中國計劃在2030年建設太陽能空間發電站

就在剛剛過去的這個周末，以其神秘特性為人所道的 X-37B 成功升空。

當地時間 17 日上午 9 時 14 分，美軍可重複使用軌道試驗飛行器 X-37B 在佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。該項目由波音公司為美國空軍打造，並為後者所有。

作為一款一直籠罩在迷霧之中的飛行器，它的每一次發射都備受關注，而且這一次，其發射、運行和著陸任務都交由剛剛成立不久的美國太空軍（the US Space Force）負責。有人說它其實是一款太空戰鬥機，也有人說它是一個洲際導彈，而美國空軍一直辯稱 X-37B 只是太空梭的升級版。

這也是美軍首次向外界公布 X-37B 航天器的飛行任務。儘管官方沒有說明 X-37B 航天器計劃在軌道上停留多長時間，也未公布任務目的。

不過，X-37B 今年的這次飛行，最引人注目的卻不是軍事任務，而是一個可能對人類開發新能源至關重要的實驗項目：在太空中利用太陽能發電，向地面傳回能量（飛行器本身也可不依賴自身攜帶的能源）。美國空軍部長芭芭拉 · 巴雷特（Barbara Barrett）在一次會議上透露，X-37B 的這一實驗由美國海軍研究實驗室設計。

這正是“空間太陽能發電”的概念。

簡而言之，就是在太空軌道上布置巨大的太陽能電池陣列，把太陽光轉換為電能，再通過微波或者雷射的形式，把電能傳輸回地球，通過地表的天線接收、整流，最後輸送到電網中。

毫無疑問，這是一項十分前沿的能源技術，一旦實現將改寫現有的能源格局。

圖丨 X-37B 照片。現在，它正在我們頭頂之上執行著其第六次任務（來源：U.S. AIR FORCE）

“人類的終極能源解決方案現在主要有兩個路徑，一是人造太陽，即可控核聚變，另外則是建設太陽能空間電站，畢竟人類在地面上利用太陽能這種量大質優的清潔能源已經接近極致。

人類的持續發展需要清潔電力，現在使用的煤炭、石油是不可持續的，而且汙染比較大，而目前主要新能源例如風能和地面太陽能等不能同時保證質和量這兩點要求。地面太陽能發電受晝夜、氣象等影響較大，而在地球軌道可以實現 24 小時太陽能發電，不過在軌道上產生的電力只能通過無線傳輸方式傳回地球。可以說，無線輸電技術決定了未來應用空間太陽能清潔電力的發展。”在接受 DeepTech 採訪時，中國空間技術研究院王立研究員如此介紹。

目前，中國空間技術研究院正在推進太陽能空間電站項目的研究，王立研究員正是該項目負責人之一。

頗具科幻色彩的硬核能源技術

早在 1941 年，科幻小說作家阿西莫夫就曾提出過類似的設想。1968 年，皮特 · 格拉澤（Peter Glaser）進一步提出了太陽能發電衛星的概念，並為此申請了專利。之後的幾十年，經過美國、日本、俄羅斯、歐洲、中國等多國的持續研發，空間太陽能發電的技術原理和理論可行性已經得到了充分的論證。

與地面上的常規太陽能電站相比，空間太陽能電站有以下幾個理論上的優勢，甚至可以實現一些我們一直以來夢寐以求的願望：

理論效率高

在地表利用太陽能發電，很大一部分的太陽能都消耗在了太陽光到達地球表面的路上。據估算，地球大氣可以反射或者吸收 55-60% 的太陽光。而如果把太陽能電池放到太空中，太陽光穿越宇宙空間直達空間太陽能電站，是沒有這個損耗的。

不過，空間太陽能發電也有自己的功率損失，例如在地表的接收端，把微波或者雷射轉化為電能的效率，還遠不到 100%。

圖 | 空間太陽能發電可以避免太陽光在大氣中的損耗。（來源：Wikipedia）

可在夜間發電

常規的太陽能電站，中午陽光直射時發電量最高，晨昏時發電量最低，夜晚就為零了。但太空中就不一樣了。運行在軌道上的空間太陽能電站，99% 的時間裡都不會被地球的影子擋住太陽光，可以一天 24 小時持續發電。而且，通過調整電池板的姿態，將其永遠維持在正對著太陽的角度，可以讓空間太陽能電站持續保持最高發電輸出。

