空間太陽能電站:科幻能否成現(xiàn)實(shí)？

空間太陽能電站概念圖。受訪者供圖

盼來盼去，中國工程院院士、重慶大學(xué)教授楊士中團(tuán)隊(duì)期待已久的璧山空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地(以下簡(jiǎn)稱璧山基地)終于開工建設(shè)了。團(tuán)隊(duì)骨干專家、重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院教授仲元昌告訴《中國科學(xué)報(bào)》，該基地預(yù)計(jì)年底完工，明年正式開始相關(guān)試驗(yàn)。前期，他們已在300米高度開展能量傳輸試驗(yàn)。

據(jù)報(bào)道，國際上只有中國、美國、日本等少數(shù)幾個(gè)國家真正開展空間太陽能電站地面驗(yàn)證。而在我國，除了楊士中團(tuán)隊(duì)外，中國工程院院士、西安電子科技大學(xué)教授段寶巖團(tuán)隊(duì)也在緊鑼密鼓地開展相關(guān)試驗(yàn)。

在太空中建設(shè)太陽能電站，聽起來很科幻，現(xiàn)實(shí)同樣不容易。

中國科學(xué)院院士王希季曾在香山科學(xué)會(huì)議上將空間太陽能電站系統(tǒng)需要的關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)為“聚、傳、建”。而要攻克每一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，難度極大，以至于有專家學(xué)者直呼，建設(shè)空間太陽能電站只是一個(gè)概念。

第一階段的第一步

其實(shí)，留給我國專家團(tuán)隊(duì)的時(shí)間不多了。

早在2010年8月，在中國空間技術(shù)研究院舉辦的空間太陽能電站技術(shù)研討會(huì)上，12位院士和百余位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜姨岢隽宋覈臻g太陽能電站發(fā)展路線圖。

根據(jù)路線圖，2030年開始我國將建設(shè)兆瓦級(jí)小型空間太陽能試驗(yàn)電站，到2050年具備建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)空間太陽能電站的能力。其中第一階段又具體分三步，首先開展關(guān)鍵技術(shù)的地面及浮空器試驗(yàn)驗(yàn)證，其次開展高空超高壓發(fā)電輸電驗(yàn)證，最終開展空間無線傳能試驗(yàn)。

而楊士中和段寶巖團(tuán)隊(duì)目前的工作正處在第一階段的第一步。

仲元昌向《中國科學(xué)報(bào)》介紹，前者依托高空氣球，先建設(shè)浮空平臺(tái)，然后再開展微波傳輸原理、關(guān)鍵技術(shù)探索等試驗(yàn)。

楊士中團(tuán)隊(duì)考慮到目前的技術(shù)水平及條件受限，直接在3.6萬公里的同步軌道做試驗(yàn)還不現(xiàn)實(shí)，就先在平流層建立起一個(gè)簡(jiǎn)單的太陽能電站。根據(jù)其計(jì)劃，第一步先將氣球放到300米低空開展試驗(yàn);下一步再讓氣球升到2千米高空;最后，才會(huì)將氣球平臺(tái)升入平流層中，建立平流層太陽能電站，實(shí)現(xiàn)平流層的太陽能收集、儲(chǔ)能，并以微波和激光的方式向無人機(jī)充電及地面的應(yīng)急供電。

而后者是一種基于球面線聚焦原理的聚光方案。在西安電子科技大學(xué)校園內(nèi)，一座巨大的三角形塔拔地而起。在塔中心，距離地面55米高處有四個(gè)半球面的聚光裝置，每個(gè)直徑約6.7米。當(dāng)太陽光射入球形反射面上后，會(huì)匯集到一個(gè)固定的聚光區(qū)，再通過太陽能電池產(chǎn)生直流電，隨后轉(zhuǎn)成微波，通過發(fā)射天線傳輸?shù)降孛妗?/p>

“雖然路線不同，但目的都是測(cè)試微波傳輸原理及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。”仲元昌說。

值得一提的是，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目同時(shí)在2018年12月啟動(dòng)。其中，西安電子科技大學(xué)的空間太陽能電站系統(tǒng)項(xiàng)目被命名為“逐日工程”。據(jù)媒體報(bào)道，璧山基地項(xiàng)目被稱為全國首個(gè)空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地;“逐日工程”被稱為全球首個(gè)太陽能電站地面驗(yàn)證中心。

只是概念嗎

其實(shí)，研究建設(shè)空間太陽能電站的國家不僅只有中國，這一概念最早由美國科學(xué)家在1968年提出。所謂空間太陽能電站，就是在空間將太陽能轉(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)。

