天基太陽能發電站是中美博弈新戰場

一、天基太陽能是未來能源重點項目

   美國國家利益雜誌稱從太空獲取太陽能是美國本世紀應該做的改變世界的賭注。對於一些國土面積較小的發達國家，他們沒有那麼多地方發展太陽能，因此就將目光放到了太空，準備發展天基太陽能。天基太陽能所面臨的最重要的問題之一，就是如何將電由太空輸送到地面？2023年6月，美國加州理工學院發射的一顆試驗衛星已將微波束的能量成功導向太空中的目標，甚至還將一部分能量發送到了地球表面的接收器上，該實驗增強了人們對天基太陽能的信心。雖然加州理工大學此次實驗所用到的微波發射器的發射功率很小，只有200毫瓦，只能點亮功率很小的LED燈，但相關研究人員表示，這已經證明利用微波將太空中的太陽能傳輸到地面是可行的。其實，中國科學家很早就進行了相關研究，早在2018年就已經啟動了逐日計劃，該計劃有一個很雄偉的目標，那就是利用太陽能發電在太空再建造一座太空版的三峽電站。2021年，中國就已經開啟了空間太陽能發電站的測試研製工作。未來中國可能將是世界上第1個建成空間太陽能發電站的國家。地球表面也能搞太陽能，為什麼還要到太空上去？那是因為由於地球大氣層的阻擋和吸收，太空中所能接收到的太陽輻射比地面強上許多，因此天基太陽能還是很有應用前景的。只不過利用微波無線輸電會損失一部分能源，並且要將大量的光伏板送入太空進行組裝，從技術上雖然是個可以實現的，但發射維護成本仍然不容小覷，要在太空建造一座太陽能發電站，前期投資定是非常巨大。

   天基太陽能(SBSP）是通過在大氣外層空間捕獲太陽能，消除了地球表面太陽能間歇性的許多因素，SBSP可提供清潔能源並減少碳排放。商業航天領域的不斷發展使得火箭發射成本迅速降低，這意味著它在未來幾十年內可能會變得經濟。太空中的太陽能量威力大約是地球表面的八倍，因為它不需要穿過大氣層，不受雲層阻擋，也不會經歷夜間。如果這種太陽能可以被收集並發射回地球，即使用長波長微波，地面市場就可以獲得大量的清潔能源。在中美大國博弈的戰場上自然少不了天基太陽能的開發，環球時報報導，中國航天學會太空太陽能委員會稱中國正在著眼於建成一個千兆瓦級的天基太陽能發電站。中國第一顆衛星東方紅只有173公斤，而中國空間站達到100噸，其供電需求已超過10000瓦。未來，中國考慮建設一個空間太陽能電站，將擁有千兆瓦級的發電能力，這個大型項目將用於商業用途。未來的空間電站規模可能會超過10000噸，而要實現這一目標，中國需要掌握無線電力傳輸技術的能力。1941 年，科幻作家艾薩克·阿西莫夫推廣了在太空收集太陽能的概念。1968 年，美國航空航天工程師彼得·格拉澤正式提出了在太空建立太陽能發電系統的建議。太空電站開發和評估的可行性研究在美國、英國、歐洲航天局以及日本和韓國等國家和航天機構中越來越受歡迎。未來5-10年，天基太陽能電站功率發射的軌道試驗和關鍵技術驗證將成為世界航天的重點。到2040年，世界上可以看到第一個吉瓦級空間太陽能電站系統。中國已在該領域取得了巨大的創新，並在關鍵技術上取得了突破。包括空間電站在內的空間基礎設施將成為未來空間的主要路徑王指出，這將有助於推進中國“雙碳”目標和建設航天強國。