規模大，甚至可以作為地球的“遮陽傘”

地球上的太陽能電站往往要受製於地形條件的限制，不可能無限制地大下去。但太空中則沒有這樣的限制，空間太陽能電站的總面積可以非常巨大。這樣一來，甚至可以替地表擋住一部分太陽光，減少來自太陽的能量輸入，進而降低地球表面的溫度。相當於用一把巨大的 “遮陽傘” 來緩解全球氣候變暖，幫助解決這個 21 世紀人類面臨的最棘手的問題。

超遠距離電力調度

把電力從 “富裕” 的地區調度到 “短缺” 的地區，一直是電網的重要工作。這方面最典型的代表，就是動輒跨越神州大地的特高壓超遠距離輸電線路，把西部的能源輸送到需要用電的東部。但空間太陽能電站，可以直接在太空中把微波或雷射反射到最需要電力的地區，而無需通過電網跨省、甚至跨國、跨洲調度，不用再受到電網傳輸能力的限制，甚至，可以把電力輸送到電網很難覆蓋到的地區。

乾預台風走向

對，你沒有聽錯，就是那個人人聞之變色的台風。人類已經可以乾預降雨了，但對台風還是束手無策。空間太陽能電站卻有可能帶給人類這一超凡的能力。從太空中來這麽一大股能量，是可以對地球大氣產生影響的。理論上，通過調節微波的頻率，空間太陽能電站可以對熱帶氣旋的走向和強度進行乾預和調節。一旦實現，中國東南沿海的台風、美國西海岸的颶風，都將無法上岸肆虐。

圖 | 空間太陽能發電甚至可以乾預台風的走向。（來源：NASA/NOAA GOES PROJECT，MIT TECHNOLOGY REVIEW)

不過，凡事有利就有弊。空間太陽能電站提出不是一年兩年了，一直實現不了還是有原因的。

首先，成本高昂。

對於現有的技術水準而言，建設一個空間太陽能電站所需的成本是百億、千億級別的。不論是直接發射一個電站上去，還是發射一個“太空工廠“，利用 3D 列印等技術自行在太空中組裝出一個電站來，發射成本都太高了；而地面接收電能的裝置也十分巨大、複雜，成本同樣不容小覷。

其次，技術挑戰艱巨。

空間太陽能電站的每一個環節，從電站的發射、控制、維護，到電能的轉換、傳輸、接收，無不充滿技術挑戰。不過，各項相關技術目前都在取得積極進展。X-37B 的這次實驗也是推進相關技術進步的一個關鍵項目。

圖 | 上世紀七十年代 NASA 對空間太陽能電站的天線想象圖。（來源：NASA）

第三，安全問題。

太空中滿是隕石、太空垃圾等不受控的飛行物，如果撞到電站，輕則降低發電量，重則直接報廢。發生碰撞也好，電站自己出現故障也罷，所可能產生的碎片都會變成新的太空垃圾，威脅其它在軌飛行器，比如衛星、空間站的安全。

而來自地球表面的威脅則更加恐怖。只有少數國家才擁有的反衛星武器先不提，無處不在的網絡攻擊隨時有可能黑了這麽個重要的能源設施，把它變成一個太空武器。空間太陽能電站是可以乾預台風走向的，萬一把傳輸方向從接收站改到敵國的城市，後果不堪設想。

就算正常運行，其對於生態環境的影響也需要評估。根據設計建議，空間太陽能電站的微波異塵餘生能量將僅為太陽異塵餘生的 1/4（也就是說，如果人類和其它動植物暴露在陽光下是安全的，那麽這個空間太陽能發電站的微波也就是安全的），但畢竟總能量巨大，對於生態環境會不會造成嚴重的影響尚未可知。

