這項工程，留給我國的時(shí)間不多了！

盼來(lái)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(yáng)能電站實(shí)驗基地（以下簡(jiǎn)稱(chēng)璧山基地）終于開(kāi)工建設了。

團隊骨干專(zhuān)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》，該基地預計年底完工，明年正式開(kāi)始相關(guān)試驗。前期，他們已在300米高度開(kāi)展能量傳輸試驗。

據報道，國際上只有中國、美國、日本等少數幾個(gè)國家真正開(kāi)展空間太陽(yáng)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(kāi)展相關(guān)試驗。

在太空中建設太陽(yáng)能電站，聽(tīng)起來(lái)很科幻，現實(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(yáng)能電站系統需要的關(guān)鍵技術(shù)總結為“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(zhuān)家學(xué)者直呼，建設空間太陽(yáng)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(zhuān)家團隊的時(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(yáng)能電站技術(shù)研討會(huì )上，12位院士和百余位相關(guān)領(lǐng)域專(zhuān)家提出了我國空間太陽(yáng)能電站發(fā)展路線(xiàn)圖。

根據路線(xiàn)圖，2030年開(kāi)始我國將建設兆瓦級小型空間太陽(yáng)能試驗電站，到2050年具備建設吉瓦級商業(yè)空間太陽(yáng)能電站的能力。

其中第一階段又具體分三步，首先開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)的地面及浮空器試驗驗證，其次開(kāi)展高空超高壓發(fā)電輸電驗證，最終開(kāi)展空間無(wú)線(xiàn)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，先建設浮空平臺，然后再開(kāi)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(wàn)公里的同步軌道做試驗還不現實(shí)，就先在平流層建立起一個(gè)簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能電站。

根據其計劃，第一步先將氣球放到300米低空開(kāi)展試驗；下一步再讓氣球升到2千米高空；最后，才會(huì )將氣球平臺升入平流層中，建立平流層太陽(yáng)能電站，實(shí)現平流層的太陽(yáng)能收集、儲能，并以微波和激光的方式向無(wú)人機充電及地面的應急供電。

而后者是一種基于球面線(xiàn)聚焦原理的聚光方案。在西安電子科技大學(xué)校園內，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。

當太陽(yáng)光射入球形反射面上后，會(huì )匯集到一個(gè)固定的聚光區，再通過(guò)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生直流電，隨后轉成微波，通過(guò)****天線(xiàn)傳輸到地面。

“雖然路線(xiàn)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)?！敝僭f(shuō)。

值得一提的是，兩個(gè)團隊的項目同時(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(yáng)能電站系統項目被命名為“逐日工程”。

據媒體報道，璧山基地項目被稱(chēng)為全國首個(gè)空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗基地；“逐日工程”被稱(chēng)為全球首個(gè)太陽(yáng)能電站地面驗證中心。

只是概念嗎

其實(shí)，研究建設空間太陽(yáng)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(yáng)能電站，就是在空間將太陽(yáng)能轉化為電能，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式傳到地面的電力系統。

之所以提出建設空間太陽(yáng)能電站，仲元昌分析，正是因為人類(lèi)對新型清潔能源需求變得越來(lái)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、水能的穩定性又會(huì )受到季節和地理位置的影響。太陽(yáng)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(lái)能源供給的支柱。

“相比于地面太陽(yáng)能電站，空間太陽(yáng)能電站不受大氣衰減、季節晝夜變化及地理位置的影響?！睏钍恐羞M(jìn)一步解釋?zhuān)谖鞅钡貐^，一平方米太陽(yáng)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(wàn)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(kāi)始資助空間太陽(yáng)能電站研究項目，并相繼提出多個(gè)方案。

日本從20世紀80年代開(kāi)始研究，計劃在2030年完成1吉瓦商業(yè)運行系統的技術(shù)線(xiàn)路圖。

段寶巖設想，空間太陽(yáng)能電站未來(lái)可以成為軌道中的“太空充電樁”。

他指出，目前中小衛星需要攜帶太陽(yáng)帆板進(jìn)行充電，但其效率低，因為當衛星旋轉到地球陰影區便無(wú)法充電。

如果有了“太空充電樁”，衛星則不再需要太陽(yáng)帆板，只需要新增一條接收天線(xiàn)，充電時(shí)飛過(guò)去，充完電再飛回來(lái)?！熬拖窦佑驼疽粯??！倍螌殠r形容道。

在仲元昌看來(lái)，研究建設空間太陽(yáng)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，如在軌大型結構制造能力、人類(lèi)利用空間能力以及具有非常多應用場(chǎng)景的微波/激光傳輸能力。

爭議中前行

實(shí)際上，空間太陽(yáng)能電站概念自提出以來(lái)就飽受爭議，具體表現在技術(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(yáng)能電站可行性和前景分析的國際評估報告。

報告樂(lè )觀(guān)地估計，空間太陽(yáng)能電站不僅在技術(shù)上可行，且在未來(lái)30年內也在經(jīng)濟上可行。

但就目前來(lái)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(yáng)能電站的遠距離無(wú)線(xiàn)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，現行的方案多以微波傳輸為主。

“在可預見(jiàn)的十年內，無(wú)線(xiàn)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?！敝锌圃簭V州能源研究所研究員舒杰告訴《中國科學(xué)報》。

空間太陽(yáng)能電站是一個(gè)非常龐大的系統工程，其重量、尺度方面遠超現有航天設施，因此人們將其稱(chēng)為航天和能源領(lǐng)域的“曼哈頓工程”。

例如，即使一個(gè)小型的兆瓦級空間太陽(yáng)能電站的重量，就比現在的國際空間站要大，再考慮到****所需要的大型運輸火箭、在軌組裝難度等，“不是一個(gè)量級”。仲元昌說(shuō)。

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(yáng)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(kāi)結構及控制技術(shù)、空間高效太陽(yáng)能轉化及超****電陣技術(shù)、空間超大功率電力傳輸與管理技術(shù)、無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)、軌道間轉移技術(shù)及大功率電推進(jìn)技術(shù)、空間復雜系統在軌組裝及維護技術(shù)、大型運載器及高密度****技術(shù)、電站系統運行控制及地面接收管理技術(shù)和電站發(fā)展的基礎材料和器件研究。

鑒于空間太陽(yáng)能電站商業(yè)運行的前期投入和建設難度巨大，以及國際輿論對空間大功率系統較為敏感，專(zhuān)家建議，開(kāi)展國際合作是發(fā)展空間太陽(yáng)能電站的重要途徑。

《中國科學(xué)報》 (2021-08-16 第3版 能源化工 原標題為《空間太陽(yáng)能電站：科幻能否成現實(shí)？》)
編輯 | 趙路
排版 | 志海