劉慈欣在他的科幻小說《中國太陽》中構(gòu)想了這樣一個裝置：一個在太空中的巨大鏡子，能夠通過反射太陽光調(diào)節(jié)區(qū)域氣候。空間太陽能電站能與之十分類似。隨著中國首個空間太陽能電站實驗基地的落地，這一構(gòu)想正在從科幻作家的腦海中變?yōu)楝F(xiàn)實。

從科幻誕生的概念

空間太陽能電站(SPS)，也稱天基太陽能電站(SBSP)，是指在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。1941年，科幻小說作家艾薩克·阿西莫夫發(fā)表了科幻小說短篇小說《理性》，其中一個空間站用微波光束把從太陽收集的能量傳輸?shù)礁鱾€行星。SBSP(Space-basedsolar power)概念最初被稱為衛(wèi)星太陽能系統(tǒng)，于1968年11月格拉澤(Glaser)博士首次提出，，這一設(shè)想是建立在一個極其巨大的太陽能電池陣的基礎(chǔ)上，由它來聚集大量的陽光，利用光電轉(zhuǎn)換原理達到發(fā)電的目的。所產(chǎn)生的電能將以微波形式傳輸?shù)降厍蛏?，然后通過天線接收經(jīng)整流轉(zhuǎn)變成電能，送入全國供電網(wǎng)。

空間太陽能電站在空間利用太陽能，不受季節(jié)、晝夜變化等的影響，接收的能量密度高，約為1353W/m2，是地面平均光照功率的7～12倍。同時，也基本不受大氣的影響，可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛?，非常適合于太陽能的大規(guī)模開發(fā)利用。在地球同步軌道，99%的時間內(nèi)可以穩(wěn)定接收太陽輻射，向地面固定區(qū)域進行穩(wěn)定的能量傳輸。

不僅如此，空間太陽能電站基于自身的大功率，以及能量多種方式傳輸?shù)撵`活性等特點，不僅成為未來持續(xù)穩(wěn)定的電力來源，并且在電網(wǎng)調(diào)度、軍事無線供電、氣象科學(xué)研究、應(yīng)急救災(zāi)、空間供電、行星探測等多個領(lǐng)域中具有重要的潛在應(yīng)用。劉慈欣筆下的中國太陽的氣候調(diào)節(jié)功能也有望通過空間太陽能電站實現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)微波的頻率，甚至可以調(diào)節(jié)、控制熱帶氣旋的走向和強度，從而徹底解決東南沿海自古以來的臺風(fēng)問題。

各國的空間光伏競賽

美國

1968年，美國格拉澤博士提出空間太陽能電站的構(gòu)想后，美國國家航空航天局(NASA)與美國能源部已經(jīng)在過去30年花費了8000萬美元支持空間太陽能電站概念的研究，并且提出了第一個空間太陽能電站系統(tǒng)方案概念“1979SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”，作為后續(xù)研究的基準(zhǔn)和參考。2012年，在NASA創(chuàng)新概念項目支持下，約翰·曼金斯(JohnMankins)教授提出“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽能電站”(SPS-ALPHA)方案。2015年，美國諾格公司(Northrop Grumman)與加州理工大學(xué)簽署一項3年總額1750萬美元的空間太陽能電站技術(shù)研發(fā)合同，成為近年來空間太陽能電站領(lǐng)域最大的合同。雖然空間太陽能電站未被列入正式的美國國家發(fā)展計劃，但得到了持續(xù)的關(guān)注和發(fā)展。