因此，如何保證空間太陽能電站自身的安全，以及其所能影響到的環境的安全，都是巨大的挑戰。

儘管如此，世界各國還是對開發空間太陽能發電站充滿了興趣。

美國早在 1974 年就展開了相關研究，之後的八十年代和最近的十年，以美國軍方和航天局為代表的許多項目相繼展開。

這次 X-37B 的發射，將是這類實驗首次在太空中進行。該實驗名為“光伏射頻天線模塊飛行實驗（Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module Flight Experiment，PRAM-FX）”，計劃將光伏陣列產生的直流電轉化為頻率是 2.45GHz 的微波，記錄相關的數據，並對設備效率進行研究。日本的三菱重工在 2015 年開展實驗，將 10 千瓦的太陽能通過微波傳送到了 500 米以外的地方，證明了技術的可行性。俄羅斯和歐洲也有類似的計劃。

中國計劃在 2030 年建設太陽能空間發電站

X-37B 進行的這一實驗讓我們再次將目光聚焦到了人類在實現 “空間太陽能發電” 上的進度條。事實上，國內早已啟動相關的技術測試。

在這個領域，中國亦有著遠大的目標：2008 年，中國將空間太陽能電站研發工作納入國家先期研究規劃，力爭在 2030 年開始建設兆瓦級空間太陽能試驗電站，2050 年前具備建設吉瓦級商業空間太陽能電站的能力。

具體實施上，我國首個空間太陽能電站實驗基地已經在 2018 年 12 月宣布於重慶啟動建設。

圖 | 空間太陽能電站想象圖，看到傳輸電力的微波了嗎？（來源：Wikipedia）

王立表示，空間太陽能發電的核心技術——微波輸能——多年來已在全球科學家的努力下於實驗室得到驗證，且各國實力相當，現階段需要走出實驗室在更大的室外空間進行更多實戰，包括對傳輸和接收效率的改善，微波對環境和人體帶來的具體影響等。而在重慶搭建的實驗基地，有望成為該領域的重要實驗場。

“希望能夠推動這個實驗平台成為新的‘大科學裝置’，以吸引全球的技術專家共同加入研究”，王立說。

更多的技術解讀見以下專訪 QA 內容：

DeepTech：美國空軍這次微波輸送電能的實驗和國內做太陽能空間發電站的技術是相同的嗎？

王立：雖然還不了解實驗的技術細節，但我認為應該是差不多的。微波傳送電能和雷射傳送電能這兩種技術都有人在從事研究，它們的原理都是將電能實現遠距離傳輸。

在電氣工程誕生的一百多年裡，電能都是通過電線傳播的。現在大家接觸和使用的無線輸能通常是通過電磁耦合實現的，也是現在研究進展很快而且應用最好的，例如日常生活中的手機無線充電。但是它只能在厘米級傳輸。麻省理工學院提出的磁耦合諧振原理可實現米級的無線傳能。

用衛星往地面傳輸電能一般距離要達到幾百公里至 36000 公里。上述方法無法實現遠距離無線輸能。要實現真正的遠距離無線能量傳輸則需要通過微波或者雷射等。微波輸能是把電能通過微波器件轉化為微波，再天線定向發射電功率，並定點接收。這兩種技術差別還是比較大的。

圖 | X-37B（來源：麻省理工科技評論）

DeepTech：微波輸能技術現在處於什麽階段？

王立：我們認為，微波輸能技術的核心問題是解決微波的空間傳輸（或能量捕獲）效率以及基礎微波器件的轉化效率，這包括微波源的轉化效率和接收整流器件的效率，前者涉及微波傳輸理論及天線系統設計等非常複雜的科學技術難題。

現在使用的微波源主要有兩種：一種是速調管、磁控管和行波管等電真空器件，它的高頻效率也不是太高；另外一種是固態半導體放大器，目前在 5.8GHz 的效率只有 50%-60%，但隨著材料和器件技術的發展，這種器件轉化效率的提高速度還是挺快的。

