劉慈欣在他的科幻小說《中國太陽》中構(gòu)想了這樣一個(gè)裝置：一個(gè)在太空中的巨大鏡子，能夠通過反射太陽光調(diào)節(jié)區(qū)域氣候?？臻g太陽能電站能與之十分類似。隨著中國首個(gè)空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地的落地，這一構(gòu)想正在從科幻作家的腦海中變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
從科幻誕生的概念
空間太陽能電站（SPS），也稱天基太陽能電站（SBSP），是指在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。1941年，科幻小說作家艾薩克·阿西莫夫發(fā)表了科幻小說短篇小說《理性》，其中一個(gè)空間站用微波光束把從太陽收集的能量傳輸?shù)礁鱾€(gè)行星。SBSP（Space-based solar power）概念最初被稱為衛(wèi)星太陽能系統(tǒng)，于1968年11月格拉澤（Glaser）博士首次提出，，這一設(shè)想是建立在一個(gè)極其巨大的太陽能電池陣的基礎(chǔ)上，由它來聚集大量的陽光，利用光電轉(zhuǎn)換原理達(dá)到發(fā)電的目的。所產(chǎn)生的電能將以微波形式傳輸?shù)降厍蛏?，然后通過天線接收經(jīng)整流轉(zhuǎn)變成電能，送入全國供電網(wǎng)。
空間太陽能電站在空間利用太陽能，不受季節(jié)、晝夜變化等的影響，接收的能量密度高，約為1353W/m2，是地面平均光照功率的7～12倍。同時(shí)，也基本不受大氣的影響，可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛?，非常適合于太陽能的大規(guī)模開發(fā)利用。在地球同步軌道，99%的時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定接收太陽輻射，向地面固定區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳輸。
不僅如此，空間太陽能電站基于自身的大功率，以及能量多種方式傳輸?shù)撵`活性等特點(diǎn)，不僅成為未來持續(xù)穩(wěn)定的電力來源，并且在電網(wǎng)調(diào)度、軍事無線供電、氣象科學(xué)研究、應(yīng)急救災(zāi)、空間供電、行星探測等多個(gè)領(lǐng)域中具有重要的潛在應(yīng)用。劉慈欣筆下的中國太陽的氣候調(diào)節(jié)功能也有望通過空間太陽能電站實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)微波的頻率，甚至可以調(diào)節(jié)、控制熱帶氣旋的走向和強(qiáng)度，從而徹底解決東南沿海自古以來的臺(tái)風(fēng)問題。
各國的空間光伏競賽
美國
1968年，美國格拉澤博士提出空間太陽能電站的構(gòu)想后，美國國家航空航天局（NASA）與美國能源部已經(jīng)在過去30年花費(fèi)了8000萬美元支持空間太陽能電站概念的研究，并且提出了第一個(gè)空間太陽能電站系統(tǒng)方案概念“1979SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”，作為后續(xù)研究的基準(zhǔn)和參考。2012年，在NASA創(chuàng)新概念項(xiàng)目支持下，約翰·曼金斯（JohnMankins）教授提出“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽能電站”（SPS-ALPHA）方案。2015年，美國諾格公司（Northrop Grumman）與加州理工大學(xué)簽署一項(xiàng)3年總額1750萬美元的空間太陽能電站技術(shù)研發(fā)合同，成為近年來空間太陽能電站領(lǐng)域最大的合同。雖然空間太陽能電站未被列入正式的美國國家發(fā)展計(jì)劃，但得到了持續(xù)的關(guān)注和發(fā)展。
日本
日本在微波無線能量傳輸技術(shù)的研究和試驗(yàn)方面處于世界領(lǐng)先地位。2004年，日本正式將發(fā)展空間太陽能電站列入國家航天發(fā)展計(jì)劃，2006年，日本東京大學(xué)和神戶大學(xué)聯(lián)合開展“風(fēng)呂敷試驗(yàn)”（Furoshiki），進(jìn)行了空間網(wǎng)狀天線展開、測試微波能量傳輸波束控制及機(jī)器人爬行試驗(yàn)。在日本經(jīng)產(chǎn)省和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)的支持下，日本國家研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和高校形成“官產(chǎn)學(xué)”聯(lián)合研究的模式，并規(guī)劃在2030年后建設(shè)商業(yè)化空間太陽能電站，總投資將超過210億美元。其基本原理和美國類似，但日本科學(xué)家采用頻率為2.45GHz和5.8GHz微波傳送，這項(xiàng)技術(shù)在日本已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備。在北海道的研究基地，日本科學(xué)家用直徑2.4m的儀器裝置進(jìn)行了地面接收太空微波的實(shí)驗(yàn)。
