太空中的“發電廠”到底有多厲害？

美國《外交政策》網站6月16日發表文章稱，美國的領導層對於基於太空的太陽能技術不夠認真，與之相比，中國在空間太陽能發電平臺技術領域卻處於前沿的位置，並稱中國計劃到2050年將一個商業規模的太陽能電站送入軌道。空間太陽能發電平臺，可以理解為太空中的“發電廠”。為何中國在該領域的大發展會讓美國“紅了眼”？空間太陽能發電平臺的技術原理和未來現實應用又是什麼？

作者：蘭順正

其實，美國國內出現以上論調並非首次。

今年3月，曾在美國航空航天局和加州理工學院噴氣推進實驗室工作多年的科學家約翰•曼金斯就在美國消費者新聞與商業頻道指出，電能從太空輸送到地球這一想法有可能從根本上改變電力行業的經營理念，並且讓首先做到這一點的任何一個世界大國可以在全球範圍內獲得對這一領域的控制權。

曼金斯說：“中國方面明確表現出的興趣會極大地激發各方對這一領域的興趣”，而且“中國人當前絕對取得了進展”。

以上言論雖存在美國有意“捧殺”之嫌，但卻也足以喚起人們對於空間太陽能發電平臺的重視和關注。

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技術原理

空間太陽能發電平臺（SPS）是指在空間將太陽能轉化為電能，再通過無線方式傳輸到地面的電力系統。

相對於目前空間應用的衛星和空間站等的電源系統，其規模和能力要大得多。

空間太陽能電站從其大的組成方面來說主要包括三部分：太陽能發電裝置、能量轉換和發射裝置、地面接收和轉換裝置。

太陽能發電裝置將太陽能轉化成為電能；能量轉換裝置將電能轉換成微波或激光等形式（激光也可以直接通過太陽能轉化），並利用天線向地面發送能束；地面接收系統接收空間發射來的能束，再通過轉換裝置將其轉換成為電能。

整個過程經歷了太陽能-電能-微波（激光）-電能的能量轉變過程。

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技術實踐

建造空間太陽能發電平臺的構想由美國科學家彼得•格拉賽與1968年提出。此概念提出以後，引起了國際上的廣泛關注，以美國、日本為代表的多個國家對於空間太陽能發電平臺開展了長期的研究工作。

1999-2001年，美國航空航天局投資2200萬美元，啟動了“空間太陽能探索性研究和技術計劃”（SERT）項目，總結分析了空間太陽能電站的最新進展，提出了美國空間太陽能電站的發展路線圖。

2015 年，諾斯羅普·格魯曼公司投入 1750 萬美元，委託加州理工學院開展空間太陽能電站相關技術研究。

日本從20世紀80年代就開始進行空間太陽能發電平臺概念和關鍵技術研究。

日本宇宙航空研究開發機構組織了一個專門的委員會和工作團隊開展空間太陽能電站系統研究。該研究分為三個主題：空間太陽能發電平臺概念、體系結構研究和技術驗證。

目前日本已經提出在2030年實現1GW商業系統運行的技術路線圖。

第一步是開展幾十千瓦的小型系統驗證，驗證微波和激光的無線能量傳輸技術。將衛星發射到近地軌道或者月球軌道，試驗將激光輸送到月球表面。

第二步是在國際空間站周圍進行10MW級的大型可展開結構機器人組裝技術驗證。

第三步是在地球靜止軌道上建造SPS的驗證系統，最終在地球靜止軌道上建一個吉瓦級的商業空間太陽能發電系統。

韓國從 2018 年也啟動了空間太陽能電站領域的研究項目，並提出初步的發展計劃。

而中國航天科技集團公司五院“錢學森空間技術實驗室”團隊也已經開展了空間太陽能發電平臺的具體研究工作，目前正處於研究試驗階段。

今年2月，有報道稱，中國首個空間太陽能電站實驗基地在重慶璧山區啟動建設，該基地建成後將開展基礎性實驗和應用研究。

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未來應用

如果空間太陽能發電平臺的研發取得實質性進展將會具有重大的意義。

一方面，從國民經濟角度出發，空間太陽能發電平臺代表了未來新能源發展方向之一，可能成為大規模能源供給的方式。

太陽能是地球能夠利用的最豐富、最持久、最清潔的能源，由於受到晝夜，大氣和天候等的影響，地面太陽能能量密度波動大，需要配置大規模的蓄電裝置才能保證供電的穩定。

在空間利用太陽能，不受季節、晝夜變化等的影響，接收的太陽能穩定、能量密度高，約為每平方米1353W左右。

同時，通過選取特定的電磁譜段，傳輸過程受到天氣的影響很小，可以穩定地將能量傳輸到地面，適合於太陽能的大規模開發利用。

在地球同步軌道99%的時間可以穩定接收太陽能，並能向地面固定接收站進行穩定的能量傳輸。

如中國在《可再生能源中長期發展規劃》提出將逐步提高優質清潔可再生能源在能源結構中的比例，力爭到2020年達到15%。

從更長遠的時期來看，隨著能源需求總量的提高，單單依靠地面太陽能、風能、水力等大幅度提高可再生能源的比例將十分困難。

充分利用空間太陽能巨大的能量和連續供電的優勢將可能解決人類對於清潔能源的需求難題。

另一方面，隨著技術的發展，未來軍事行動對於電能的供應會愈發依賴。

在最近消息中，多次出現有關美國對他國發動“網電”戰報道，因此電能的安全可能直接關係到國家安全。而空間太陽能發電平臺可以在需要的時機向某些區域緊急提供源源不斷的強大電力，彌補電力缺口。

如果在地面和空中的戰術平臺上安裝相應的能量接收裝置，空間太陽能發電平臺就可以直接向各種戰術平臺供能，不僅能延長其執行任務的時間，還能及時喚醒那些因斷電而陷入“冬眠”的作戰單元。

同時空間太陽能發電平臺的本身就裝備有相應的微波或激光發射器，而且能夠實現能源的自給，因此具備成為天基定向能武器的潛力，可以通過大功率微波或激光攻擊敵方目標。

雖然目前空間太陽能發電平臺距離實際應用還有很長的路要走，但從總體趨勢來看未來必將成為各國努力爭奪的又一個科技制高點。