中國要建空間太陽能電站，有哪些難點？
【文/觀察者網 呂棟 編輯/周遠方】
鑑於電磁感應式的無線充電已無法勾起手機消費者的好奇心，年初有終端廠商推出所謂“隔空充電”技術，通過空間定位和隔空能量傳輸，可實現數米半徑內單設備5瓦“遠距離充電”，並將其稱為劃時代的“硬核科技”。
某硬件廠商的隔空充電技術
如果在數米範圍內給手機進行“隔空充電”，被稱為“硬核科技”。那毫無疑問，在距離地面3.6萬公里高度的地球同步軌道上給高速公路上的電動汽車充電，只能被稱為“科幻”了。
空間太陽能電站概念圖
考慮到在太空中利用太陽能發電，效率高、持久、清潔，不受季節、晝夜變化影響，甚至還能作為深空探測器能源系統的候選方案，中國科學家正努力將這種科幻片中的情節變為現實。
今年6月，全國首個空間太陽能電站實驗基地在“霧都”重慶開工建設，由於目前技術水平和條件有限，該項目計劃未來先在平流層建立起一個太陽能電站，試驗收集太陽能並通過無線能量傳輸方式向地面提供持續電力的發電系統。該基地預計年底建成，明年開始相關實驗。
與此同時，西安也在開展空間太陽能發電相關試驗，當地正在建設全球首個空間太陽能電站地面驗證中心，其團隊帶頭人段寶巖此前曾負責500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）的總體設計。
儘管空間太陽能電站的設想最早由美國提出，但目前只有中國正在建設基地進行地面驗證，而且重慶和西安兩個基地也是在經過十幾年的研討和論證後才真正開工，凸顯出空間太陽能電站的建設難度。
觀察者網梳理發現，要真正建成被稱為“太空三峽”的空間太陽能電站，目前還有諸多難題待解。
首先，大功率、遠距離無線傳能技術是必須跨越的難關，而且波束要指向規定的接收口徑，讓誤差儘可能縮小；其次，比空間站重的多的電站組件，要被髮射到3.6萬公里高度的地球同步軌道上，並且完成在軌組裝；第三；重型火箭密集發射將帶來巨大的成本問題；第四，電站在太空中長期運行的安全問題，以及向地面傳輸輻射對生態、生物體會造成多大影響；此外，電站建設對新材料、高效能量轉化器件、超大型航天器結構及控制技術等都提出挑戰。
不過，雖然困難重重，但支持建設電站的科學家仍保持樂觀。今年5月，中科院院士葛昌純撰文指出，可控核聚變目前仍處於基礎科學研究有待突破的階段，而空間太陽能電站不存在基礎科學問題，雖然工程規模巨大，但相關技術經過持續研發是能夠在一定時間內取得重要突破的。空間太陽能電站的發展將極大地帶動低成本運載、空間大規模建造等空間前沿技術的跨越式發展。
空間太陽能電站概念圖 圖片來源：《中國科學報》
“霧都”中的空間太陽能電站實驗基地
自1969年世界上第一座太陽能發電站在法國建成，人類掌握太陽能發電技術已超過60年。但目前太陽能在地面的利用效率並不高，因為太陽輻射在穿越大氣層時，可能遭遇雲、霧、雨、雪等各種天氣，能量密度波動較大，很不穩定。
例如，位於中國西南部的直轄市——重慶，受地理環境影響，年平均霧日為104天，素有“霧都”之稱。而位於重慶西部的璧山區雲霧山全年霧日多達204天，堪稱“世界之最”。
在這樣的地方進行太陽能發電，顯然不是明智之舉。
但很快，重慶將擁有一項關於“太陽能革命性技術”的實驗設施。6月20日，重慶市政府網站發佈消息稱，全國首個空間太陽能電站實驗基地在璧山區正式開工建設（下稱：璧山基地），該基地將重點進行空間太陽能發電站、無線微波傳能以及空間信息網等技術的前期演示模擬與驗證等。
據重慶經信委介紹，璧山基地選址於璧山區福祿鎮和平村，地形三面環山，所在地區具有氣候濕潤、無霜期長、日照多、雲霧陰雨少等特點，可以保障實驗順利進行。
重慶市政府網站截圖
空間太陽能電站的技術原理並不複雜，就是在地球軌道上建立一個電站收集太陽能，並通過無線能量傳輸方式向地面提供持續電力的發電系統。這種發電方式不受晝夜、天氣、地區緯度等自然因素影響，其電能通過無線方式傳輸，延伸的無線輸能、無線通信等相關技術還可廣泛應用於軍事和民用領域。
開工兩個月後，重慶璧山基地傳出新消息。8月16日，中科院主管的《中國科學報》報道稱，璧山基地預計年底完工，明年正式開始相關試驗。該基地的技術負責人名叫楊士中，他同時是中國工程院院士、重慶大學通信與測控研究所所長。
