太空能源供给(太空发电站)

霍西

没有“一劳永逸”的办法彻底解决人类的能源危机？

地球上所有的能量都来自太阳，无论是煤、石油、天然气等化石能源，还是水、风、太阳能等清洁能源，都与太阳有关。化石能源带来空气污染，很快就会耗尽。风、光、水不稳定，实际发电量仅占23.6%。在大规模储能技术取得重大突破之前，单纯依靠可再生能源提供持续稳定的能源供应是不现实的。

那么有没有可能在Tai 空建一个电站直接吸收太阳能，转化成电能再输送到地球呢？这就是“空太阳能电站”(简称“泰空电站”)。中科院院士葛长春2021年5月撰文指出空太阳能电站和受控核聚变电站被视为两种最有可能的终极能源解决方案。但可控核聚变还处于基础科学研究有待突破的阶段，空太阳能电站不存在基础科学问题。虽然项目规模巨大，但相关技术经过不断研发，在一定时期内可以取得重要突破。他预测，在本世纪下半叶，中国将形成空太阳能发电产业，这将成为中国能源基础设施的重要组成部分。

目前，中国正在朝着这个目标迈出第一步。2021年6月18日，重庆西部璧山区福禄镇和平村，璧山空太阳能电站实验基地正式开工。很快，一座50 ~ 300m高的浮动空平台将从璧山拔地而起，这是一座中小型气球阵列。科学家们将首先尝试从这个高度向地球传输电力，下一步将是距地面22公里的平流层。每天去Tai 空。

太阳穿过地球大气层时，可能会遇到云、雾、雨、雪等各种天气现象。云层会反射大部分太阳光，所以一年四季在多云地区能接收到的太阳能总是不够的，这是大气对太阳能的衰减。

所以与地面太阳能电站相比，Tai 空电站最大的优势就是稳定性。中国工程院院士、重庆大学通信与测控研究所所长杨士忠指出，由于大气的衰减，地面太阳能电站的发电量有限，且存在明显的地域差异。比如在日照充足的西北地区，1平方米的光伏电池可以发电0.4千瓦，而在雾都重庆，只有0.1千瓦。但在距离地球表面约36000公里的地球同步轨道上，发电量可高达10千瓦至14千瓦。在Tai 空中，不仅可以完美避免大气的衰减，还可以不受昼夜和季节的影响。它可以在99%的时间里稳定地接收太阳辐射，可以大规模全天候发电。它的发电效率是地面的几十倍。

泰空电站长距离无线能量传输载体有微波和激光两种。相比较而言，微波的能量传输效率更高，透云损耗更低，安全性更好，技术也相对成熟。所以目前的方案主要是微波传输。

1968年，美国的彼得·格拉赛博士首先提出了Tai 空电站的设想。在整个20世纪70年代，美国政府在这项研究上投入了大约5000万美元。直到1979年，世界上第一个混凝土概念方案被设计出来，命名为“1979-SPS基准系统”。在当时全球石油危机的背景下，美国宇航局和能源部以21世纪美国一半的电力由他们产生为目标进行设计，计划在地球同步轨道上部署60个Tai 空电站，每个电站的发电能力为5GW(百万千瓦)。整个系统的总成本为2500亿美元。

方案一出，引发巨大争议。美国国家研究委员会和国会评估委员会认为该方案在技术上可行，但在经济上无法实现。随后几年，由于难度大、效率低、成本高，美国对此的研究一度停滞。但从2007年开始，美国国防部国家安全空办公室成立了空太阳能电站研究小组，认为Tai 空电站可以为偏远基地供电，在军事上有很大的潜在需求。

2011年，国际宇航科学院(IAA)发布了第一份关于Tai 空电站可行性和前景分析的国际评估报告。该报告的主要作者之一、在NASA负责Tai 空项目多年的约翰·曼金斯(John Mankins)在报告发布会上自信地说:“最终，该研究所的判断是空太阳能电站不仅是

日本在微波无线能量传输技术的研究上一直处于世界领先水平，因此在太空电站的开发上有着天然的优势。它是第一个将Tai 空电站的开发和商业化正式纳入其国家空间计划的国家。2017年，日本公布了最新的发展路线图，将于2050年建成商用Tai 空电站。

但目前，除了日本2015年3月在兵库县进行的无线供电和接收系统试验，全世界真正进入地面验证阶段的只有中国，其他国家都还处于概念阶段。

杨士忠是璧山项目的技术总监。他指出，Tai 空电站的关键在于将电能从Tai 空稳定地无线传输到地面电网。因此，大功率远距离无线能量传输技术的突破是必须攻克的难关，比如传输效率是否足够大，波束是否指向规定的接收孔径，从而将误差降到最低。这些技术要先在浮动空平台上测试，为以后真正的Tai 空电站打下基础。璧山项目占地约200亩，总投资约26亿元，目前到位投资1亿元。

与此同时，在西安电子科技大学校园内，由中国工程院院士段宝炎教授组成的团队正在进行最后的调试。段宝岩是中国顶尖的天线专家。他负责500米口径球面射电望远镜(FAST)的总体设计。西电与碧山府空平台功能类似，在校园内设置了75米高的配套试验塔。

段宝炎介绍，试验塔上安装了聚光镜、光电转换系统和发射天线，可以在50-60米的高度向地面无线发射。目前已基本完成。这是2018年12月与璧山项目同时启动的西电“日常项目”的一部分。航天能源领域的曼哈顿计划

