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編者按：
“空間太陽能發(fā)電” ，就是在太空軌道上布置巨大的太陽能電池陣列，把太陽光轉(zhuǎn)換為電能，再通過微波或者激光的形式，把電能傳輸回地球，最后輸送到電網(wǎng)中。一項(xiàng)十分前沿的能源技術(shù)，一旦實(shí)現(xiàn)將改寫現(xiàn)有的能源格局。我國(guó)的目標(biāo)：2008 年，中國(guó)將空間太陽能電站研發(fā)工作納入國(guó)家先期研究規(guī)劃，力爭(zhēng)在 2030 年開始建設(shè)兆瓦級(jí)空間太陽能試驗(yàn)電站，2050 年前具備建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)空間太陽能電站的能力。



美國(guó)在上周末發(fā)射了可重復(fù)使用軌道試驗(yàn)飛行器 X-37B。這次飛行，將執(zhí)行一個(gè)可能對(duì)人類開發(fā)新能源至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：在太空中利用太陽能發(fā)電，向地面?zhèn)骰啬芰浚w行器本身也可不依賴自身攜帶的能源）。

這正是 “空間太陽能發(fā)電” 的概念。

簡(jiǎn)而言之，就是在太空軌道上布置巨大的太陽能電池陣列，把太陽光轉(zhuǎn)換為電能，再通過微波或者激光的形式，把電能傳輸回地球，通過地表的天線接收、整流，最后輸送到電網(wǎng)中。

毫無疑問，這是一項(xiàng)十分前沿的能源技術(shù)，一旦實(shí)現(xiàn)將改寫現(xiàn)有的能源格局。

“人類的終極能源解決方案現(xiàn)在主要有兩個(gè)路徑，一是人造太陽，即可控核聚變，另外則是建設(shè)太陽能空間電站，畢竟人類在地面上利用太陽能這種量大質(zhì)優(yōu)的清潔能源已經(jīng)接近極致。

人類的持續(xù)發(fā)展需要清潔電力，現(xiàn)在使用的煤炭、石油是不可持續(xù)的，而且污染比較大，而目前主要新能源例如風(fēng)能和地面太陽能等不能同時(shí)保證質(zhì)和量這兩點(diǎn)要求。地面太陽能發(fā)電受晝夜、天氣等影響較大，而在地球軌道可以實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)太陽能發(fā)電，不過在軌道上產(chǎn)生的電力只能通過無線傳輸方式傳回地球?？梢哉f，無線輸電技術(shù)決定了未來應(yīng)用空間太陽能清潔電力的發(fā)展。”在接受 DeepTech 采訪時(shí)，中國(guó)空間技術(shù)研究院王立研究員如此介紹。

目前，中國(guó)空間技術(shù)研究院正在推進(jìn)太陽能空間電站項(xiàng)目的研究，王立研究員正是該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一。

頗具科幻色彩的硬核能源技術(shù)

早在 1941 年，科幻小說作家阿西莫夫就曾提出過類似的設(shè)想。1968 年，皮特 · 格拉澤（Peter Glaser）進(jìn)一步提出了太陽能發(fā)電衛(wèi)星的概念，并為此申請(qǐng)了專利。之后的幾十年，經(jīng)過美國(guó)、日本、俄羅斯、歐洲、中國(guó)等多國(guó)的持續(xù)研發(fā)，空間太陽能發(fā)電的技術(shù)原理和理論可行性已經(jīng)得到了充分的論證。

與地面上的常規(guī)太陽能電站相比，空間太陽能電站有以下幾個(gè)理論上的優(yōu)勢(shì)，甚至可以實(shí)現(xiàn)一些我們一直以來夢(mèng)寐以求的愿望：

理論效率高

在地表利用太陽能發(fā)電，很大一部分的太陽能都消耗在了太陽光到達(dá)地球表面的路上。據(jù)估算，地球大氣可以反射或者吸收 55-60% 的太陽光。而如果把太陽能電池放到太空中，太陽光穿越宇宙空間直達(dá)空間太陽能電站，是沒有這個(gè)損耗的。

不過，空間太陽能發(fā)電也有自己的功率損失，例如在地表的接收端，把微波或者激光轉(zhuǎn)化為電能的效率，還遠(yuǎn)不到 100%。

可在夜間發(fā)電

常規(guī)的太陽能電站，中午陽光直射時(shí)發(fā)電量最高，晨昏時(shí)發(fā)電量最低，夜晚就為零了。但太空中就不一樣了。運(yùn)行在軌道上的空間太陽能電站，99% 的時(shí)間里都不會(huì)被地球的影子擋住太陽光，可以一天 24 小時(shí)持續(xù)發(fā)電。而且，通過調(diào)整電池板的姿態(tài)，將其永遠(yuǎn)維持在正對(duì)著太陽的角度，可以讓空間太陽能電站持續(xù)保持最高發(fā)電輸出。

