“天空中的太阳能发电站”（国际科技前沿）

段保延 图①：轨道空间太阳能发电站运行示意图。图2：“每日项目”——欧米茄太空太阳能电站地面检查系统。照片①、②由西安电子科技大学提供。 “让我们在太空建造一座发电厂，用清洁能源照亮地球！”这个曾经只出现在科幻小说中的大胆想法现在正在加速走向现实。随着全球能源转型的深入和航天发射成本的不断下降，空间太阳能电站的“未来能源”概念成为世界领先科技强国竞相设计的新高地。中国正在稳步推进太阳能航天电站“日常工程”，计划2030年左右在兆瓦级轨道进行试验。美国商人埃隆·马斯克近日表示，计划每年在太空部署1亿千​​瓦的人工智能卫星太阳能网络。耳朵。这项技术之所以受到全球关注，是因为它比常规能源具有优势，被认为是解决人类能源困境的最终解决方案之一。空间发电的优点和难点 空间太阳能发电站的想法最早由美国科学家彼得·格拉瑟于1968年提出，其工作原理与通信卫星类似。太阳能电池板绕地球运行并旋转，使其始终面向太阳并以最佳角度接收阳光。然后，收集到的能量以微波的形式传输到地面接收站，在那里转化为电能并连接到现有的电网基础设施。与地球上的太阳能发电相比，太空发电的条件非常完美：无云、无昼夜、无大气变暗。在地球静止轨道或地球-太阳同步轨道上，单个太阳能电池板接收8至太阳辐射量是地球的10倍，可以24小时连续发电。它有潜力成为稳定的“基本负载电源”（稳定持续运行的基本电源）。同时，空间太阳能电站具有非常强的扩展能力，可以通过扩展来满足世界能源增长的需求。如果将一条 1 公里宽的太阳带放置在地球静止轨道上，它在一年内接收到的能量相当于地球外部的石油量。太空太阳能发电站还可以提供多种附加值。首先，它减少了卫星的压力，允许取消大型笨重的太阳能翼（帆），代之以紧凑的接收天线，从“空间充电桩”获取电力，从而显着提高灵活性和耐用性。其次，它可以实现电力和信息的双重传输，因此通信导航卫星也具有他获得力量的能力。三是优化空间信息处理，直接在太空完成数据处理，避免目前“空间压缩、空地传输、地面解压”模式带来的丢包、失真等问题。第四，它为月球基地等深空探测设施和火星上的先进设施提供远程无线电源。然而，在太空建造超级电站并不是一件容易的事。国际上已经提出了多种空间太阳能电站的设计方案。根据太阳能收集形式的不同，主要分为集中式和非集中式两类。空间聚光太阳能电站的核心思想是利用特殊的聚光系统将太阳光聚集在太阳能电池表面，提高光电转换效率。另一方面，发射天线辐射的微波束精确指向航天器天线或地面接收站。典型的解决方案包括美国的“Alpha”和中国的“Omega”，其具有结构紧凑、重量轻的优点，但对热管理和指向精度要求较高。太阳能发电厂分散的航天机构直接放置带有独立微波发射天线的大面积柔性光伏阵列。例如日本的“弦结构”方案和中国的“多旋转关节”配置。此类设计较为简洁，但需要解决超大型柔性结构在轨部署、高精度两轴定向等问题。这就像一个巨大的“太空帆”在高速行驶时不断指向两个不同的目标，这是一个巨大的挑战。无论采用哪种方案，空间太阳能电站作为超大型电站，都必须攻克许多重要的基础技术。连接“太空与太空”、“太空与地球”的规模供电系统。例如，远距离、大功率、高效率的微波无线电力传输、轨道组装、超大结构、极端热环境控制、长期可靠运行等。这些技术相互交织，需要系统化推进。按下空间能源研发“快进键”。近年来，空间太阳能发电站已从理论探索进入工程验证的主要阶段。许多国家正在加快关键技术的研究和样机测试。一系列革命性的进展使得该技术的实施前景日益明朗。英国将把天基太阳能发电厂建设纳入其综合国家能源战略和太空战略，并提供大量资金和政策支持。