“風(fēng)呂敷試驗(yàn)”
其他地區(qū)
俄羅斯、歐洲航天局（ESA）、國際無線電科學(xué)聯(lián)盟和國際宇航科學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)也在近年開展了空間太陽能電站的專題技術(shù)研究。2012年，以國際宇航科學(xué)院發(fā)電委員會(huì)成員為主的研究團(tuán)隊(duì)完成了《空間太陽能電站—第一次國際評(píng)估：機(jī)遇、問題及可能的發(fā)展途徑》報(bào)告。該報(bào)告分析了空間太陽能電站在未來幾十年對(duì)于快速增長的豐富的可再生能源方面可能扮演的角色，并且評(píng)估了與空間太陽能電站概念相關(guān)的技術(shù)成熟度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，最終形成了一個(gè)可能引導(dǎo)這一遠(yuǎn)景概念實(shí)現(xiàn)的合理的國際路線圖。歐洲航天局、加拿大、俄羅斯等國及相關(guān)國際組織在該領(lǐng)域真正的投入較少，但非常關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展。
歐洲航天局的“太陽帆塔”概念圖
中國：從陪跑到領(lǐng)跑。認(rèn)真踐行一個(gè)50年的計(jì)劃
“中國人真正擅長的一件事就是長期思考，與美國的思維不同，他們能把計(jì)劃和問題規(guī)劃長達(dá)50年之久?！?
-馬克霍普金斯，國家航天學(xué)會(huì)董事會(huì)
就像流浪地球里一樣，中國正在持之以恒的推進(jìn)這項(xiàng)為期50年的“科幻”計(jì)劃。我國自20世紀(jì)末開展空間太陽能電站方案及技術(shù)研究。中國空間技術(shù)研究院在國家民用航天預(yù)研項(xiàng)目支持下，提出了平臺(tái)非聚光型空間太陽能電站方案、二次對(duì)稱聚光型空間太陽能電站方案和多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站方案。
2013年底，國家國防科工局聯(lián)合國家發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部、原總裝備部、教育部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)等部委，組織開展了空間太陽能電站發(fā)展規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)體系論證工作，系統(tǒng)闡述了我國開展空間太陽能電站項(xiàng)目研究的意義和必要性，提出了分兩個(gè)階段進(jìn)行空間太陽能電站研發(fā)的總體規(guī)劃和技術(shù)路線。建議將兆瓦級(jí)電站方案及全系統(tǒng)仿真作為實(shí)現(xiàn)規(guī)劃中期目標(biāo)的基礎(chǔ)，同時(shí)加大對(duì)空間太陽能電站核心關(guān)鍵樣機(jī)研制和試驗(yàn)驗(yàn)證的投入力度，拓寬支持渠道。
2018年12月6日，我國首個(gè)空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地正式落戶重慶璧山。
該項(xiàng)目以空間能源技術(shù)發(fā)展前沿為引導(dǎo)，開展微波輸能、測控與通信等方向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。計(jì)劃在2020年前投資2億進(jìn)行空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地及研發(fā)平臺(tái)建設(shè)，2025年左右實(shí)現(xiàn)中小規(guī)模平流層太陽能電站及并網(wǎng)發(fā)電，2025年后開展大規(guī)?？臻g太陽能電站系統(tǒng)應(yīng)用工作。下一步將是在2030年開始建設(shè)兆瓦級(jí)空間太陽能試驗(yàn)電站。2050年后建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)空間太陽能電站。中國有望成為世界首個(gè)建成有實(shí)用價(jià)值空間太陽能電站的國家。
空間太陽能電站關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議
當(dāng)然，在實(shí)現(xiàn)這一個(gè)宏大目標(biāo)的路上，仍然有許多的困難需要克服?？臻g太陽能電站作為一個(gè)巨大的空間系統(tǒng)，其主要技術(shù)特點(diǎn)是面積大、質(zhì)量大、功率大，其發(fā)展所面臨的核心問題和關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。