規(guī)模大，甚至可以作為地球的“遮陽傘”

地球上的太陽能電站往往要受制于地形條件的限制，不可能無限制地大下去。但太空中則沒有這樣的限制，空間太陽能電站的總面積可以非常巨大。這樣一來，甚至可以替地表擋住一部分太陽光，減少來自太陽的能量輸入，進(jìn)而降低地球表面的溫度。相當(dāng)于用一把巨大的 “遮陽傘” 來緩解全球氣候變暖，幫助解決這個(gè) 21 世紀(jì)人類面臨的最棘手的問題。

超遠(yuǎn)距離電力調(diào)度

把電力從 “富裕” 的地區(qū)調(diào)度到 “短缺” 的地區(qū)，一直是電網(wǎng)的重要工作。這方面最典型的代表，就是動(dòng)輒跨越神州大地的特高壓超遠(yuǎn)距離輸電線路，把西部的能源輸送到需要用電的東部。但空間太陽能電站，可以直接在太空中把微波或激光反射到最需要電力的地區(qū)，而無需通過電網(wǎng)跨省、甚至跨國(guó)、跨洲調(diào)度，不用再受到電網(wǎng)傳輸能力的限制，甚至，可以把電力輸送到電網(wǎng)很難覆蓋到的地區(qū)。

干預(yù)臺(tái)風(fēng)走向

對(duì)，你沒有聽錯(cuò)，就是那個(gè)人人聞之變色的臺(tái)風(fēng)。人類已經(jīng)可以干預(yù)降雨了，但對(duì)臺(tái)風(fēng)還是束手無策?？臻g太陽能電站卻有可能帶給人類這一超凡的能力。從太空中來這么一大股能量，是可以對(duì)地球大氣產(chǎn)生影響的。理論上，通過調(diào)節(jié)微波的頻率，空間太陽能電站可以對(duì)熱帶氣旋的走向和強(qiáng)度進(jìn)行干預(yù)和調(diào)節(jié)。一旦實(shí)現(xiàn)，中國(guó)東南沿海的臺(tái)風(fēng)、美國(guó)西海岸的颶風(fēng)，都將無法上岸肆虐。

不過，凡事有利就有弊?？臻g太陽能電站提出不是一年兩年了，一直實(shí)現(xiàn)不了還是有原因的。

首先，成本高昂。

對(duì)于現(xiàn)有的技術(shù)水平而言，建設(shè)一個(gè)空間太陽能電站所需的成本是百億、千億級(jí)別的。不論是直接發(fā)射一個(gè)電站上去，還是發(fā)射一個(gè)“太空工廠“，利用 3D 打印等技術(shù)自行在太空中組裝出一個(gè)電站來，發(fā)射成本都太高了；而地面接收電能的裝置也十分巨大、復(fù)雜，成本同樣不容小覷。

其次，技術(shù)挑戰(zhàn)艱巨。

空間太陽能電站的每一個(gè)環(huán)節(jié)，從電站的發(fā)射、控制、維護(hù)，到電能的轉(zhuǎn)換、傳輸、接收，無不充滿技術(shù)挑戰(zhàn)。不過，各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)目前都在取得積極進(jìn)展。X-37B 的這次實(shí)驗(yàn)也是推進(jìn)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目。

第三，安全問題。

太空中滿是隕石、太空垃圾等不受控的飛行物，如果撞到電站，輕則降低發(fā)電量，重則直接報(bào)廢。發(fā)生碰撞也好，電站自己出現(xiàn)故障也罷，所可能產(chǎn)生的碎片都會(huì)變成新的太空垃圾，威脅其它在軌飛行器，比如衛(wèi)星、空間站的安全。

而來自地球表面的威脅則更加恐怖。只有少數(shù)國(guó)家才擁有的反衛(wèi)星武器先不提，無處不在的網(wǎng)絡(luò)攻擊隨時(shí)有可能黑了這么個(gè)重要的能源設(shè)施，把它變成一個(gè)太空武器?？臻g太陽能電站是可以干預(yù)臺(tái)風(fēng)走向的，萬一把傳輸方向從接收站改到敵國(guó)的城市，后果不堪設(shè)想。

就算正常運(yùn)行，其對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響也需要評(píng)估。根據(jù)設(shè)計(jì)建議，空間太陽能電站的微波輻射能量將僅為太陽輻射的 1/4（也就是說，如果人類和其它動(dòng)植物暴露在陽光下是安全的，那么這個(gè)空間太陽能發(fā)電站的微波也就是安全的），但畢竟總能量巨大，對(duì)于生態(tài)環(huán)境會(huì)不會(huì)造成嚴(yán)重的影響尚未可知。