关于中国Tai 空电站的正式讨论始于2006年。当年7月，中国航天科技集团公司组织了一次概念研讨会。一位与会的来自中国空技术研究院(五院)的太空电站专家回忆，国内第一家民营企业，来自山西的普兰电力科技有限公司注意到了这件事，并向国防科工局提交了相关建议。领导高度重视，交由中国航天科技集团公司进行前期研究评估。很快，就有了上面的研讨会。

经过前期多次的调研与论证，2014年，中国太空电站的发展规划及路线图出炉，分为两大步和三小步：在2030年左右先建设一个兆瓦级（1兆瓦）的小型太空电站，到2050年再扩展升级到GW（百万千瓦）级，也就是兆瓦级的1000倍。

西安电子科技大学校园内的试验塔，用于在地面全链路演示段宝岩团队独家设计的OMEGA 方案。图片|中国新闻周刊经过前期多次调研论证，2014年，中国太空电站发展规划和路线图出炉，可分为两大步骤和三小步骤:2030年左右建成兆瓦级小型太空电站，2050年再扩建升级为GW(百万千瓦)级，即10000兆瓦级。西安电子科技大学校园内的实验塔用于在地面上演示全链路中由宝颜团队独家设计的OMEGA方案。图片|中国新闻周刊

拟建的Tai 空电站距离地面36000公里，位于地球同步轨道(GEO)，属于高轨道。但是大部分卫星和空站都在近地轨道。例如，国际空站通常在距离地表300多公里的轨道上飞行。泰空电站的高度是空电站的100多倍。在如此独特的高度传输能量是一个巨大的挑战。

五院专家指出空太阳能电站是一个庞大的系统工程，其重量和规模远远超过现有的航天设施，因此人们称之为航天和能源领域的“曼哈顿工程”。一个小兆瓦电站的重量已经大于国际上大多数空站的重量，而且考虑到在轨组装的难度，与空站的建设完全不是一个量级。空之间的一个工位由几个舱段组成，组装时可以通过空机械手实现，接口的控制不用考虑太多。而Tai 空电站需要组装大量的模块，组装时不能再采用目前的空独立交会对接方式。未来需要空的新装配系统，尽可能简化接口，还需要大量空的机器人。

根据路线图，在建设兆瓦级的第一阶段，分三步走。首先对关键技术的地面和浮地空装置进行试验验证，即正在进行的璧山工程和西电“日常工程”，其次是高空超高压发电和输电的验证，最后是空之间的无线能量传输试验。

中科院院士、“两弹一星”创始人王希季曾得出结论:发展空太阳能电站将带来前所未有的、影响深远的重大变革，改造客观世界。从阿普哈到欧米茄

在西电的校园里，一座巨大的三角形塔楼拔地而起，周围的教学楼在它的映衬下显得格外“低矮”。在塔的中心，离地面55米的地方，有四个半球形的聚光装置，每个直径约6.7米。这是冷凝器Tai 空电站的核心。当太阳光照射到球形反射面上时，会被收集在固定的聚光区，然后进入光伏电池产生直流电，直流电再转化为微波，通过发射天线传输到地面。

这是段宝岩团队在地面独家设计的OMEGA方案全链路演示过程。

自美国设计出“1979-SPS参考系”以来，国际上提出了数十种不同的Tai 空电站概念方案，可分为非集中式和集中式两种。1979年最早的方案是经典的非聚光方案，即照射的太阳光立即转化为电能，再转化为微波发射出去。但在这个过程中，最大的困难是如何同时实现“两个定向”，即电池阵列必须始终面向太阳，发射天线始终面向地面，就像卫星一样。

前述五院专家解释说，由于Tai 空电站体积太大，结构复杂，这么大的质量需要它旋转满足“两个方位”同时输电，对整体控制系统要求极高。

近年来，聚光型Tai 空电站成为国际上的研究热点。2012年，约翰·曼金斯提出了阿尔法方案，全称是“任意相控阵空太阳能电站”。整个结构被设计成一个“酒杯”。通过酒杯内部曲面反射面的设计，将入射光集中在底部的夹层结构上。在这里，太阳能电池阵列、电力传输和管理系统以及微波发射天线被集成为一个整体。现在太阳能电池阵和天线一体化的夹层结构，永远对准地面，不用再旋转了。只需要将聚光系统设计成可调节的结构，但是这种设计也会非常复杂。

据五院专家介绍，目前聚光方案很热，但综合技术难度较大。相比之下，非聚光方案更加实用可行，只需要解决大功率导电旋转接头的技术问题。对此，五院已布局相关研究。

但在段宝岩看来，不聚光最大的问题是效率低，因此聚光方案将是未来的发展方向。今年，他们的团队有望完成OMEGA的地面验证测试。如果验证通过，传输效率和功率质量比都有不错的数据。接下来就要考虑如何“养空”它了。

中科院院士、“两弹一星”创始人王希季曾得出结论:发展空太阳能电站将带来前所未有的、影响深远的重大变革，改造客观世界。除了解决能源问题，很多专家指出，太空电站RD更重要的意义在于，它可以带动整个航天领域全方位的技术进步，比如在轨大型结构的制造能力，人类利用空的能力，以及应用场景众多的微波传输能力。

前述五院专家指出，小到空的站场建设，大到探月、火星迁移，都需要充足的电力供应。泰空电站建成后，也将对泰空的人类发展起到极大的帮助。

◎来源|中国新闻周刊