提出到2030年建設兆瓦級小型空間太陽能試驗電站的“三步走”計劃：首先開展關鍵技術的地面及浮空器試驗驗證，其次開展高空超高壓發(fā)電輸電驗證，最終開展空間無線傳能試驗。該路線圖還提出了到2050年具備建設吉瓦級商業(yè)空間太陽能電站能力的目標。

另據(jù)《中國科學報》2021年8月16日報道，重慶科學城正在建設“璧山空間太陽能電站實驗基地”，將重點進行空間太陽能發(fā)電站、無線微波傳能以及空間信息網(wǎng)等技術的前期演示模擬與驗證。

可以想見，未來如果相關技術進一步成熟，我國從國家層面以更大的力度推進空間太陽能技術的發(fā)展是完全有可能的。