把太陽(yáng)能電站“搬上天”（國(guó)際科技前沿）

段寶巖

圖①：空間太陽(yáng)能電站在軌運(yùn)行示意圖。 圖②：“逐日工程”——?dú)W米伽空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)。 圖①圖②均為西安電子科技大學(xué)提供

“把發(fā)電站建在太空，讓清潔能源照亮地球!”——這一曾經(jīng)只出現(xiàn)在科幻作品里的大膽構(gòu)想，如今正加速走向現(xiàn)實(shí)。隨著全球能源轉(zhuǎn)型深入推進(jìn)，航天發(fā)射成本持續(xù)下降，空間太陽(yáng)能電站這一“未來(lái)能源”構(gòu)想，已成為世界主要科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)相布局的新高地。中國(guó)正穩(wěn)步推進(jìn)空間太陽(yáng)能電站“逐日工程”，計(jì)劃于2030年前后開(kāi)展兆瓦級(jí)在軌試驗(yàn)。美國(guó)企業(yè)家埃隆·馬斯克近期表示，計(jì)劃每年向太空部署1億千瓦太陽(yáng)能人工智能衛(wèi)星能源網(wǎng)絡(luò)。這項(xiàng)技術(shù)之所以吸引全球目光，在于它擁有傳統(tǒng)能源難以企及的優(yōu)勢(shì)，被視為解決人類能源困境的終極方案之一。

太空發(fā)電的優(yōu)勢(shì)與難點(diǎn)

空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想，最早由美國(guó)科學(xué)家彼得·格拉賽于1968年提出。它的工作原理與通信衛(wèi)星類似：太陽(yáng)能板在地球軌道上運(yùn)行，通過(guò)自身旋轉(zhuǎn)始終正對(duì)太陽(yáng)，以最佳角度接收陽(yáng)光；隨后，收集到的能量以微波形式傳輸?shù)降孛娴慕邮照荆俎D(zhuǎn)換成電能，并接入現(xiàn)有的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

與地面太陽(yáng)能發(fā)電相比，太空的發(fā)電條件堪稱完美：無(wú)云層遮擋、無(wú)晝夜交替、無(wú)大氣衰減。在地球靜止軌道或地球太陽(yáng)同步軌道上，單位太陽(yáng)能電池板可接收的太陽(yáng)輻射量為地面的8至10倍，且能實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)發(fā)電，具備成為穩(wěn)定“基荷電源”(連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)電源)的潛力。同時(shí)，空間太陽(yáng)能電站的擴(kuò)展能力極強(qiáng)，通過(guò)擴(kuò)大規(guī)模能滿足全球能源增長(zhǎng)需求。如果在地球靜止軌道鋪設(shè)一周一公里寬的太陽(yáng)能電池帶，一年接收的能量相當(dāng)于地球可開(kāi)采石油的總量。

空間太陽(yáng)能電站還能帶來(lái)多重附加價(jià)值：一是給衛(wèi)星減負(fù)，使其擺脫龐大笨重的太陽(yáng)翼(帆)，換上小巧的接收天線，從“太空充電樁”獲取電力，顯著提升靈活性和續(xù)航能力；二是實(shí)現(xiàn)能量和信息雙傳輸，讓通信、導(dǎo)航衛(wèi)星的天線同時(shí)具備接收電力的功能；三是優(yōu)化太空信息處理，在太空直接完成數(shù)據(jù)處理，避免當(dāng)前“太空壓縮、天地傳輸、地面解壓”模式帶來(lái)的丟包、失真等問(wèn)題；四是為月球基地、火星前哨站等深空探測(cè)設(shè)施提供遠(yuǎn)程無(wú)線供電。

然而，要在太空建造超級(jí)電站，并不是一件容易的事。國(guó)際上已提出多種空間太陽(yáng)能電站設(shè)計(jì)方案，根據(jù)太陽(yáng)光能收集形式的不同，主要分為聚光型與非聚光型兩大類。

