當前，空間太陽能電站研究主要聚焦在哪些領域，空間太陽能電站建設還需要破除哪些障礙？

 

全球研發提速

 

空間太陽能電站是上世紀60年代，美國科學家提出的一項太陽能利用方案：通過衛星從太空捕集太陽能、轉換成微波能量，以一種安全、穩定的無線能量傳輸方式傳到地面站，通過地面站把接收的微波能量轉化為電能后接入電網。

 

經過50多年的發展，空間太陽能電站離我們越來越近。國際宇航科學院秘書長讓·米歇爾·康坦告訴記者：“為了實現不受季節、晝夜變化等影響的太陽能發電，我們進行了很多研發和測試，研究如何使用地球之外的清潔能源。目前，空間太陽能電站概念已經在現實中得到了重要發展。”

 

記者采訪獲悉，空間太陽能發電技術（SPS）吸引了中國、美國、日本、韓國、英國、俄羅斯、法國、澳大利亞、歐空局等國家和組織的興趣。美國在上世紀70年代提出第一個空間太陽能電站系統方案概念——1979SPS基準系統，2012年提出了“任意大規模相控陣式空間太陽能電站”；日本將發展空間太陽能電站正式列入宇宙基本計劃，在微波無線能量傳輸技術領域的研究世界領先，規劃在2050年后建設商業化空間太陽能電站；英國進行技術及經濟性評估后，于今年9月正式發布了《國家空間戰略》，明確提出應當發展空間太陽能電站，為英國提供一種潛在的零排放能源。

 

“中國在空間太陽能發電技術相關研究中提出了創新的多旋轉關節以及球型能量收集陣列等空間太陽能電站方案，同時在無線能量傳輸等關鍵技術方面取得了重要的進步。如今我們研究的薄膜太陽能電池可應用在空間太陽能發電技術當中，發電效率可達30%。”據中國宇航學會空間太陽能專業委員會主任委員李明介紹，目前，我國正在建設兩個實驗基地，一個是2018年開始在重慶建立的“空間太陽能電站實驗基地”，預計2022年7月完成基礎設施建設；另一個實驗基地是在西安建立的“空間太陽能電站全鏈路地面演示驗證系統”。

 

我國空間太陽能電站研究實現了從“跟跑”到“并跑”。按照我國專家提出的空間太陽能電站發展建議，2025年，我國將開展中小規模浮空器能量傳輸試驗，此后將逐漸開展空間太陽能電站關鍵技術在軌驗證工作，2035年開始建設兆瓦級空間太陽能試驗電站。

 

挑戰大于機遇

 

在業內人士看來，隨著可重復運載技術的發展大幅降低發射成本，空間太陽能電站先進方案設計和關鍵硬件技術取得突破，制約空間太陽能電站發展的技術經濟障礙有望克服，“不過，目前挑戰仍大于機遇。”

 

“美國和世界其它地區都在研究可重復使用的低成本發射裝置，未來的成本可降低90%，遠低于傳統的運載火箭。此外，隨著技術的發展，未來航天器硬件成本也有望降低90%。這些研究表明，過去一直阻礙空間太陽能電站事業的成本障礙基本消除。”國際宇航科學院十年空間太陽能評估主席、國際宇航聯合會空間能源委員會主席約翰·曼金斯表示。

 

“技術上的挑戰主要來自三個方面。”李明告訴記者，“一是無線能量傳輸。地球同步軌道對地面進行無線能量傳輸要求高功率、高效率和高精度。我們已在地面上做了很多實驗，目前的能量傳輸精度可達到約0.1度，但仍然還有很長的路要走，因為實際要求是0.0005度。二是空間高功率發電及電力傳輸管理，在空間開展高壓、高功率、遠距離的傳輸，對現有的技術來說均是巨大的挑戰。三是電站的組裝與控制。由于空間太陽能電站不能直接發射，需要把模塊發射到軌道，在太空中進行部署和組裝。”

 

在業內人士看來，效率是空間太陽能電站應用最核心的問題，總效率必須要達到10%以上，才具備實用價值。提升三個環節的效率是未來研究的關鍵：一是太陽能轉化成電能再轉化為微波；二是微波從36000公里的高度傳輸到地面，這中間有一些空間傳輸的損失；三是地面電站接收微波后，轉化成直流電。提升這三個環節的效率，是未來研究的關鍵。

 

標準尚待制定

 

業內人士認為，除了技術和經濟性以外，空間太陽能電站的發展還涉及到許多政策、法律和標準問題。“空間太陽能電站采用的頻率如何確定，允許的微波功率密度是多少，如何考慮無線能量傳輸的安全性以及不對其他設施造成干擾，空間太陽能電站的軌道參數以及互聯方式等諸多標準尚需明確。”英國Frazer-Nash咨詢公司太空業務負責人、空間能源倡議聯合主席馬丁·索爾陶表示。

 

另外，如何保證空間太陽能電站不會產生太空垃圾，報廢時間如何確定，報廢后怎么來處理等，均需國際標準化組織制訂標準。

 

為了達到零碳排放的目標，世界對于發展新型清潔能源的需求日益迫切，隨著航天技術的快速進步，空間太陽能電站作為一種新型太陽能大規模開發方式正在迎來良好的發展機遇，未來10—20年，將成為關鍵技術突破和實現應用的重要時期。