中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：空間太陽能電站涉及機(jī)械、航天等數(shù)十個(gè)領(lǐng)域，是一個(gè)巨型系統(tǒng)工程，其實(shí)際規(guī)模將會(huì)超過美國已經(jīng)實(shí)施的“阿波羅計(jì)劃”，能帶動(dòng)大批從事基礎(chǔ)和工程技術(shù)研究的高素質(zhì)人才培養(yǎng)，并有望引發(fā)一場新技術(shù)革命。
面對(duì)日漸緊迫的能源危機(jī)，以及使用化石能源導(dǎo)致的溫室效應(yīng)、環(huán)境污染等問題，世界各國都在積極尋找方便、清潔的新能源。綜合考慮安全因素及使用條件，太陽能將是解決能源問題的根本出路，而發(fā)展空間太陽能電站則是高效利用太陽能的有效途徑之一。
建設(shè)空間太陽能電站的重要戰(zhàn)略意義
空間太陽能電站是指將地球靜止同步軌道上的太陽能，通過新的工程技術(shù)手段進(jìn)行有效采集，并傳輸?shù)降孛孓D(zhuǎn)換成電能供使用的系統(tǒng)。理論上，地球靜止同步軌道上1公里寬的電池帶，每年產(chǎn)能約為21太瓦，預(yù)計(jì)到2050年，人類社會(huì)每年對(duì)能源的總需求約為50太瓦。
太陽能在地面上就可以利用，為什么要建設(shè)空間太陽能電站?
從產(chǎn)能效率來說，在地球靜止軌道上，每平方米可接收太陽能約為1400瓦，且除春分和秋分以外，太陽輻射強(qiáng)度基本不受時(shí)間和空間限制;而在地面上，由于大氣的吸收和散射，以及季節(jié)、晝夜等變化，到達(dá)地面的太陽輻射量每平方米約為140瓦。因此，一旦我們能夠攻克空間太陽能發(fā)電技術(shù)，就有望逐步解決人類社會(huì)的能源危機(jī)，而且太陽能可以說是“取之不盡，用之不竭”的清潔可持續(xù)能源。
從技術(shù)發(fā)展看，空間太陽能電站作為一個(gè)大型空間和能源工程，可以為國家提供巨大的可再生能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備，并可以發(fā)展成為一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)，對(duì)于保障國家的能源獨(dú)立和國家安全，維持社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。同時(shí)，由于空間太陽能電站系統(tǒng)規(guī)模巨大，深入研究空間太陽能電站相關(guān)技術(shù)，對(duì)航天、能源、材料、微波和激光等諸多相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展也具有重要的作用。
更為重要的是，未來我國能源需求仍將持續(xù)強(qiáng)勁增長，而太陽能雖然是可持續(xù)性能源，但地球同步軌道卻是有限的，不管誰占了先機(jī)，后來者再發(fā)展會(huì)有很大困難?？梢姡_展空間太陽能電站研究，是事關(guān)國家政治、經(jīng)濟(jì)和安全的重大戰(zhàn)略問題。
發(fā)達(dá)國家空間太陽能電站研究進(jìn)展
傳統(tǒng)意義上空間太陽能電站的構(gòu)想，是由美國科學(xué)家彼得˙格拉賽于1968年首次提出，國際上對(duì)此研究已超過40年，其間由于關(guān)鍵技術(shù)難以突破、需要投入巨額資金等問題，研發(fā)工作曾一度停滯。近年，由于地球化石能源危機(jī)凸顯，以美、日和歐洲為主的發(fā)達(dá)國家又重新投入資金和人力，開展空間太陽能電站關(guān)鍵技術(shù)研究。
2007年4月，美國國家安全空間辦公室成立了空間太陽能發(fā)電站研究組。2012年，在美國國家航空航天局創(chuàng)新型先進(jìn)概念的支持下，研究人員提出了“任意大型相控陣空間太陽能電站”項(xiàng)目，這是目前最新的建設(shè)方案。
根據(jù)規(guī)劃，美國空間太陽能電站的重點(diǎn)研究方向，包括整體構(gòu)型、聚光鏡、空間發(fā)電技術(shù)、無線能量傳輸技術(shù)、電力傳輸與管理技術(shù)、熱管理與熱材料技術(shù)、先進(jìn)運(yùn)輸技術(shù)等，未來將通過分階段開展不同功率級(jí)別的系統(tǒng)驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)功率吉瓦(GW)級(jí)以上的商業(yè)化運(yùn)行系統(tǒng)。
日本作為積極開展空間太陽能電站研究的主要國家之一，在無線能量傳輸技術(shù)的研究和試驗(yàn)方面處于國際先進(jìn)水平。2004年，日本正式將發(fā)展空間太陽能電站列入國家航天中長期規(guī)劃，形成了“官產(chǎn)學(xué)”聯(lián)合的研究模式。
根據(jù)2013年日本最新公布的航天基本計(jì)劃，空間太陽能電站研究開發(fā)項(xiàng)目已被列入國家七大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，并作為三個(gè)國家長期支持的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。
當(dāng)前亟待解決的五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)
相當(dāng)于超大型地球同步軌道衛(wèi)星天線的空間太陽能電站，主要由三部分組成，即太陽光聚光裝置、能量轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置，以及地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。其中，太陽聚光鏡與光伏電池陣裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成為電能，能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波等形式，并利用天線向地面發(fā)送能束，地面接收系統(tǒng)利用地面天線接收空間發(fā)射來的能束，通過整流裝置將其轉(zhuǎn)換成電能以供使用。