二、中國在太空建設太陽能發電站是人類歷史突破

   海峽兩岸科技發展差距愈來愈大，兩岸領導人的視野及胸襟相差也愈來愈大，中國非常了解西方國家對氣候變遷改善的重視，因此在新能源轉變中大力發展太陽能及風力發電等可再生能源，這兩項清潔能源都取得世界第一的好成績。但是太陽能在地面的利用率其實並不高，易受到天氣、時段等影響，同時能量密度變化巨大，很不穩定，但太空中的太陽能卻非常充裕。如果人類能在太空中建造太陽能發電站，則電動汽車將可隨時隨地充電非常方便。如果在3.6萬公里高度的地球同步軌道上建設太陽能電站，太陽光不會被大氣削弱，也不受季節、晝夜變化影響，99%的時間內可穩定接收太陽輻射，且其強度是地面的6倍以上。與化石能源相比，太空太陽能是一種高效、持久、清潔的能源。太空太陽能電站可以無線方式將電能穩定傳輸到地面電網。太空太陽能發電站還可為宇宙飛船供電，使航天器擺脫巨大的太陽能板。中國自2008年起就將太空太陽能發電站研發工作納入國家先期研究規劃。近年來，提出了平台非聚光型、二次對稱聚光型、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。2019年，中國首個空間太陽能電站實驗基地在重慶啟動建設，名為“逐日工程”的空間太陽能電站系統項目也在西安電子科技大學啟動。

    自1969年世界上第一座太陽能發電站在法國建成，人類掌握太陽能發電技術已超過60年。中國在重慶西部建設了首個天基太陽能電站實驗基，該基地將重點進行空間太陽能發電站、無線微波傳能以及空間信息網等技術的模擬及驗證。與此同時，在重慶700公里之外的西安，中國工程院院士、西安電子科技大學教授段寶岩團隊也在開展空間太陽能發電相關試驗，他們正在建設全球首個空間太陽能電站地面驗證中心。段寶岩被外界視為中國天線方面的頂尖專家，此前曾負責500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）的總體設計。中科院院士葛昌純指出，中國可再生能源開發規模居世界首位，但由於可再生能源的不穩定性，實際發電量占比僅為23.6%。但太陽光在太空中不會被大氣減弱，也不受季節、晝夜變化影響，可以通過無線能量傳輸方式向地面提供連續、穩定的清潔能源。2014年，國家層面組織專家開展「太空發電站發展規劃及關鍵技術體系」論證工作，並提出中國空間太陽能電站發展路線圖：第一階段是在2030年左右建設兆瓦級空間太陽能試驗電站，實現應急供電並開展科學研究；第二階段是在2050年前具備建設吉瓦級商業化空間太陽能電站的能力，滿足持續發展對能源安全的戰略需求。

三、空間太陽能電站的難點

   中國的太空太陽能電站將距地面3.6萬公里，位於地球的同步軌道上，屬於高軌道。在這樣的高度上進行能量傳輸，難度可想而知。太空電站的關鍵在於將電從太空以無線的方式穩定地傳輸到地面電網，因此大功率、遠距離無線傳能技術的突破是一個必須跨越的難關，這些技術都要先在浮空平台上做試驗。目前，空間太陽能電站的遠距離無線能量傳輸載體有微波和雷射兩種解決方案，微波的能量傳輸效率更高，雲層穿透損耗低，安全性較好，且技術相對成熟，因此現行方案多以微波傳輸為主。空間太陽能電站的第二個難點是如何將電站組件發射到3.6萬公里高度的地球同步軌道上。長期運行的安全性也是重要問題。首先是設備在太空中的運行安全問題，其次是微波輻射下對生態、大氣、生物體等的影響問題。隨著璧山基地開工，中國探索空間太陽能發電技術也算是邁出實質性一步。據《中國科學報》報導，考慮到目前的技術水平及條件受限，直接在3.6萬公里的同步軌道做試驗還不現實，將先在平流層建立起一個簡單的太陽能電站。根據其計劃，第一步先將氣球放到300米低空開展試驗；下一步再讓氣球升到2千米高空；最後，才會將氣球平台升入平流層中。在組件發射方面，璧山基地將使用太空製造技術。太空製造不僅包括太空組裝技術，還包括太空3D列印技術。在太空3D列印技術的加持下，材料能做到極度輕量化，才可能實現利用火箭將它們送往太空。