之所以提出建設(shè)空間太陽能電站，仲元昌分析，正是因?yàn)槿祟悓?duì)新型清潔能源需求變得越來越迫切。但在新型清潔能源中，核能因其具有高風(fēng)險(xiǎn)性從而爭(zhēng)議不斷，風(fēng)能、水能的穩(wěn)定性又會(huì)受到季節(jié)和地理位置的影響。太陽能由于具有總量巨大，且具有取之不盡的優(yōu)勢(shì)，可成為未來能源供給的支柱。

“相比于地面太陽能電站，空間太陽能電站不受大氣衰減、季節(jié)晝夜變化及地理位置的影響。”楊士中進(jìn)一步解釋，在西北地區(qū)，一平方米太陽能電池可產(chǎn)生0.4千瓦電，而在日照較少的重慶，僅產(chǎn)生0.1千瓦電。但在距離地球表面約3.6萬公里的地球同步軌道上，發(fā)電功率可達(dá)10~14千瓦。

早在20世紀(jì)70年代和90年代，國際上分別發(fā)生幾次能源危機(jī)，美國繼而開始資助空間太陽能電站研究項(xiàng)目，并相繼提出多個(gè)方案。日本從20世紀(jì)80年代開始研究，計(jì)劃在2030年完成1吉瓦商業(yè)運(yùn)行系統(tǒng)的技術(shù)線路圖。

段寶巖設(shè)想，空間太陽能電站未來可以成為軌道中的“太空充電樁”。他指出，目前中小衛(wèi)星需要攜帶太陽帆板進(jìn)行充電，但其效率低，因?yàn)楫?dāng)衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)到地球陰影區(qū)便無法充電。如果有了“太空充電樁”，衛(wèi)星則不再需要太陽帆板，只需要新增一條接收天線，充電時(shí)飛過去，充完電再飛回來。“就像加油站一樣。”段寶巖形容道。

在仲元昌看來，研究建設(shè)空間太陽能電站更重要的意義是可帶動(dòng)整個(gè)航天領(lǐng)域空間技術(shù)的全面進(jìn)步，如在軌大型結(jié)構(gòu)制造能力、人類利用空間能力以及具有非常多應(yīng)用場(chǎng)景的微波/激光傳輸能力。

爭(zhēng)議中前行

實(shí)際上，空間太陽能電站概念自提出以來就飽受爭(zhēng)議，具體表現(xiàn)在技術(shù)、成本、安全上。

早在2011年，國際宇航科學(xué)院發(fā)布首份空間太陽能電站可行性和前景分析的國際評(píng)估報(bào)告。報(bào)告樂觀地估計(jì)，空間太陽能電站不僅在技術(shù)上可行，且在未來30年內(nèi)也在經(jīng)濟(jì)上可行。

但就目前來看，技術(shù)上是否可行，科學(xué)界還存在質(zhì)疑。

例如，空間太陽能電站的遠(yuǎn)距離無線能量傳輸載體有微波和激光兩種，相較而言，微波的能量傳輸效率更高、云層穿透損耗低、安全性較好，而且技術(shù)相對(duì)成熟。因此，現(xiàn)行的方案多以微波傳輸為主。

“在可預(yù)見的十年內(nèi)，無線遠(yuǎn)距離能量傳輸這一核心關(guān)鍵技術(shù)難以取得重大突破。”中科院廣州能源研究所研究員舒杰告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

空間太陽能電站是一個(gè)非常龐大的系統(tǒng)工程，其重量、尺度方面遠(yuǎn)超現(xiàn)有航天設(shè)施，因此人們將其稱為航天和能源領(lǐng)域的“曼哈頓工程”。例如，即使一個(gè)小型的兆瓦級(jí)空間太陽能電站的重量，就比現(xiàn)在的國際空間站要大，再考慮到發(fā)射所需要的大型運(yùn)輸火箭、在軌組裝難度等，“不是一個(gè)量級(jí)”。仲元昌說。

中國空間技術(shù)研究院研究員王立等人分析提出了空間太陽能電站發(fā)展需要的9項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括空間超大型可展開結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)、空間高效太陽能轉(zhuǎn)化及超大發(fā)電陣技術(shù)、空間超大功率電力傳輸與管理技術(shù)、無線能量傳輸技術(shù)、軌道間轉(zhuǎn)移技術(shù)及大功率電推進(jìn)技術(shù)、空間復(fù)雜系統(tǒng)在軌組裝及維護(hù)技術(shù)、大型運(yùn)載器及高密度發(fā)射技術(shù)、電站系統(tǒng)運(yùn)行控制及地面接收管理技術(shù)和電站發(fā)展的基礎(chǔ)材料和器件研究。

鑒于空間太陽能電站商業(yè)運(yùn)行的前期投入和建設(shè)難度巨大，以及國際輿論對(duì)空間大功率系統(tǒng)較為敏感，專家建議，開展國際合作是發(fā)展空間太陽能電站的重要途徑。