空間超大型可展開結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)
主結(jié)構(gòu)用于支撐整個(gè)空間太陽能電站，考慮到姿態(tài)和軌道調(diào)整的要求，主結(jié)構(gòu)應(yīng)保持足夠的剛度。同時(shí)，還要充分考慮在軌組裝和在軌維護(hù)的需要。
空間高效太陽能轉(zhuǎn)化及超大發(fā)電陣技術(shù)
提高系統(tǒng)的效率、降低質(zhì)量，以及提高電壓和使用壽命是空間太陽能發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。需要發(fā)展高效率、空間環(huán)境適應(yīng)性好的薄膜太陽電池，同時(shí)需要發(fā)展在軌展開的超大面積的柔性太陽電池陣。為了減小電力損耗，需要發(fā)展高壓太陽電池陣技術(shù)。
空間超大功率電力傳輸與管理技術(shù)
作為一個(gè)超大功率的空間系統(tǒng)，空間太陽能電站系統(tǒng)需要長達(dá)數(shù)十km的電力傳輸電纜，為了減小損耗，需要采用超高電壓。同時(shí)需要發(fā)展超大功率高效電壓變換技術(shù)以及超大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)等。
無線能量傳輸技術(shù)
功率高、效率高、傳輸距離遠(yuǎn)和高精度方向控制是無線能量傳輸?shù)闹饕夹g(shù)特點(diǎn)，超過30年的壽命要求也對(duì)無線能量傳輸技術(shù)提出了很高的要求。
軌道間轉(zhuǎn)移技術(shù)及大功率電推進(jìn)技術(shù)
為了降低運(yùn)輸?shù)紾EO的成本，初步考慮采用重型運(yùn)載將載荷運(yùn)輸?shù)絃EO，利用可在LEO 和GEO 間進(jìn)行往返運(yùn)輸?shù)能壍擂D(zhuǎn)移器將載荷運(yùn)輸?shù)紾EO。為了減少燃料消耗，需要發(fā)展大功率電推進(jìn)系統(tǒng)，利用多個(gè)電推力器的組合實(shí)現(xiàn)大型電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移器。
空間復(fù)雜系統(tǒng)在軌組裝及維護(hù)技術(shù)
空間太陽能電站作為一個(gè)宏大的長壽命系統(tǒng)，必須發(fā)展功能強(qiáng)大的在軌組裝及維護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的、復(fù)雜的在軌組裝、在軌維護(hù)和燃料補(bǔ)給等。
大型運(yùn)載器及高密度發(fā)射技術(shù)
空間太陽能電站質(zhì)量達(dá)到數(shù)千t以上，再考慮其建設(shè)、維護(hù)所需的人員及貨物運(yùn)輸需求，對(duì)于運(yùn)輸能力、運(yùn)輸頻率、運(yùn)輸成本提出巨大的挑戰(zhàn)。
電站系統(tǒng)運(yùn)行控制及地面接收管理技術(shù)
系統(tǒng)運(yùn)行控制及地面運(yùn)行管理主要包括兩方面的內(nèi)容：對(duì)整個(gè)空問系統(tǒng)狀態(tài)信息的接收和處理以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制與健康管理；地面大功率電力的接收、調(diào)節(jié)、控制及入網(wǎng)技術(shù)等。
電站發(fā)展的基礎(chǔ)材料和器件研究
為了實(shí)現(xiàn)空間太陽能的高效利用和傳輸，且大幅降低空間太陽能電站的整體質(zhì)量、提高系統(tǒng)的壽命，空間太陽能電站發(fā)展需要相關(guān)基礎(chǔ)材料和器件性能的極大提升。
也許在不遠(yuǎn)的將來，我們會(huì)從新聞里聽到：“中國建成世界首個(gè)光伏空間發(fā)電站”的消息，我們不需要像流浪地球一樣，需要一百代人，兩千五百年完成一項(xiàng)計(jì)劃，但我們也應(yīng)該銘記，這項(xiàng)50你年的計(jì)劃后，是兩代國人的心血和希望。
“誰也不知道中國太陽將飛多遠(yuǎn)，水娃他們將看到什么樣的神奇世界……但水娃終究會(huì)牢記母親新鄉(xiāng)上的一個(gè)叫中國的國度，牢記那個(gè)國度西部一片干旱土地上帝一個(gè)小村莊，牢記村前的那條小路，他就是從那里啟程的?！?劉慈欣，中國太陽
參考資料：
[1] 空間太陽能電站的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展建議
[2] 空間太陽能電站發(fā)展展望
[3]https://baike.baidu.com/item/%E7%A9%BA%E9%97%B4%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E5%8F%91%E7%94%B5%E7%AB%99
[4]https://www.cnbc.com/2019/03/15/china-plans-a-solar-power-play-in-space-that-nasa-abandoned-long-ago.html
[5] 空間太陽能電站用于熱帶氣旋調(diào)控初探