目前世界各研究機構在微波輸能技術方面的差距不是很大。在通過系統設計方法創新和新型天線設計提升微波空間傳輸方面，各個研究機構都在進行研究。

DeepTech：中國的空間太陽能發電站規劃路線圖是什麽？

王立：每個國家都有自己的空間太陽能發展路線圖，每隔一段時間都會更新路線圖。中國專家經過論證提出的發展目標是 2050 年建設商用大型的空間太陽能電站，這是一個遠期目標，而實現這一目標要分為幾個階段，首先就是要有一個實驗性的電站。我們初步計劃是在 2030 年前後建設一個實驗性的小型太空發電站。

DeepTech：達成 2030 年目標的成本？

王立：由於是實驗性電站，所以它的造價要考慮研究投入和建設成本兩部分。我們目前提出的傳輸 MW 級電量的實驗電站重量估算為 200 噸左右，這已經是很大的規模了，可能比現在國際空間站都大。按現在的發射成本算的話，它的造價會比較大，應該是千億數量級人民幣。

DeepTech：今年的重點工作是什麽？

王立：我們正在和重慶的高校合作，搭建一個微波輸能的實驗平台。在兩個山體之間做微波的輸能實驗，來驗證微波輸能的各個環節設計效果，並研究微波輸能對環境的影響，進行科學數據積累。重慶的實驗平台是永久性專用實施，基本上可以長期開展不同功率、不同頻率的微波輸能全系統實驗，它應該比其他地方的實驗條件更好。

我們今年的計劃是開展一些不同目的的微波輸能演示實驗。這只是第一階段，我們的長遠目標是把重慶實驗基地建成國際級的微波輸能科研基地。目前還沒有國家做到這一點，大多研究都是在實驗室中或使用臨時性場地。

另外，建設重慶實驗平台也是為了給未來制定無線輸能標準做一些前期準備。我們認為，無線輸能技術會重塑現在的能源產業，標準的制定需要早於技術的商業化實現。

DeepTech：對於普通人來說，可想象的微波輸能應用場景是哪些？

王立：我們也做過相關論證，我們認為個人用戶不是微波無線輸能的重點，它更多針對的可能是物聯網、無線傳感器網絡、移動充電等應用和特殊的高價值供電情況，如救災、重要設施等。

從目前來看，我們認為，如果 2030 年左右能實現空間太陽能電站發電，這些能量可能首先還不是用於供給地面的電力系統，而更有意義的是用在支持科學研究方面，如乾預台風颶風研究等。事實上每一年的台風颶風都給人類造成了巨大的生命財產損失。

DeepTech：如何理解“人造太陽“與微波無線輸能這兩種清潔能源技術路線的關係？

王立：人類還在核聚變的理論突破的路上，但是空間太陽能發電沒有理論問題，它更多面臨的是技術和成本問題。

從實現上來說空間太陽能電站相對容易。空間太陽能電站和人造太陽不是替代關係。空間太陽能電站帶來的最大變化就是無線輸能。無線輸能的影響面更大更寬，它涉及能源獲取和應用問題，在人類的科技產業上會帶來很多變革機會。眾所周知，每一次能源技術的革命對人類文明的影響是非常顯著的。

（來源：Wikicommons）

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參考：

https://www.vice.com/en_ca/article/k7qq5n/the-air-forces-top-secret-x37b-plane-is-launching-again-this-weekend

http://www.nengyuanjie.net/article/28111.html

http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2019-02/14/content_750019.shtml

https://www.thedrive.com/the-war-zone/33339/x-37b-space-planes-microwave-power-beam-experiment-is-a-way-bigger-deal-than-it-seems

https://www.livescience.com/microwave-beam-military-space-plane.html

https://www.popularmechanics.com/science/a32495344/x-37b-space-plane-space-force-watch-launch/

https://www.space.com/space-force-x-37b-space-plane-otv-6-launch-animation.html

http://www.xinhuanet.com/mil/2020-05/11/c_1210613823.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Space-based_solar_power

https://baike.baidu.com/item/%E7%A9%BA%E9%97%B4%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E5%8F%91%E7%94%B5%E7%AB%99

https://tech.sina.com.cn/d/s/2019-01-24/doc-ihrfqzka0517435.shtml