把太陽能電站“搬上天”（國際科技前沿）

段寶巖

圖①：空間太陽能電站在軌運行示意圖。 圖②：“逐日工程”——歐米伽空間太陽能電站地面驗證系統。 圖①圖②均為西安電子科技大學提供

“把發電站建在太空，讓清潔能源照亮地球!”——這一曾經只出現在科幻作品里的大膽構想，如今正加速走向現實。隨著全球能源轉型深入推進，航天發射成本持續下降，空間太陽能電站這一“未來能源”構想，已成為世界主要科技強國競相布局的新高地。中國正穩步推進空間太陽能電站“逐日工程”，計劃于2030年前后開展兆瓦級在軌試驗。美國企業家埃隆·馬斯克近期表示，計劃每年向太空部署1億千瓦太陽能人工智能衛星能源網絡。這項技術之所以吸引全球目光，在于它擁有傳統能源難以企及的優勢，被視為解決人類能源困境的終極方案之一。

太空發電的優勢與難點

空間太陽能電站的構想，最早由美國科學家彼得·格拉賽于1968年提出。它的工作原理與通信衛星類似：太陽能板在地球軌道上運行，通過自身旋轉始終正對太陽，以最佳角度接收陽光；隨后，收集到的能量以微波形式傳輸到地面的接收站，再轉換成電能，并接入現有的電網基礎設施。

與地面太陽能發電相比，太空的發電條件堪稱完美：無云層遮擋、無晝夜交替、無大氣衰減。在地球靜止軌道或地球太陽同步軌道上，單位太陽能電池板可接收的太陽輻射量為地面的8至10倍，且能實現24小時連續發電，具備成為穩定“基荷電源”(連續穩定運行的基礎電源)的潛力。同時，空間太陽能電站的擴展能力極強，通過擴大規模能滿足全球能源增長需求。如果在地球靜止軌道鋪設一周一公里寬的太陽能電池帶，一年接收的能量相當于地球可開采石油的總量。

空間太陽能電站還能帶來多重附加價值：一是給衛星減負，使其擺脫龐大笨重的太陽翼(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航能力；二是實現能量和信息雙傳輸，讓通信、導航衛星的天線同時具備接收電力的功能；三是優化太空信息處理，在太空直接完成數據處理，避免當前“太空壓縮、天地傳輸、地面解壓”模式帶來的丟包、失真等問題；四是為月球基地、火星前哨站等深空探測設施提供遠程無線供電。

然而，要在太空建造超級電站，并不是一件容易的事。國際上已提出多種空間太陽能電站設計方案，根據太陽光能收集形式的不同，主要分為聚光型與非聚光型兩大類。

聚光型空間太陽能電站的核心思路是通過特殊的聚光系統，一方面將太陽光集中匯聚到太陽能電池表面，提高光電轉換效率；另一方面將發射天線發出的微波波束精準對準太空飛行器或地面接收站的天線。代表方案包括美國的“阿爾法”、中國的“歐米伽”等，其優勢在于結構緊湊、重量較輕，但對熱管理與指向精度要求高。

非聚光型空間太陽能電站則直接鋪設大面積柔性光伏陣列，配合獨立的微波發射天線。比如日本提出的“繩系結構”方案、中國的“多旋轉關節”構型。這類設計更加簡潔，但需解決超大柔性結構在軌展開、雙軸高精度指向等難題，就像讓一塊巨大的“太空帆板”在高速運動中始終瞄準兩個不同的目標，挑戰很大。

無論采用哪種方案，空間太陽能電站作為一個連接“太空—太空”“太空—地面”的超大型能源供給系統，都需要突破多項關鍵核心技術。比如，遠距離高功率高效率微波無線傳能、在軌超大型結構組裝、極端熱環境控制、長期可靠性運行等。這些技術環環相扣，需系統性突破。

太空能源研發按下“快進鍵”