    事實上，太空太陽能電站的構想，早在50多年前就已被提出。整個20世紀70年代，美國政府投入約5000萬美元對此進行研究。但美國國家研究委員會和國會評價委員會評審認為，該方案技術上可行，但經濟上無法實現。但近年來，美國關於空間太陽能發電的想法逐漸復甦。據NASA披露，X-37B將為美國空軍學院部署小型FalconSAT-8衛星。該衛星攜帶八個實驗項目，其中包括為海軍研究實驗室進行的一項研究無線電力傳輸的實驗。報導指出，太空太陽能發電技術的潛在應用範圍已從電力供應擴展到軍事用途。其實日本在微波無線能量傳輸技術研究上一直處於世界領先水平，但目前在許多技術強國的發展路線圖中，日本已經落後，2015年，日本研究人員進行了55米距離的微波無線能量傳輸實驗，驗證了基於5.8GHz頻率、固態源和相控陣系統的傳輸，然而，日本的測試系統仍然不是一個完整的環節，缺乏從光到電的過程，日本的技術優勢集中在從發射天線到接收天線的鏈路上。而中國西安電科大建設的地面驗證系統是一個全鏈路的全系統系統，實現了從跟踪太陽、聚光、光電轉換、微波發射到微波接收和整流的全過程。

四、最新進展

   2022年6月14日中國西安電子科技大學宣布已經成功測試了使太空太陽能發電站能夠向地球傳輸能量的技術，類似於美國宇航局早些時候宣布並在過去十年中被其他團體研究的類似技術。由陝西省西安電子科技大學段寶艷領導的“每日工程”團隊稱已設定2028年在太空建設太陽能發電廠的目標。該項目是 OMEGA 或 Orb-Shape Membrane Energy Gathering Array 的一部分，這是一項於 2014 年首次宣布的基於太空的太陽能提案。該團隊稱“全球首個全鏈路、全系統空間太陽能電站地面驗證系統順利通過專家組驗收。 ”，太空太陽能發電廠的研究目前是世界的一個熱點，包括美國宇航局的 SPS-ALPHA，或通過任意大型相控陣項目的太陽能衛星。美國航天局在十年前宣布該項目時表示，SPS-ALPHA 是一種“應對太空太陽能挑戰的仿生方法”，如果成功有可能用數以萬計的小元素建造巨大的平台它可以通過無線電力傳輸向地球市場和太空任務提供遠程且經濟實惠的電力。中國西安電子科技大學稱已完成一個可以為太空太陽能鋪平道路的地面陣列的測試和檢查。西安電子科技大學的研究人員於今年6月5日成功測試了“世界上第一個全鏈路和全系統太陽能發電廠”。該工廠是一座75 米的鋼結構，位於西安電子科技大學南校區，配備了五個不同的子系統，旨在促進天基太陽能電池陣列的最終發展。理論上講，衛星可以連續收集來自太陽的光子，使用光伏電池將它們轉化為電能，然後將電能以微波的形式無線傳送回地面的接收器。 

     天基太陽能發電站可以迴避地球上太陽能收集的問題，但就像大多數基於太空的解決方案一樣，除了一些冒險的技術和安全障礙之外，主要問題是發射這些衛星和建造太空太陽能收集器的成本。    作為天基太陽能發電站分階段開發的一部分，中國正計劃在未來十年內在不同軌道高度進行太陽能發電和傳輸測試。中國主要的國有航天器製造商中國空間技術研究院（CAST）計劃於 2028 年在近地軌道上進行“空間高壓傳輸和無線電力傳輸實驗” 第一階段測試。該衛星能夠產生10千瓦電力，並攜帶一個太陽能電池陣列、微波發射天線、一個低功率激光傳輸有效載荷、一個發射陣列，並在距軌道 400 公里的距離內進行電力傳輸測試。2030年將進入第 二 階段，發射到地球靜止軌道，需要在距地球 35,800 公里的距離上進行準確的能量傳輸。第二次任務將產生高達1兆瓦的功率，具有更大的傳輸陣列和中等功率的激光功率傳輸，並且需要在軌組裝。第3和第4階段，即 2035 年和 2050 年，每個階段都需要在發電量、軌道組裝能力、波束控制精度和傳輸架構方面進行極具挑戰性的測試。CAST 在 2021 年表示，它正在努力在 2022 年進行小規模發電測試，有可能在 2030 年左右建成兆瓦級發電設施。它正在重慶建設測試設施，以支持其天基太陽能研究。