作為大型工程，空間太陽能電站的發(fā)展必須盡早確定發(fā)展規(guī)劃與研究計(jì)劃，開展長期、持續(xù)的基礎(chǔ)性和前瞻性研究，解決其中共性與關(guān)鍵技術(shù)難題。目前，空間太陽能電站的關(guān)鍵技術(shù)難題主要有五個(gè)方面：即超大型空間天線系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)、天線波束指向與控制、空間機(jī)器人組裝、機(jī)電耦合設(shè)計(jì)和低成本空間運(yùn)輸。
超大型空間天線與聚光鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，由于尺度在公里級(jí)，成本必須考慮，既要求高性能又要求輕重量、低成本。因此，亟待建立兼顧多學(xué)科、多尺度的設(shè)計(jì)模型，提出輕量化設(shè)計(jì)理論與方法。對(duì)空間聚光鏡、太陽能電池陣及發(fā)射天線進(jìn)行深入研究，降低系統(tǒng)重量，解決空間太陽能電站的太陽能收集系統(tǒng)功率質(zhì)量比，以及發(fā)射天線結(jié)構(gòu)重量、輻射面積和散熱等技術(shù)難題。
天線陣波束賦形與指向控制方面，需要研究發(fā)射天線陣遠(yuǎn)場或過渡場方向圖精確指向地面接收天線的孔徑中心、方向圖地面足印及接收天線孔徑的匹配問題。因此，由于同步軌道到地面的指向精度要求很難達(dá)到，需要研究合理的實(shí)現(xiàn)策略。
空間組裝方面，包括機(jī)器人(手)技術(shù)，亟待實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人的小型化、智能化，使其適應(yīng)太空微重力、大溫差、強(qiáng)輻射等極限工作環(huán)境;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開展虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的裝配建模、操作定位及交互式裝配規(guī)劃與評(píng)價(jià)。此外，還應(yīng)進(jìn)行地面縮比模型試驗(yàn)，對(duì)空間太陽能電站的結(jié)構(gòu)性能、裝配性能及電性能等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
空間太陽能電站大功率連續(xù)傳輸?shù)臋C(jī)電耦合問題也不容忽視?？臻g太陽能電站作為大型在軌運(yùn)行系統(tǒng)，不可避免地存在多場、多因素、多尺度的耦合問題，其環(huán)境載荷、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)位移場、電磁場和溫度場有著巨大的影響，相互之間的機(jī)電耦合問題十分突出。為此，亟待開展多物理量在極端惡劣的空間環(huán)境下的相互作用機(jī)理、相互影響規(guī)律的研究，進(jìn)而建立場耦合理論模型、挖掘影響機(jī)理。
由于空間太陽能電站的體積比國際空間站大許多倍，需要多次發(fā)射到近地軌道并進(jìn)行組裝，再送往地球同步軌道，而目前人類最大的運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力只有100噸，發(fā)射成本高。因此，需要研制低成本、大運(yùn)載量的近地軌道運(yùn)載器，以及高性能軌道間電推進(jìn)系統(tǒng)。
中國空間太陽能電站研究應(yīng)分階段穩(wěn)步推進(jìn)
空間太陽能電站涉及機(jī)械、航天等數(shù)十個(gè)領(lǐng)域，是一個(gè)巨型系統(tǒng)工程，其實(shí)際規(guī)模將會(huì)超過美國已經(jīng)實(shí)施的“阿波羅計(jì)劃”，能夠帶動(dòng)大批從事基礎(chǔ)和工程技術(shù)研究的高素質(zhì)人才培養(yǎng)，并有望引發(fā)一場新技術(shù)革命。
中國從上世紀(jì)80年代以來，就一直跟蹤國際空間太陽能電站發(fā)展。近年，以中國空間技術(shù)研究院為核心，中國工程物理研究院、西安電子科技大學(xué)、重慶大學(xué)、四川大學(xué)等參與的國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)，分別結(jié)合各自的優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)論證和關(guān)鍵技術(shù)方面開展了相關(guān)工作。
2010年，多位中國科學(xué)院和中國工程院院士參加完成了《空間太陽能電站技術(shù)發(fā)展預(yù)測和對(duì)策研究》咨詢?cè)u(píng)議報(bào)告，建議盡快開展相關(guān)論證和設(shè)計(jì)工作，得到了一批研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的重視。根據(jù)目前我們的技術(shù)水平和研究進(jìn)展，綜合分析我國的國情和各方面情況，建議在立足于現(xiàn)有的技術(shù)條件下，踏實(shí)且分階段地推進(jìn)中國空間太陽能電站研究工作。
空間太陽能電站的具體設(shè)計(jì)和發(fā)展，可分為近期、中期及遠(yuǎn)期來推進(jìn)實(shí)施，即兩大步三小步：第一大步，2030年建造兆瓦(MW)級(jí)空間太陽能電站;第二大步，2050年建造吉瓦(GW)級(jí)空間商用太陽能電站。第一大步之內(nèi)，又分為三個(gè)階段進(jìn)行：即2020年完成關(guān)鍵技術(shù)的地面攻關(guān)與模型演示驗(yàn)證，2025年完成兆瓦(MW)級(jí)電池陣空間構(gòu)建的驗(yàn)證，2030年完成百米量級(jí)空間組裝天線與相應(yīng)聚光鏡的驗(yàn)證。當(dāng)然，如果能加快進(jìn)程，將是大家更為希望的。
作者簡介：
段寶巖，中國工程院院士，電子機(jī)械工程專家。
原標(biāo)題:加快發(fā)展空間太陽能電站研究
