盼來盼去，中國工程院院士、重慶大學(xué)教授楊士中團隊期待已久的璧山空間太陽能電站實驗基地(以下簡稱璧山基地)終于開工建設(shè)了。團隊骨干專家、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》，該基地預(yù)計年底完工，明年正式開始相關(guān)試驗。前期，他們已在300米高度開展能量傳輸試驗。

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

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

中國科學(xué)院院士王希季曾在香山科學(xué)會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概念。

第一階段的第一步

其實，留給我國專家團隊的時間不多了。

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)兆瓦級小型空間太陽能試驗電站，到2050年具備建設(shè)吉瓦級商業(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。

而楊士中和段寶巖團隊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》介紹，前者依托高空氣球，先建設(shè)浮空平臺，然后再開展微波傳輸原理、關(guān)鍵技術(shù)探索等試驗。

楊士中團隊考慮到目前的技術(shù)水平及條件受限，直接在3.6萬公里的同步軌道做試驗還不現(xiàn)實，就先在平流層建立起一個簡單的太陽能電站。根據(jù)其計劃，第一步先將氣球放到300米低空開展試驗;下一步再讓氣球升到2千米高空;最后，才會將氣球平臺升入平流層中，建立平流層太陽能電站，實現(xiàn)平流層的太陽能收集、儲能，并以微波和激光的方式向無人機充電及地面的應(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米高處有四個半球面的聚光裝置，每個直徑約6.7米。當太陽光射入球形反射面上后，會匯集到一個固定的聚光區(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，兩個團隊的項目同時在2018年12月啟動。其中，西安電子科技大學(xué)的空間太陽能電站系統(tǒng)項目被命名為“逐日工程”。據(jù)媒體報道，璧山基地項目被稱為全國首個空間太陽能電站實驗基地;“逐日工程”被稱為全球首個太陽能電站地面驗證中心。

只是概念嗎

其實，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，正是因為人類對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)險性從而爭議不斷，風(fēng)能、水能的穩(wěn)定性又會受到季節(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，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10~14千瓦。

早在20世紀70年代和90年代，國際上分別發(fā)生幾次能源危機，美國繼而開始資助空間太陽能電站研究項目，并相繼提出多個方案。日本從20世紀80年代開始研究，計劃在2030年完成1吉瓦商業(yè)運行系統(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行充電，但其效率低，因為當衛(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整個航天領(lǐng)域空間技術(shù)的全面進步，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)用場景的微波/激光傳輸能力。

爭議中前行

實際上，空間太陽能電站概念自提出以來就飽受爭議，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估報告。報告樂觀地估計，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》。

空間太陽能電站是一個非常龐大的系統(tǒng)工程，其重量、尺度方面遠超現(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，即使一個小型的兆瓦級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)射所需要的大型運輸火箭、在軌組裝難度等，“不是一個量級”。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)及大功率電推進技術(shù)、空間復(fù)雜系統(tǒng)在軌組裝及維護技術(shù)、大型運載器及高密度發(fā)射技術(shù)、電站系統(tǒng)運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)運行的前期投入和建設(shè)難度巨大，以及國際輿論對空間大功率系統(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。