對於建設空間太陽能發電站的好處，楊士中如數家珍。他曾向外界列舉數據稱，在日照充足的中國西北地區，一平方米的光伏電池可產生0.4千瓦電力，在“霧都”重慶，僅為0.1千瓦。而在距離地球表面約3.6萬公里高度的地球同步軌道上，發電功率可高達10千瓦-14千瓦。
與此同時，在重慶700公里之外的西安，中國工程院院士、西安電子科技大學教授段寶巖團隊也在開展空間太陽能發電相關試驗，他們正在建設全球首個空間太陽能電站地面驗證中心。段寶巖被外界視為中國天線方面的頂尖專家，此前曾負責500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）的總體設計。
位於璧山高新區的無線能量傳輸及環境影響科學工程項目效果圖 璧山高新區供圖
實驗基地能夠開工，肯定在科學界獲得了支持。
今年5月11日，中國粉末冶金奠基人之一、中科院院士葛昌純撰文指出，中國可再生能源開發規模居世界首位，但由於可再生能源的不穩定性，實際發電量佔比僅為23.6%。在大規模儲能技術取得重大突破之前，僅依靠地面可再生能源取代傳統化石能源，提供持續穩定的能源供給還不現實。
他認為，太陽光在太空中不會被大氣減弱，也不受季節、晝夜變化影響，可以通過無線能量傳輸方式向地面提供連續、穩定的清潔能源。而在太空建設太陽能電站是實現太陽能大規模穩定利用的重要方式，也將成為解決未來能源和環境問題的主要戰略選擇之一。
今年3月，全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩指出，空間太陽能電站發展的核心應用目標，是為地面提供大規模商業化的電力供給。如果中國建成空間太陽能電站，電動汽車或能隨時隨地充電，不再有“斷糧”之憂。
而中國航天科技集團五院研究員王立認為，與化石能源相比，空間太陽能是一種高效、持久、清潔的能源。在宇宙運行的空間太陽能電站可以大規模收集、轉化太陽能，並以無線方式將電能穩定傳輸到地面電網，發電量與地面核電站相當。
中科院官網截圖
“遠距離無線傳能技術”是難關
發電效率高、持久、清潔，不受季節、晝夜變化影響，甚至還能作為深空探測能源系統的候選方案，使航天器擺脱巨大的太陽能電池翼……空間太陽能發電這種“顛覆性技術”，國內十幾年前便已展開討論。
2006年，中國航天科技集團公司組織空間太陽能電站概念研討會；2011年，王希季、閔桂榮、周炳琨、梁思禮和龍樂豪等多位院士專家提出“發展空間太陽能電站從根本上解決能源和氣候變化危機的建議”。
2014年，國家層面組織專家開展“太空發電站發展規劃及關鍵技術體系”論證工作，並提出中國空間太陽能電站發展路線圖：
第一階段是在2030年左右建設兆瓦級空間太陽能試驗電站，實現應急供電並開展科學研究；第二階段是在2050年前具備建設吉瓦級商業化空間太陽能電站的能力，滿足國家可持續發展對能源安全的戰略需求。其中第一階段，又分三步走。首先進行關鍵技術的地面及浮空器試驗驗證；其次是進行高空超高壓發電輸電驗證；最終進行空間無線傳能試驗。
經過十幾年的討論，技術原理早已不是問題，路線圖也早就提出，為什麼現在才開始建設實驗基地？主要還是因為空間太陽能電站真正建設起來難度較高，投入成本巨大，因此是否應當發展空間太陽能電站在國內也存在很大爭議。
空間太陽能電站概念圖
空間太陽能電站的難點之一是無線傳輸能量技術。
“大功率空地能量傳送？一個失誤就是燒烤現場。”曾有網友如此評論道。
調侃歸調侃。按照設計構想，中國空間太陽能電站將距地面3.6萬公里，位於地球的同步軌道上，屬於高軌道。而大多數衞星、空間站都在近地軌道上，例如國際空間站一般在距地表300多公里的軌道上運行。而空間太陽能電站的高度是空間站的100多倍。在這樣的高度上進行能量傳輸，難度可想而知。
據《中國新聞週刊》報道，楊士中團隊今年8月曾對外表示，太空電站的關鍵，在於將電從太空以無線的方式穩定地傳輸到地面電網，因此大功率、遠距離無線傳能技術的突破是一個必須跨越的難關，比如傳輸效率是否足夠大，波束是否指向規定的接收口徑，讓誤差儘可能縮小。這些技術都要先在浮空平台上做試驗，為今後真正的空間太陽能電站打下基礎。
目前，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解決方案。相較而言，微波的能量傳輸效率更高，雲層穿透損耗低，安全性較好，且技術相對成熟，因此現行方案多以微波傳輸為主。