因此，如何保證空間太陽能電站自身的安全，以及其所能影響到的環(huán)境的安全，都是巨大的挑戰(zhàn)。

盡管如此，世界各國(guó)還是對(duì)開發(fā)空間太陽能發(fā)電站充滿了興趣。

美國(guó)早在 1974 年就展開了相關(guān)研究，之后的八十年代和最近的十年，以美國(guó)軍方和航天局為代表的許多項(xiàng)目相繼展開。

這次 X-37B 的發(fā)射，將是這類實(shí)驗(yàn)首次在太空中進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)名為“光伏射頻天線模塊飛行實(shí)驗(yàn)（Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module Flight Experiment，PRAM-FX）”，計(jì)劃將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為頻率是 2.45GHz 的微波，記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)備效率進(jìn)行研究。日本的三菱重工在 2015 年開展實(shí)驗(yàn)，將 10 千瓦的太陽能通過微波傳送到了 500 米以外的地方，證明了技術(shù)的可行性。俄羅斯和歐洲也有類似的計(jì)劃。

中國(guó)計(jì)劃在 2030 年建設(shè)太陽能空間發(fā)電站

X-37B 進(jìn)行的這一實(shí)驗(yàn)讓我們?cè)俅螌⒛抗饩劢沟搅巳祟愒趯?shí)現(xiàn) “空間太陽能發(fā)電” 上的進(jìn)度條。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)早已啟動(dòng)相關(guān)的技術(shù)測(cè)試。

在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)亦有著遠(yuǎn)大的目標(biāo)：2008 年，中國(guó)將空間太陽能電站研發(fā)工作納入國(guó)家先期研究規(guī)劃，力爭(zhēng)在 2030 年開始建設(shè)兆瓦級(jí)空間太陽能試驗(yàn)電站，2050 年前具備建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)空間太陽能電站的能力。

具體實(shí)施上，我國(guó)首個(gè)空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地已經(jīng)在 2018 年 12 月宣布于重慶啟動(dòng)建設(shè)。

王立表示，空間太陽能發(fā)電的核心技術(shù)——微波輸能——多年來已在全球科學(xué)家的努力下于實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證，且各國(guó)實(shí)力相當(dāng)，現(xiàn)階段需要走出實(shí)驗(yàn)室在更大的室外空間進(jìn)行更多實(shí)戰(zhàn)，包括對(duì)傳輸和接收效率的改善，微波對(duì)環(huán)境和人體帶來的具體影響等。而在重慶搭建的實(shí)驗(yàn)基地，有望成為該領(lǐng)域的重要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。

“希望能夠推動(dòng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為新的‘大科學(xué)裝置’，以吸引全球的技術(shù)專家共同加入研究”，王立說。

更多的技術(shù)解讀見以下專訪 QA 內(nèi)容：

DeepTech：美國(guó)空軍這次微波輸送電能的實(shí)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)做太陽能空間發(fā)電站的技術(shù)是相同的嗎？

王立：雖然還不了解實(shí)驗(yàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)，但我認(rèn)為應(yīng)該是差不多的。微波傳送電能和激光傳送電能這兩種技術(shù)都有人在從事研究，它們的原理都是將電能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

在電氣工程誕生的一百多年里，電能都是通過電線傳播的?，F(xiàn)在大家接觸和使用的無線輸能通常是通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)的，也是現(xiàn)在研究進(jìn)展很快而且應(yīng)用最好的，例如日常生活中的手機(jī)無線充電。但是它只能在厘米級(jí)傳輸。麻省理工學(xué)院提出的磁耦合諧振原理可實(shí)現(xiàn)米級(jí)的無線傳能。

用衛(wèi)星往地面?zhèn)鬏旊娔芤话憔嚯x要達(dá)到幾百公里至 36000 公里。上述方法無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線輸能。要實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)距離無線能量傳輸則需要通過微波或者激光等。微波輸能是把電能通過微波器件轉(zhuǎn)化為微波，再天線定向發(fā)射電功率，并定點(diǎn)接收。這兩種技術(shù)差別還是比較大的。

DeepTech：微波輸能技術(shù)現(xiàn)在處于什么階段？

王立：我們認(rèn)為，微波輸能技術(shù)的核心問題是解決微波的空間傳輸（或能量捕獲）效率以及基礎(chǔ)微波器件的轉(zhuǎn)化效率，這包括微波源的轉(zhuǎn)化效率和接收整流器件的效率，前者涉及微波傳輸理論及天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)等非常復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)難題。