聚光型空間太陽(yáng)能電站的核心思路是通過(guò)特殊的聚光系統(tǒng)，一方面將太陽(yáng)光集中匯聚到太陽(yáng)能電池表面，提高光電轉(zhuǎn)換效率；另一方面將發(fā)射天線發(fā)出的微波波束精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)太空飛行器或地面接收站的天線。代表方案包括美國(guó)的“阿爾法”、中國(guó)的“歐米伽”等，其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕，但對(duì)熱管理與指向精度要求高。

非聚光型空間太陽(yáng)能電站則直接鋪設(shè)大面積柔性光伏陣列，配合獨(dú)立的微波發(fā)射天線。比如日本提出的“繩系結(jié)構(gòu)”方案、中國(guó)的“多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)”構(gòu)型。這類設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，但需解決超大柔性結(jié)構(gòu)在軌展開(kāi)、雙軸高精度指向等難題，就像讓一塊巨大的“太空帆板”在高速運(yùn)動(dòng)中始終瞄準(zhǔn)兩個(gè)不同的目標(biāo)，挑戰(zhàn)很大。

無(wú)論采用哪種方案，空間太陽(yáng)能電站作為一個(gè)連接“太空—太空”“太空—地面”的超大型能源供給系統(tǒng)，都需要突破多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。比如，遠(yuǎn)距離高功率高效率微波無(wú)線傳能、在軌超大型結(jié)構(gòu)組裝、極端熱環(huán)境控制、長(zhǎng)期可靠性運(yùn)行等。這些技術(shù)環(huán)環(huán)相扣，需系統(tǒng)性突破。

太空能源研發(fā)按下“快進(jìn)鍵”

近年來(lái)，空間太陽(yáng)能電站從理論探索邁向工程驗(yàn)證的關(guān)鍵階段，多國(guó)加快推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與原型試驗(yàn)，一系列突破性進(jìn)展讓這項(xiàng)技術(shù)的落地前景越來(lái)越清晰。

英國(guó)將建設(shè)空間太陽(yáng)能電站納入國(guó)家綜合能源戰(zhàn)略與太空發(fā)展戰(zhàn)略，給予重點(diǎn)資金和政策支持。歐洲航天局將空間太陽(yáng)能電站定位為“具備長(zhǎng)期可行性的清潔基荷電源選項(xiàng)”，持續(xù)投入研發(fā)力量，穩(wěn)步推進(jìn)相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證。

美國(guó)國(guó)家航空航天局、國(guó)防部等機(jī)構(gòu)不斷推進(jìn)關(guān)鍵部件與技術(shù)的空間驗(yàn)證。2023年，加州理工學(xué)院發(fā)射了一套在軌小型微波傳能收發(fā)天線，采用分布式槽型聚光設(shè)計(jì)，兩個(gè)天線間距僅一英尺，成功向地面?zhèn)鬏斄宋⒉ㄊ?，?biāo)志著在小型化傳能設(shè)備上取得重要突破，為后續(xù)大型設(shè)備研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

日本在場(chǎng)景試驗(yàn)中做出探索。2024年12月，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界，在長(zhǎng)野縣開(kāi)展商用飛機(jī)向地面微波輸電試驗(yàn)。一架飛機(jī)在7000米高空以700公里/小時(shí)巡航，向地面13個(gè)接收點(diǎn)傳輸270瓦微波功率，驗(yàn)證了高速移動(dòng)平臺(tái)對(duì)地精準(zhǔn)微波功率傳輸技術(shù)方面的可行性。

