空间太阳能电站：未来版三峡工程

空间太阳能电站：未来版三峡工程
本周(2018年12月6日)，在重庆璧山召开了一个空间太阳能电站技术交流会，还宣布启动首个空间太阳能电站实验基地建设项目，中国对于空间太阳能电站的研究进展也引起了世界的关注。
首先说明一下，空间太阳能电站并非是为了给太空基地和飞船提供能量供应，而是将收集的太阳能以无线传输的方式供给地面人类使用。
空间太阳能电站构想最早由美国科学家格拉塞于1968年提出。他设想将太阳能发电站布置在地球同步轨道上，当收集到的太阳能转化为电能后，再通过微波发射器将电能转换为微波束并传输到地面，地面接收装置再将微波束能转变为电能，送入供电网。
与地面太阳能电站相比，空间太阳能电站不受昼夜、天气等自然因素影响，对太阳能的利用率也更高。
据中国工程院院士杨士中介绍，每平方米太阳能电池在我国西北地区的最高发电功率约0.4千瓦，在平流层的发电功率达7千瓦-8千瓦，而在距离地球表面约3.6万公里的地球同步轨道上，发电功率可达10千瓦-14千瓦。
实际上太空发电技术早就不稀奇。如今人造卫星、宇宙飞船、空间站等航天器上的能源，大部分是采用太阳能供电，我们看到新闻里卫星展开的两个小翅膀，那就是太阳能电池板，还有些干脆直接把太阳能电池贴在卫星的表面上。
目前，中国、美国、日本等都提出过在太空建设太阳能电站发展计划，但都处于基础研究阶段。因为和卫星自带的发电装置不同，空间太阳能电站需要解决三个关键问题：
一是如何通过大型运载火箭将那么大的发电设备运送至地球同步轨道？
二是如何将电能传输到地面？
三是如何保障设备运行安全和环境安全？
其中，关键是能源传输问题。因为不可能从太空到地面扯一根输电线，科学家们很早就提出了 “微波”传输的方式。微波是一种电磁辐射，能够在损耗较少的情况下，通过大气层传播能量。地面接收系统接收到太空发来的微波后，能通过转换装置把它们转回电能，供我们使用。
其实，除了这些技术问题，更主要的问题是超大的资金投入。
早在2011年，就有专家曾估算过，这种项目的投资少说也要在3000亿--10000亿美金。要知道世界上80%的国家GDP都达不到这个数字。
在太空建设发电站，需要运载发射的质量达到万吨以上，这比目前的卫星高出4个数量级；电池展开面积达到数平方千米以上，比目前的卫星高出6个数量级；要实现比卫星高出6个数量级发电功率，则需要特别的电源管理和热控技术。为了维持更长的发电寿命，就需要新材料和在轨维护技术；
如此巨额的耗资和人力物力投入，让人不得不担心它的投入产出比。
20世纪70年代末，全球发生石油危机，美国宇航局和能源部组织专家进行空间太阳能电站的可行性研究。专家们经过论证提出了一个名为“1979SPS基准系统”的空间太阳能电站方案。该方案以21世纪美国将拥有3亿人口，人均用电2kw，假设其中50%由空间太阳能电站供给为目标，在地球静止轨道上部署60个发电能力各为5GW的电站。
该计划的研制、发射、组装费用预计2500亿美元，可以说是耗资巨大。也正是因为如此巨大的投资，并且一些关键技术还没把握，美国政府对此不感兴趣，因此也没有实施。
2008年12月，刚当选总统的奥巴马过渡小组在白宫网站上发布了向公众征集建议的白皮书，太空太阳能电站也被列入了20个讨论最多的建议之一。
在能源缺乏的日本，从20世纪80年代就开始进行空间太阳能电站概念及其关键技术的广泛研究。日本的计划是，投资145亿欧元，于2030年建成装有太阳能电池阵的小型卫星系统，所传回的电力可供约50万户东京家庭使用。
回到我国，上世纪就有科学家注意到这一技术，但由于缺乏足够的支持，研究进展很慢。2012年3月份召开的国际空间太阳能电站工作组第一次会议上，13名科学家没有一名是来自中国的。
虽然中国在这个领域起步晚，但不仅国内专家有信心，国际上也普遍认为，中国人有能力，也最有条件在该领域‘领跑’世界。
中国航天科技集团五院载人飞船系统总设计师张柏楠曾在2016年3月向媒体透露，五院“钱学森空间技术实验室”团队已开展太阳能电站具体研究工作。
除了技术，空间太阳能电站的建设、运营需要巨额的投资、广阔的市场以及环境、政策等因素配合，综合多方因素，各国纷纷把目光投向中国，认为中国应该在该领域发挥重要的牵引作用。
据悉，这次即将启动建设的璧山空间太阳能电站实验基地项目。2019-2020年为实验基地建设期，包括在高度50-300米的浮空平台开展微波传能实验；2021-2025年将建设中小规模平流层太阳能电站；2025年后开始大规模空间太阳能电站系统相关工作。
实际上，空间太阳能发电作为一个综合的空间和地面工程，涉及到许多重要的技术领域，如空间运输、航天器设计、微波技术、激光技术、材料技术等。前期研究工作可以说是一个抓手，实现一箭多雕。对中国而言，空间科技发展的战略机遇期已经来临。