欧洲航天局定位太空溶胶ar电厂被视为“具有长期可靠性的清洁基荷能源选择”，并持续投资研发并不断推动相关技术的验证。美国宇航局、国防部和其他机构继续推进关键部件和技术的太空验证。 2023 年，加州理工学院将一套采用分布式信道集中器设计的微型微波功率传输收发器天线发射到轨道。两个天线之间的距离只有 1 英尺。成功向地球传输微波束，在小型电力传输装置方面取得重大进展，为后续大型装置的研发积累了经验。日本正在情景测试中考虑这一点。 2024年12月，日本宇宙航空研究开发机构与业界合作，进行了从商用客机到地面的微波电力传输测试在长野县。该机以每小时700公里的速度在7000米的高度飞行，向地面13个接收点发射270瓦的微波功率，验证了快速移动平台向地面传输微波功率的精确技术的可行性。尽管中国在这一领域起步较晚，但进展很快。 2022年6月，西安电子科技大学牵头建设“筑立工程”。这座75米高的测试塔是全球首个全系统、全链路的空间太阳能电站地面验证系统。近期，“朱孙计划”取得一系列新突破。 “一对多”动目标能量传递技术，实现了同时驱动多个动目标的发射系统，实现了驱动多个目标的精度。控制问题已经解决。未来有望同时为多个空间供电地面上的电子工艺品和移动设备。高精度瞄准控制进一步提高了微波束的功率。指向的准确性减少了能量损失。发射接收天线集成化、小型化、轻量化取得重大进展，为设备在空间部署奠定基础。此外，中国航天科技集团公司第五研究院、重庆大学、四川大学、上海大学、中国科学院电工研究所、哈尔滨工业大学、上海交通大学等部门也积极参与相关重点技术攻关，形成多学科联合创新格局。未来将会出现丰富多样的应用场景。未来，当太空太阳能电站建成并投入运行时，人类社会的能源格局将发生巨大变化事实上，应用场景将远远超出想象。在陆地能源供应领域，传统电网受到地形和经济成本的限制。在偏远山区、沙漠和海洋等地区安装电力线路既困难又昂贵。太空太阳能电站位于太空，其视野可以完全覆盖地球上所有区域和地形。微波无线电力传输将为这些地区提供持续稳定的电力供应，为全球能源包容性做出贡献。在现场抢险救灾中，地震、台风、洪水等灾害经常造成大面积停电。空间太阳能电站的无线微波输电可提供灵活的应急供电，可快速提供“机载电力支持”，如医疗救援、通信保障、救灾现场临时住所供电等，可为拯救生命赢得宝贵的时间。在航天领域，随着太空时代的到来，越来越多的人造卫星、空间站和深空探测器冒险进入太空，对电力的需求不断增加。太空太阳能发电厂可以为这些航天器提供远距离、高性能的电力支持，使卫星运行周期更长、容量更强大。深空探测器将能够飞得更远，空间站将能够进行更多的科学实验，人类太空探索的范围和持续时间将大大扩展。未来的“太空互联网”或月球基地可能依赖于这个“太空电源”。更富有想象力的是，太空太阳能发电厂可能成为应对极端气候的新工具。台风等极端天气事件常常给沿海地区造成重大灾害。微波无线能量注入方法可用于连续加热冷气流中的水蒸气国王进入台风地区。如果这种能量足够大，有望改变区域大气环流，从而改变台风的强度和方向，减少台风造成的巨灾损失。当然，太空太阳能发电站从科学实验到商业可行的产业还有很长的路要走。各国除了要求科学家掌握一套关键技术外，还应该共享技术成果，分担研发成本，共同应对挑战。同时，商业机构的参与也很重要。要让清洁太空能源走进千家万户，成为真正造福全人类的可持续能源解决方案，需要建立政府主导、市场驱动、产学研结合的创新生态系统，降低建设和运营成本。 （作者为中国工程院院士宁宁、西安科技大学教授（西安电子）《人民日报》（2026年3月2日第13页）
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