许多国家正在加快空间太阳能电站技术的研发。

为了“将太阳能电站搬上天空”（国际科技前沿），各国正在加速空间太阳能电站技术的研发。 “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空太阳能电站“日常工程”，计划在2030年左右进行兆瓦级在轨测试。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AI卫星太阳能发电网络。这项技术之所以受到全球关注，是因为它与常规能源相比具有优势，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概念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到的太阳辐射是地球上的 8 至 10 倍，使其能够发电24小时不间断供电。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，它一年内接收到的能量相当于从地球上开采的石油量。太空太阳能发电厂还可以提供多种附加值。首先，它减轻了卫星的负载，并消除了大而笨重的正翼（帆），可以将其拆除并替换为从“空间电荷堆”汲取电力的紧凑接收天线，从而大大提高了其灵活性和耐用性。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备接收电力的能力。三是空间优化编队处理，直接在太空完成数据处理，避免目前“太空压缩、空地传输、地面解压”模式带来的丢包、失真等问题。第四，它为月球基地和火星前哨站等深空探测设施提供远程无线电源。然而，在eSpace建设一座超级发电厂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地指向航天器天线或地面上的接收站。地面。代表性的例子有美国的“阿尔法”和中国的“欧米茄”。优点是结构紧凑、重量轻，但对热管理和瞄准精度要求较高。分散式空间太阳能电站直接放置柔性光伏阵列，表面积大，具有独立的微波发射天线。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，太空太阳能电站作为连接“天对空”的超大规模供电系统，都必须攻克许多重要的基础技术。和“太空到地球”。例如，远距离大功率、高效率的无线微波功率传输、在轨大型结构的组装、极端热环境的控制、长期可靠运行等。这些技术相互交织，是系统性进步所必需的。按下空间能源研发“快进键” 近年来，空间太阳能电站已从理论探索进入工程验证的重大阶段。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。欧洲航天局将太空太阳能发电厂定位为“清洁基荷能源选择”并持续投入研发，不断推进相关技术验证。NASA、国防部等机构持续推进关键部件和技术的空间验证。2023年，加州理工学院将采用分布式通道集线器设计的微型微波功率传输收发天线阵列发射入轨，两根天线之间的距离仅1英尺。他成功将微波波束传输到地球，在小型能量传输设备方面取得了重要进展，积累了研究经验日本正在场景测试中考虑这一点，日本宇宙航空研究开发机构与工业界合作，在长野县进行了从商用飞机到地面的微波功率传输测试。飞机飞行高度为 700 公里。每小时3米，高度7000米，向地面13个接收点发射270瓦微波功率，验证了快速移动平台向地面传输微波功率的精密技术的可行性。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”移动目标电力传输技术，实现了同时向多个移动目标供电的传输系统，解决了控制问题，实现对多个目标的精确电力传输。未来，预计它将同时为多个航天器和地面移动设备供电。高精度桂在控制方面，微波束的制导精度进一步提高，能量损失降低。发射和接收天线的集成化、小型化和重量方面取得了重大进展，为设备腾出了空间。该机构奠定了基础。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、中科院电工研究所、哈尔滨工业大学、上海交通大学等部门也积极参与相关关键技术研究，形成了多学科联合创新的格局。未来将会出现丰富多样的应用场景。太空太阳能电站一旦建成并投入运行，将极大改变人类社会的能源格局，其应用场景远远超乎想象。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。在紧急救灾领域，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以提供灵活的应急供电，可以快速提供“机载电力支持”，如医疗救援、通信支持以及救灾现场临时安置的供电等，可以为挽救生命赢得宝贵的时间。在航空航天领域，无线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、能力更强大。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”和月球基地可能依赖于这个“太空能源银行”。更有想象力的是，太空太阳能发电厂可能是一个极端的解决方案。这意味着它有潜力成为应对气候变化的新工具。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连续加热下沉冷气流中的水蒸气台风地区的树干。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，减少台风灾害的损失。无论如何，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、教授西安电子科技大学学士)
（编辑：项小斌）