中國(guó)在該領(lǐng)域起步雖晚，但進(jìn)展迅速。2022年6月，西安電子科技大學(xué)牽頭建成“逐日工程”——這座75米高的測(cè)試塔，是世界首個(gè)全鏈路全系統(tǒng)的空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)。近期，“逐日工程”取得一系列新突破：在“一對(duì)多”移動(dòng)目標(biāo)傳能技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)一套發(fā)射系統(tǒng)同時(shí)為多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)供電，解決了多目標(biāo)供電的精準(zhǔn)控制問(wèn)題，未來(lái)有望為多個(gè)太空飛行器或地面移動(dòng)設(shè)備同時(shí)供電；在高精度指向控制上，進(jìn)一步提升微波波束的指向精度，減少了能量損耗；在發(fā)射與接收天線集成化、小型化與輕量化上取得關(guān)鍵進(jìn)展，為設(shè)備的太空部署奠定了基礎(chǔ)。此外，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院、重慶大學(xué)、四川大學(xué)、上海大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電工所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也積極參與相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，形成多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新格局。

未來(lái)將有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景

未來(lái)，空間太陽(yáng)能電站一旦建成運(yùn)行，將深刻重塑人類社會(huì)能源格局，應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)超想象。

在地面供電領(lǐng)域，傳統(tǒng)電網(wǎng)受地形地貌和經(jīng)濟(jì)成本制約，在偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠、海洋等地區(qū)架設(shè)輸電線路投資大、難度高。空間太陽(yáng)能電站立足天基，視域可完整覆蓋地球所有區(qū)域和地形。通過(guò)微波無(wú)線能量傳輸，這些地區(qū)可獲得持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，有助于推動(dòng)全球能源普惠。

在應(yīng)急救災(zāi)領(lǐng)域，地震、臺(tái)風(fēng)、洪水等災(zāi)害發(fā)生后，往往會(huì)導(dǎo)致大面積停電?？臻g太陽(yáng)能電站的微波無(wú)線傳能可提供靈活的應(yīng)急電力供應(yīng)，可以快速為救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的醫(yī)療救援、通信保障、臨時(shí)安置點(diǎn)供電等提供“空中電力支援”，為生命救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

在航天領(lǐng)域，伴隨著大航天時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多衛(wèi)星、空間站、深空探測(cè)器將進(jìn)入太空，對(duì)電力的需求持續(xù)增長(zhǎng)?？臻g太陽(yáng)能電站能為這些空間飛行器提供遠(yuǎn)距離、高功率的電力支持，讓衛(wèi)星的運(yùn)行周期更長(zhǎng)、功能更強(qiáng)大，讓深空探測(cè)器可以飛得更遠(yuǎn)，也可以在空間站開(kāi)展更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)，極大拓展人類的太空探索范圍和時(shí)間。未來(lái)的“太空互聯(lián)網(wǎng)”或月球基地，或許都將依賴這種“天基充電寶”。

更具想象力的是，空間太陽(yáng)能電站或許能成為應(yīng)對(duì)極端氣候的新工具。臺(tái)風(fēng)等極端天氣往往會(huì)給沿海地區(qū)帶來(lái)巨大災(zāi)難，而利用微波無(wú)線能量注入方式，可對(duì)臺(tái)風(fēng)區(qū)域內(nèi)下沉冷氣流中的水汽進(jìn)行持續(xù)加熱，當(dāng)能量足夠大時(shí)，有望改變區(qū)域大氣環(huán)流，從而改變臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度和走向，減少臺(tái)風(fēng)災(zāi)害帶來(lái)的損失。

當(dāng)然，從科學(xué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為具備商業(yè)可行性的產(chǎn)業(yè)，空間太陽(yáng)能電站仍有漫長(zhǎng)的路要走。除了需要科學(xué)家攻克一系列關(guān)鍵技術(shù)，還需要各國(guó)共享技術(shù)成果、共擔(dān)研發(fā)成本、共同應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。同時(shí)，商業(yè)機(jī)構(gòu)的參與也至關(guān)重要，需要形成政府引導(dǎo)、市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新生態(tài)，降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，讓太空清潔能源走進(jìn)尋常百姓家，真正成為惠及全人類的可持續(xù)能源解決方案。

(作者為中國(guó)工程院院士、西安電子科技大學(xué)教授)

《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2026年03月02日 13 版)