空間太陽能電站概念圖。受訪者供圖
盼來盼去，中國工程院院士、重慶大學教授楊士中團隊期待已久的璧山空間太陽能電站實驗基地(以下簡稱璧山基地)終于開工建設了。團隊骨干專家、重慶大學微電子與通信工程學院教授仲元昌告訴《中國科學報》，該基地預計年底完工，明年正式開始相關試驗。前期，他們已在300米高度開展能量傳輸試驗。
據報道，國際上只有中國、美國、日本等少數幾個國家真正開展空間太陽能電站地面驗證。而在我國，除了楊士中團隊外，中國工程院院士、西安電子科技大學教授段寶巖團隊也在緊鑼密鼓地開展相關試驗。
在太空中建設太陽能電站，聽起來很科幻，現實同樣不容易。
中國科學院院士王希季曾在香山科學會議上將空間太陽能電站系統需要的關鍵技術總結為“聚、傳、建”。而要攻克每一項關鍵技術，難度極大，以至于有專家學者直呼，建設空間太陽能電站只是一個概念。
第一階段的第一步
其實，留給我國專家團隊的時間不多了。
早在2010年8月，在中國空間技術研究院舉辦的空間太陽能電站技術研討會上，12位院士和百余位相關領域專家提出了我國空間太陽能電站發展路線圖。
根據路線圖，2030年開始我國將建設兆瓦級小型空間太陽能試驗電站，到2050年具備建設吉瓦級商業空間太陽能電站的能力。其中第一階段又具體分三步，首先開展關鍵技術的地面及浮空器試驗驗證，其次開展高空超高壓發電輸電驗證，最終開展空間無線傳能試驗。
而楊士中和段寶巖團隊目前的工作正處在第一階段的第一步。
仲元昌向《中國科學報》介紹，前者依托高空氣球，先建設浮空平臺，然后再開展微波傳輸原理、關鍵技術探索等試驗。
楊士中團隊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，就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;最后，才會將氣球平臺升入平流層中，建立平流層太陽能電站，實現平流層的太陽能收集、儲能，并以微波和激光的方式向無人機充電及地面的應急供電。
而后者是一種基于球面線聚焦原理的聚光方案。在西安電子科技大學校園內，一座巨大的三角形塔拔地而起。在塔中心，距離地面55米高處有四個半球面的聚光裝置，每個直徑約6.7米。當太陽光射入球形反射面上后，會匯集到一個固定的聚光區，再通過太陽能電池產生直流電，隨后轉成微波，通過發射天線傳輸到地面。
“雖然路線不同，但目的都是測試微波傳輸原理及相關關鍵技術。”仲元昌說。
值得一提的是，兩個團隊的項目同時在2018年12月啟動。其中，西安電子科技大學的空間太陽能電站系統項目被命名為“逐日工程”。據媒體報道，璧山基地項目被稱為全國首個空間太陽能電站實驗基地;“逐日工程”被稱為全球首個太陽能電站地面驗證中心。
只是概念嗎
其實，研究建設空間太陽能電站的國家不僅只有中國，這一概念最早由美國科學家在1968年提出。所謂空間太陽能電站，就是在空間將太陽能轉化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳到地面的電力系統。
之所以提出建設空間太陽能電站，仲元昌分析，正是因為人類對新型清潔能源需求變得越來越迫切。但在新型清潔能源中，核能因其具有高風險性從而爭議不斷，風能、水能的穩定性又會受到季節和地理位置的影響。太陽能由于具有總量巨大，且具有取之不盡的優勢，可成為未來能源供給的支柱。
“相比于地面太陽能電站，空間太陽能電站不受大氣衰減、季節晝夜變化及地理位置的影響。”楊士中進一步解釋，在西北地區，一平方米太陽能電池可產生0.4千瓦電，而在日照較少的重慶，僅產生0.1千瓦電。但在距離地球表面約3.6萬公里的地球同步軌道上，發電功率可達10~14千瓦。
早在20世紀70年代和90年代，國際上分別發生幾次能源危機，美國繼而開始資助空間太陽能電站研究項目，并相繼提出多個方案。日本從20世紀80年代開始研究，計劃在2030年完成1吉瓦商業運行系統的技術線路圖。
段寶巖設想，空間太陽能電站未來可以成為軌道中的“太空充電樁”。他指出，目前中小衛星需要攜帶太陽帆板進行充電，但其效率低，因為當衛星旋轉到地球陰影區便無法充電。如果有了“太空充電樁”，衛星則不再需要太陽帆板，只需要新增一條接收天線，充電時飛過去，充完電再飛回來。“就像加油站一樣。”段寶巖形容道。
在仲元昌看來，研究建設空間太陽能電站更重要的意義是可帶動整個航天領域空間技術的全面進步，如在軌大型結構制造能力、人類利用空間能力以及具有非常多應用場景的微波/激光傳輸能力。
爭議中前行
實際上，空間太陽能電站概念自提出以來就飽受爭議，具體表現在技術、成本、安全上。
早在2011年，國際宇航科學院發布首份空間太陽能電站可行性和前景分析的國際評估報告。報告樂觀地估計，空間太陽能電站不僅在技術上可行，且在未來30年內也在經濟上可行。
但就目前來看，技術上是否可行，科學界還存在質疑。
例如，空間太陽能電站的遠距離無線能量傳輸載體有微波和激光兩種，相較而言，微波的能量傳輸效率更高、云層穿透損耗低、安全性較好，而且技術相對成熟。因此，現行的方案多以微波傳輸為主。
“在可預見的十年內，無線遠距離能量傳輸這一核心關鍵技術難以取得重大突破。”中科院廣州能源研究所研究員舒杰告訴《中國科學報》。
空間太陽能電站是一個非常龐大的系統工程，其重量、尺度方面遠超現有航天設施，因此人們將其稱為航天和能源領域的“曼哈頓工程”。例如，即使一個小型的兆瓦級空間太陽能電站的重量，就比現在的國際空間站要大，再考慮到發射所需要的大型運輸火箭、在軌組裝難度等，“不是一個量級”。仲元昌說。
中國空間技術研究院研究員王立等人分析提出了空間太陽能電站發展需要的9項關鍵技術，包括空間超大型可展開結構及控制技術、空間高效太陽能轉化及超大發電陣技術、空間超大功率電力傳輸與管理技術、無線能量傳輸技術、軌道間轉移技術及大功率電推進技術、空間復雜系統在軌組裝及維護技術、大型運載器及高密度發射技術、電站系統運行控制及地面接收管理技術和電站發展的基礎材料和器件研究。
鑒于空間太陽能電站商業運行的前期投入和建設難度巨大，以及國際輿論對空間大功率系統較為敏感，專家建議，開展國際合作是發展空間太陽能電站的重要途徑。