長征八號火箭發射
空間太陽能電站的難點之二，是如何將電站組件發射到3.6萬公里高度的地球同步軌道上。目前，人類最大的航天器——國際空間站重400多噸，而一個工業級空間太陽能發電站重達上千噸。因此，專家們也將空間太陽能電站稱為航天與能源領域的“曼哈頓工程”。
2019年6月，由國防科技工業局主管的中國航天基金會發文指出，中國目前在研的長征9號重型運載火箭起飛推力達5873噸，最大起飛重量4137噸，能將140噸有效載荷送入近地軌道，同時具備50噸級地球同步軌道運力。以空間太陽能電站最小構型計算也需要發射至少140次，而且需要在兩年週期內完成在軌組裝，任務要求在一個月內至少發射六次重型火箭，不論是發射難度還是發射成本都無法接受。
中國航天基金會官方微信截圖
不僅如此，還要考慮到空間太陽能電站的在軌組裝難度。目前，空間站由幾個艙段構成，組裝時操作太空機械臂就可以實現，接口的控制也不須考慮過多。而太空電站需要組裝大量的模塊，組裝時再採用空間自主交會對接方式將十分麻煩。
長期運行的安全性也是重要問題。首先是設備在太空中的運行安全問題，其次是微波輻射下對生態、大氣、生物體等的影響問題。8月17日，《南華早報》援引北京交通大學一個研究小組去年的一項研究，稱居民無法居住在距離1吉瓦空間太陽能電站地面接收站5公里範圍內。
另外，不得不考慮的還有空間太陽能電站的成本問題。中國三峽水電站的總裝機容量是2250萬千瓦，截至2019年完工時，累計完成投資1849億元。而被稱作“太空三峽”的空間太陽能電站，按路線圖2050年前具備吉瓦級（百萬千瓦）發電能力，被傳總投資約3000億元，但真正投資數額目前還無法得知。
不過，中國航天基金會發文稱，長征9號的運載能力有望大幅提升，我國在立項階段就設定了三種型號，分別為拓展型，增強型和熱核型，其中熱核型為核動力推進裝置，能將運載能力直接翻倍，空間太陽能電站的發射次數也減為70次左右，未來再加上火箭回收技術，其發射成本將會大幅下降。
在部分科學家看來，雖然“太空三峽”投入成本巨大，但收益也十分可觀。中科院院士葛昌純撰文稱，空間太陽能電站的發展將極大地帶動低成本運載、空間大規模建造等空間前沿技術的跨越式發展，為中國進一步和平利用太空、開發空間資源開闢新的空間，推動航天強國夢早日實現。
空間太陽能電站概念圖
“太空三峽”實驗基地邁出第一步
隨着璧山基地開工，中國探索空間太陽能發電技術也算是邁出實質性一步。
官方信息顯示，璧山基地項目首期投資約1億元，總佔地面積約200畝。該基地的開工，也標誌着重慶重大科技基礎設施項目——無線能量傳輸及環境影響科學工程項目正式開建，該項目總投資約26億元。
按照設想，空間太陽能電站所發的電，將通過微波傳輸送回地球。建設璧山基地，就是為了微波傳輸的前期演示模擬和驗證。
據重慶經信委介紹，璧山基地選在一個山凹中建設，在周圍的山頂上搭建起四座鐵塔，用鋼索將發送升空的航空氣球和地面連接，進行微波傳輸的實驗。目前航空氣球已準備就緒，只待基地建成就可以開始一系列實驗工作。
圖為璧山空間太陽能實驗基地項目鳥瞰圖 圖片來源：重慶經信委官微
而據《中國科學報》報道，楊士中團隊考慮到目前的技術水平及條件受限，直接在3.6萬公里的同步軌道做試驗還不現實，將先在平流層建立起一個簡單的太陽能電站。根據其計劃，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；最後，才會將氣球平台升入平流層中。
在組件發射方面，中國科學院院士、中國航天科技集團科技委主任包為民透露，璧山基地將使用太空製造技術。太空製造不僅包括太空組裝技術，還包括太空3D打印技術。在太空3D打印技術的加持下，材料能做到極度輕量化，才可能實現利用火箭將它們送往太空。
從目前進度來看，璧山基地有所延期。據重慶經信委介紹，按照2018年的最初規劃，2019-2020年為璧山基地建設期，2021-2025年將建設中小規模平流層太陽能電站並實現併網發電；2025年後開始大規模空間太陽能電站系統相關工作。