近年來，空間太陽能電站從理論探索邁向工程驗證的關鍵階段，多國加快推進關鍵技術攻關與原型試驗，一系列突破性進展讓這項技術的落地前景越來越清晰。

英國將建設空間太陽能電站納入國家綜合能源戰略與太空發展戰略，給予重點資金和政策支持。歐洲航天局將空間太陽能電站定位為“具備長期可行性的清潔基荷電源選項”，持續投入研發力量，穩步推進相關技術驗證。

美國國家航空航天局、國防部等機構不斷推進關鍵部件與技術的空間驗證。2023年，加州理工學院發射了一套在軌小型微波傳能收發天線，采用分布式槽型聚光設計，兩個天線間距僅一英尺，成功向地面傳輸了微波束，標志著在小型化傳能設備上取得重要突破，為后續大型設備研發積累了經驗。

日本在場景試驗中做出探索。2024年12月，日本宇宙航空研究開發機構聯合產業界，在長野縣開展商用飛機向地面微波輸電試驗。一架飛機在7000米高空以700公里/小時巡航，向地面13個接收點傳輸270瓦微波功率，驗證了高速移動平臺對地精準微波功率傳輸技術方面的可行性。

中國在該領域起步雖晚，但進展迅速。2022年6月，西安電子科技大學牽頭建成“逐日工程”——這座75米高的測試塔，是世界首個全鏈路全系統的空間太陽能電站地面驗證系統。近期，“逐日工程”取得一系列新突破：在“一對多”移動目標傳能技術上，實現一套發射系統同時為多個移動目標供電，解決了多目標供電的精準控制問題，未來有望為多個太空飛行器或地面移動設備同時供電；在高精度指向控制上，進一步提升微波波束的指向精度，減少了能量損耗；在發射與接收天線集成化、小型化與輕量化上取得關鍵進展，為設備的太空部署奠定了基礎。此外，中國航天科技集團五院、重慶大學、四川大學、上海大學、中國科學院電工所、哈爾濱工業大學、上海交通大學等單位也積極參與相關關鍵技術攻關，形成多學科協同創新格局。

未來將有豐富的應用場景

未來，空間太陽能電站一旦建成運行，將深刻重塑人類社會能源格局，應用場景遠超想象。

在地面供電領域，傳統電網受地形地貌和經濟成本制約，在偏遠山區、沙漠、海洋等地區架設輸電線路投資大、難度高。空間太陽能電站立足天基，視域可完整覆蓋地球所有區域和地形。通過微波無線能量傳輸，這些地區可獲得持續穩定的電力供應，有助于推動全球能源普惠。

在應急救災領域，地震、臺風、洪水等災害發生后，往往會導致大面積停電。空間太陽能電站的微波無線傳能可提供靈活的應急電力供應，可以快速為救災現場的醫療救援、通信保障、臨時安置點供電等提供“空中電力支援”，為生命救援爭取寶貴時間。

在航天領域，伴隨著大航天時代的到來，越來越多衛星、空間站、深空探測器將進入太空，對電力的需求持續增長。空間太陽能電站能為這些空間飛行器提供遠距離、高功率的電力支持，讓衛星的運行周期更長、功能更強大，讓深空探測器可以飛得更遠，也可以在空間站開展更多科學實驗，極大拓展人類的太空探索范圍和時間。未來的“太空互聯網”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，空間太陽能電站或許能成為應對極端氣候的新工具。臺風等極端天氣往往會給沿海地區帶來巨大災難，而利用微波無線能量注入方式，可對臺風區域內下沉冷氣流中的水汽進行持續加熱，當能量足夠大時，有望改變區域大氣環流，從而改變臺風的強度和走向，減少臺風災害帶來的損失。

當然，從科學實驗轉化為具備商業可行性的產業，空間太陽能電站仍有漫長的路要走。除了需要科學家攻克一系列關鍵技術，還需要各國共享技術成果、共擔研發成本、共同應對挑戰。同時，商業機構的參與也至關重要，需要形成政府引導、市場驅動、產學研結合的創新生態，降低建設和運營成本，讓太空清潔能源走進尋常百姓家，真正成為惠及全人類的可持續能源解決方案。

(作者為中國工程院院士、西安電子科技大學教授)

《 人民日報 》( 2026年03月02日 13 版)