日本

日本在微波無線能量傳輸技術(shù)的研究和試驗方面處于世界領(lǐng)先地位。2004年，日本正式將發(fā)展空間太陽能電站列入國家航天發(fā)展計劃，2006年，日本東京大學(xué)和神戶大學(xué)聯(lián)合開展“風(fēng)呂敷試驗”(Furoshiki)，進行了空間網(wǎng)狀天線展開、測試微波能量傳輸波束控制及機器人爬行試驗。在日本經(jīng)產(chǎn)省和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)的支持下，日本國家研究機構(gòu)、企業(yè)和高校形成“官產(chǎn)學(xué)”聯(lián)合研究的模式，并規(guī)劃在2030年后建設(shè)商業(yè)化空間太陽能電站，總投資將超過210億美元。其基本原理和美國類似，但日本科學(xué)家采用頻率為2.45GHz和5.8GHz微波傳送，這項技術(shù)在日本已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備。在北海道的研究基地，日本科學(xué)家用直徑2.4m的儀器裝置進行了地面接收太空微波的實驗。

其他地區(qū)

俄羅斯、歐洲航天局(ESA)、國際無線電科學(xué)聯(lián)盟和國際宇航科學(xué)院等研究機構(gòu)也在近年開展了空間太陽能電站的專題技術(shù)研究。2012年，以國際宇航科學(xué)院發(fā)電委員會成員為主的研究團隊完成了《空間太陽能電站—第一次國際評估：機遇、問題及可能的發(fā)展途徑》報告。該報告分析了空間太陽能電站在未來幾十年對于快速增長的豐富的可再生能源方面可能扮演的角色，并且評估了與空間太陽能電站概念相關(guān)的技術(shù)成熟度和技術(shù)風(fēng)險，最終形成了一個可能引導(dǎo)這一遠景概念實現(xiàn)的合理的國際路線圖。歐洲航天局、加拿大、俄羅斯等國及相關(guān)國際組織在該領(lǐng)域真正的投入較少，但非常關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展。

中國：從陪跑到領(lǐng)跑，認真踐行一個50年的計劃

“中國人真正擅長的一件事就是長期思考，與美國的思維不同，他們能把計劃和問題規(guī)劃長達50年之久。”—馬克霍普金斯，國家航天學(xué)會董事會。

就像流浪地球里一樣，中國正在持之以恒的推進這項為期50年的“科幻”計劃。我國自20世紀(jì)末開展空間太陽能電站方案及技術(shù)研究。中國空間技術(shù)研究院在國家民用航天預(yù)研項目支持下，提出了平臺非聚光型空間太陽能電站方案、二次對稱聚光型空間太陽能電站方案和多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站方案。

2013年底，國家國防科工局聯(lián)合國家發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部、原總裝備部、教育部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會等部委，組織開展了空間太陽能電站發(fā)展規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)體系論證工作，系統(tǒng)闡述了我國開展空間太陽能電站項目研究的意義和必要性，提出了分兩個階段進行空間太陽能電站研發(fā)的總體規(guī)劃和技術(shù)路線。建議將兆瓦級電站方案及全系統(tǒng)仿真作為實現(xiàn)規(guī)劃中期目標(biāo)的基礎(chǔ)，同時加大對空間太陽能電站核心關(guān)鍵樣機研制和試驗驗證的投入力度，拓寬支持渠道。

2018年12月6日，我國首個空間太陽能電站實驗基地正式落戶重慶璧山。

該項目以空間能源技術(shù)發(fā)展前沿為引導(dǎo)，開展微波輸能、測控與通信等方向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。計劃在2020年前投資2億進行空間太陽能電站實驗基地及研發(fā)平臺建設(shè)，2025年左右實現(xiàn)中小規(guī)模平流層太陽能電站及并網(wǎng)發(fā)電，2025年后開展大規(guī)?？臻g太陽能電站系統(tǒng)應(yīng)用工作。下一步將是在2030年開始建設(shè)兆瓦級空間太陽能試驗電站。2050年后建設(shè)吉瓦級商業(yè)空間太陽能電站。中國有望成為世界首個建成有實用價值空間太陽能電站的國家。

空間太陽能電站關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議

當(dāng)然，在實現(xiàn)這一個宏大目標(biāo)的路上，仍然有許多的困難需要克服?？臻g太陽能電站作為一個巨大的空間系統(tǒng)，其主要技術(shù)特點是面積大、質(zhì)量大、功率大，其發(fā)展所面臨的核心問題和關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面。