除此之外在西安，中國工程院院士段寶巖團隊正在進行最後的調試。該團隊在西安電子科技大學校園內，架起一座75米高的支撐試驗塔。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後，會彙集到一個固定的聚光區，再通過太陽能電池產生直流電，隨後轉成微波，通過發射天線傳輸到地面。
考慮到路線圖和技術難度，目前留給兩個團隊的時間並不算多。
西安電子科技大學校園內的試驗塔
英美日俄等國均在研究
事實上，空間太陽能電站的構想，早在50多年前就已被提出。
1968年，美國航空航天工程師彼得·格拉塞（Peter Glaser）發表《來自太陽的能量：它的未來》一文，文中提出“太陽能發電衞星”（Solar Power Satellite，SPS）的概念。
格拉塞設想，先在太空建設一個太陽能發電站，再把電能轉變成電磁能，通過無線傳輸發射到地面的接收站，接收站再將電磁能轉變回電能，並提供給供電網。
彼得·格拉塞2014年去世
整個20世紀70年代，美國政府投入約5000萬美元對此進行研究。直到1979年，設計出全世界第一個具體的概念方案，名為“1979-SPS基準系統”，該計劃設想在地球同步軌道上部署60個發電能力各為5吉瓦的太空電站，整個系統算下來需要2500億美元。
方案一出，引發巨大爭議。美國國家研究委員會和國會評價委員會評審認為，該方案技術上可行，但經濟上無法實現。此後數年，由於難度大、效率低、成本高，美國對此技術的研究曾一度停滯。
但近年來，美國關於空間太陽能發電的想法逐漸復甦。
據英國《每日郵報》報道，2019年11月5日，美國空軍研究實驗所宣佈，將開發一套帶有太陽能電池板的衞星系統，以便在其繞地球軌道飛行時獲取太陽能。這些衞星收集的能量隨後將被轉化為無線電波，並傳輸到地球表面，在那裏將被轉化為可用的能源。
2020年5月，阿特拉斯-5型運載火箭（AtlasV）將X-37B太空飛機發射入軌。
據NASA披露，X-37B將為美國空軍學院部署小型FalconSAT-8衞星。該衞星攜帶八個實驗項目，其中包括為海軍研究實驗室進行的一項研究無線電力傳輸的實驗。該實驗內容是通過衞星的太陽能板產生電力，並將其作為微波輻射傳輸到地面。
2021年8月17日，香港《南華早報》報道稱，美國空軍計劃在兩到三年內發射衞星，以驗證向地球傳輸能源的關鍵技術，這些能源將用於為無人機或偏遠的軍事哨所提供動力。
報道指出，空間太陽能發電技術的潛在應用範圍已從電力供應擴展到軍事用途。根據一些國防承包商的説法，這種能量束可以瞄準一個移動的威脅，比如高超音速導彈和飛機，或者導致整個城市的通信中斷。
太空太陽能陣列結構示意圖 圖片來源：NASA
除美國外，英國、日本、俄羅斯等國也在研究空間太陽能發電的概念。
由於日本在微波無線能量傳輸技術研究上一直處於世界領先水平，其表現也最為積極。
日經中文網報道截圖
1987年，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）成立太陽能發電衞星研究組；2005年，日本將空間太陽能電站列入國家航天長期發展規劃；2009年，日本啓動新的微波功率傳輸研究計劃，驗證100米距離上傳輸千瓦級功率的微波功率傳輸及波束控制技術；2017年，日本宣佈要在2050年建成商業化太空電站。
“目前，日本已經實現了50米的微波傳輸，但這遠遠達不到空間太陽能電站的要求，我們希望能在璧山，在這個傳輸距離上有所突破。” 2018年12月，楊士中在接受重慶媒體採訪時指出。
圖片來源：日經中文網
目前，中國空間技術研究院研究員王立等人已分析提出空間太陽能電站發展需要的9項關鍵技術：
空間超大型可展開結構及控制技術、空間高效太陽能轉化及超大發電陣技術、空間超大功率電力傳輸與管理技術、無線能量傳輸技術、軌道間轉移技術及大功率電推進技術、空間複雜系統在軌組裝及維護技術、大型運載器及高密度發射技術、電站系統運行控制及地面接收管理技術和電站發展的基礎材料和器件研究。
四年前（2017年11月），中國航天科技集團公司五院科技委主任李明曾表示，我國在空間太陽能電站方面經過十餘年持續研究，已經大幅縮小了與國際先進國家的水平，進入世界前列。如能保持並進一步加大研發力度，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。
從璧山基地正式開工來看，中國正按計劃推進空間太陽能發電——這項將科幻變為現實的技術。