現(xiàn)在使用的微波源主要有兩種：一種是速調(diào)管、磁控管和行波管等電真空器件，它的高頻效率也不是太高；另外一種是固態(tài)半導(dǎo)體放大器，目前在 5.8GHz 的效率只有 50%-60%，但隨著材料和器件技術(shù)的發(fā)展，這種器件轉(zhuǎn)化效率的提高速度還是挺快的。

目前世界各研究機(jī)構(gòu)在微波輸能技術(shù)方面的差距不是很大。在通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新和新型天線設(shè)計(jì)提升微波空間傳輸方面，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行研究。

DeepTech：中國(guó)的空間太陽能發(fā)電站規(guī)劃路線圖是什么？

王立：每個(gè)國(guó)家都有自己的空間太陽能發(fā)展路線圖，每隔一段時(shí)間都會(huì)更新路線圖。中國(guó)專家經(jīng)過論證提出的發(fā)展目標(biāo)是 2050 年建設(shè)商用大型的空間太陽能電站，這是一個(gè)遠(yuǎn)期目標(biāo)，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)要分為幾個(gè)階段，首先就是要有一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的電站。我們初步計(jì)劃是在 2030 年前后建設(shè)一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的小型太空發(fā)電站。

DeepTech：達(dá)成 2030 年目標(biāo)的成本？

王立：由于是實(shí)驗(yàn)性電站，所以它的造價(jià)要考慮研究投入和建設(shè)成本兩部分。我們目前提出的傳輸 MW 級(jí)電量的實(shí)驗(yàn)電站重量估算為 200 噸左右，這已經(jīng)是很大的規(guī)模了，可能比現(xiàn)在國(guó)際空間站都大。按現(xiàn)在的發(fā)射成本算的話，它的造價(jià)會(huì)比較大，應(yīng)該是千億數(shù)量級(jí)人民幣。

DeepTech：今年的重點(diǎn)工作是什么？

王立：我們正在和重慶的高校合作，搭建一個(gè)微波輸能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在兩個(gè)山體之間做微波的輸能實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證微波輸能的各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)效果，并研究微波輸能對(duì)環(huán)境的影響，進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)積累。重慶的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是永久性專用實(shí)施，基本上可以長(zhǎng)期開展不同功率、不同頻率的微波輸能全系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，它應(yīng)該比其他地方的實(shí)驗(yàn)條件更好。

我們今年的計(jì)劃是開展一些不同目的的微波輸能演示實(shí)驗(yàn)。這只是第一階段，我們的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是把重慶實(shí)驗(yàn)基地建成國(guó)際級(jí)的微波輸能科研基地。目前還沒有國(guó)家做到這一點(diǎn)，大多研究都是在實(shí)驗(yàn)室中或使用臨時(shí)性場(chǎng)地。

另外，建設(shè)重慶實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也是為了給未來制定無線輸能標(biāo)準(zhǔn)做一些前期準(zhǔn)備。我們認(rèn)為，無線輸能技術(shù)會(huì)重塑現(xiàn)在的能源產(chǎn)業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)的制定需要早于技術(shù)的商業(yè)化實(shí)現(xiàn)。

DeepTech：對(duì)于普通人來說，可想象的微波輸能應(yīng)用場(chǎng)景是哪些？

王立：我們也做過相關(guān)論證，我們認(rèn)為個(gè)人用戶不是微波無線輸能的重點(diǎn)，它更多針對(duì)的可能是物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)充電等應(yīng)用和特殊的高價(jià)值供電情況，如救災(zāi)、重要設(shè)施等。

從目前來看，我們認(rèn)為，如果 2030 年左右能實(shí)現(xiàn)空間太陽能電站發(fā)電，這些能量可能首先還不是用于供給地面的電力系統(tǒng)，而更有意義的是用在支持科學(xué)研究方面，如干預(yù)臺(tái)風(fēng)颶風(fēng)研究等。事實(shí)上每一年的臺(tái)風(fēng)颶風(fēng)都給人類造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。

DeepTech：如何理解“人造太陽“與微波無線輸能這兩種清潔能源技術(shù)路線的關(guān)系？

王立：人類還在核聚變的理論突破的路上，但是空間太陽能發(fā)電沒有理論問題，它更多面臨的是技術(shù)和成本問題。

從實(shí)現(xiàn)上來說空間太陽能電站相對(duì)容易。空間太陽能電站和人造太陽不是替代關(guān)系。空間太陽能電站帶來的最大變化就是無線輸能。無線輸能的影響面更大更寬，它涉及能源獲取和應(yīng)用問題，在人類的科技產(chǎn)業(yè)上會(huì)帶來很多變革機(jī)會(huì)。眾所周知，每一次能源技術(shù)的革命對(duì)人類文明的影響是非常顯著的。



原標(biāo)題：中國(guó)計(jì)劃2030年建太陽能空間發(fā)電站