空間超大型可展開結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)

主結(jié)構(gòu)用于支撐整個空間太陽能電站，考慮到姿態(tài)和軌道調(diào)整的要求，主結(jié)構(gòu)應(yīng)保持足夠的剛度。同時，還要充分考慮在軌組裝和在軌維護的需要。

空間高效太陽能轉(zhuǎn)化及超大發(fā)電陣技術(shù)

提高系統(tǒng)的效率、降低質(zhì)量，以及提高電壓和使用壽命是空間太陽能發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。需要發(fā)展高效率、空間環(huán)境適應(yīng)性好的薄膜太陽電池，同時需要發(fā)展在軌展開的超大面積的柔性太陽電池陣。為了減小電力損耗，需要發(fā)展高壓太陽電池陣技術(shù)。

空間超大功率電力傳輸與管理技術(shù)

作為一個超大功率的空間系統(tǒng)，空間太陽能電站系統(tǒng)需要長達數(shù)十km的電力傳輸電纜，為了減小損耗，需要采用超高電壓。同時需要發(fā)展超大功率高效電壓變換技術(shù)以及超大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)等。

無線能量傳輸技術(shù)

功率高、效率高、傳輸距離遠和高精度方向控制是無線能量傳輸?shù)闹饕夹g(shù)特點，超過30年的壽命要求也對無線能量傳輸技術(shù)提出了很高的要求。

軌道間轉(zhuǎn)移技術(shù)及大功率電推進技術(shù)

為了降低運輸?shù)紾EO的成本，初步考慮采用重型運載將載荷運輸?shù)絃EO，利用可在LEO 和GEO 間進行往返運輸?shù)能壍擂D(zhuǎn)移器將載荷運輸?shù)紾EO。為了減少燃料消耗，需要發(fā)展大功率電推進系統(tǒng)，利用多個電推力器的組合實現(xiàn)大型電推進軌道轉(zhuǎn)移器。

空間復(fù)雜系統(tǒng)在軌組裝及維護技術(shù)

空間太陽能電站作為一個宏大的長壽命系統(tǒng)，必須發(fā)展功能強大的在軌組裝及維護技術(shù)，實現(xiàn)大規(guī)模的、復(fù)雜的在軌組裝、在軌維護和燃料補給等。

大型運載器及高密度發(fā)射技術(shù)

空間太陽能電站質(zhì)量達到數(shù)千t以上，再考慮其建設(shè)、維護所需的人員及貨物運輸需求，對于運輸能力、運輸頻率、運輸成本提出巨大的挑戰(zhàn)。

電站系統(tǒng)運行控制及地面接收管理技術(shù)

系統(tǒng)運行控制及地面運行管理主要包括兩方面的內(nèi)容：對整個空問系統(tǒng)狀態(tài)信息的接收和處理以實現(xiàn)運行控制與健康管理;地面大功率電力的接收、調(diào)節(jié)、控制及入網(wǎng)技術(shù)等。

電站發(fā)展的基礎(chǔ)材料和器件研究

為了實現(xiàn)空間太陽能的高效利用和傳輸，且大幅降低空間太陽能電站的整體質(zhì)量、提高系統(tǒng)的壽命，空間太陽能電站發(fā)展需要相關(guān)基礎(chǔ)材料和器件性能的極大提升。

也許在不遠的將來，我們會從新聞里聽到：“中國建成世界首個光伏空間發(fā)電站”的消息，我們不需要像流浪地球一樣，需要一百代人，兩千五百年完成一項計劃，但我們也應(yīng)該銘記，這項50你年的計劃后，是兩代國人的心血和希望。

“誰也不知道中國太陽將飛多遠，水娃他們將看到什么樣的神奇世界……但水娃終究會牢記母親新鄉(xiāng)上的一個叫中國的國度，牢記那個國度西部一片干旱土地上帝一個小村莊，牢記村前的那條小路，他就是從那里啟程的。”-劉慈欣，中國太陽