要把光伏電站建到太空！
科幻小說中的奇妙構想，如今正逐漸成為現實。
今年3月，英國《泰晤士報》發表了一篇文章，其中提到：英國政府正考慮投資160億英鎊（約合1300億元人民幣），在太空建設太陽能電站。該電站直徑將達到1.7千米，重約2000噸，計劃於2040年建成並投入使用，該計劃也被視作是可以幫助英國到2050年實現凈零排放的潛在解決方案。
5月28日，美國宇航局發言人表示，將緊隨美國軍方步伐，重新開始天基太陽能（即太空太陽能電站）的研究。該發言人稱，以前的障礙在於發射成本高，不值得部署這些太空太陽能工廠，現在我們看到發射變得更加容易、成本更低，太空運輸不再是限制，這使得太空太陽能發電站的建造成為可能。
6月21日，西安電子科技大學段寶岩院士帶領的“逐日工程”，全鏈路、全系統的空間太陽能電站地面驗證系統通過驗收。這意味着，中國“太空三峽”建造邁出重要一步，這個時間比原定的技術路線節點提前了將近三年。
進入2022年，受俄烏衝突引發的歐洲能源危機影響，各國追求太空太陽能電站的熱度與日俱增。專家分析，在全球能源危機的大背景下，太陽能這個取之不盡用之不竭的能源，有望隨着太空太陽能電站的建成，成為人類解決能源問題的重要選項。
太空光伏電站
據了解，空間太陽能電站構想最早由美國科學家格拉澤於1968年提出，即在地球軌道上建立太陽能電站，並通過無線傳輸方式持續向地面提供電力的發電系統。
與地面太陽能電站相比，空間太陽能電站不受晝夜、天氣等自然因素影響，對太陽能的利用率也更高。
2007年，美國五角大樓曾向國家安全太空辦公室提交過一份長達75頁的研究報告。
報告指出，太空太陽能可能成為一種可以利用的新能源。如果能在太空中放置一塊“光伏板（一種受陽光照射產生直流電的發電裝置）”，一切問題都將迎刃而解。屆時，地球能夠接收到的太陽能量將增加至100%，而不是70%，因為太陽輻射到地球的能量受到黑夜、多雲的天空和大氣的影響，其接收能力有限。
五角大樓的最初目的，是希望通過裝置在巨型衛星上的太陽能電池板搜集太空能量，為地面上位於各地的美軍基地提供能源。
如今，伴隨着能源短缺以及傳統化石能源帶來的全球性氣候與環境問題愈發嚴峻，發展清潔能源、開發可再生能源，逐漸替代傳統化石能源成為全球共識。在太空建設光伏電站，從而實現太陽能大規模穩定利用，已成為世界科技大國解決未來能源和環境問題的主要戰略選擇之一。
多國研發，集思廣益
在太空太陽能電站的研究方面，美國一直走在世界前列。以美國空軍研究實驗室和諾斯羅普·格魯曼公司等為主的機構正不斷加大在該領域的研發力度，並表示將在2025年前開展關鍵技術空間驗證。據美國宇航局發布的消息稱，美國海軍研究實驗室曾於2020年在太空中測試了一套太陽能模塊和電力轉換系統，為建造太空太陽能電站邁出關鍵的一步。
歐洲航天局官網信息顯示，歐洲從1998年起就開始進行太空太陽能電站的研究工作，並提出了“太陽帆塔”的概念設計，計劃將“太陽帆塔”搬上太空，為歐洲源源不斷輸送清潔電力資源，
而作為世界第三大太空強國，日本從上世紀80年代起，就對太空太陽能電站的關鍵技術進行了廣泛研究。在此基礎上，日本已將太空太陽能發電列入國家發展計劃，提出2050年前建設商業太空太陽能電站的發展路線圖。
日本計劃在地球的靜止軌道上，距離地球約3.6萬公里，建造一個發電量為10億千瓦的太空發電站，為此多個機構研究所的研究人員集思廣益，提出了多個設計方案。日本宇宙航空研究開發機構的研究院設計的太陽能電池板像是兩面巨大的鏡子，這兩面“鏡子”直徑為1.25公里，將太陽光聚集到上面後，通過微波傳輸器將能量傳輸到地球。
中國要建“太空三峽”
另一邊，中國科學界也緊隨世界潮流。
根據葛昌純院士2021年發表在《中國科學報》上的文章介紹，在國家有關部門支持下，我國從“十一五”正式開始空間太陽能電站研究，目前在系統設計和關鍵技術方面已經取得了部分重要成果。
2010年，我國12位院士和百餘位相關領域專家曾在中國空間技術研究院舉辦的空間太陽能電站技術研討會上發布了我國空間太陽能電站發展路線圖，提出到2030年建設兆瓦級小型空間太陽能試驗電站的“三步走”計劃：首先開展關鍵技術的地面及浮空器試驗驗證，其次開展高空超高壓發電輸電驗證，最終開展空間無線傳能試驗。該路線圖還提出了到2050年具備建設吉瓦級商業空間太陽能電站能力的目標。
2014年，工信部、發改委、科技部等16個部委組織了來自國內的130餘位專家開展了近一年的論證工作，論證組最終完成了《中國太空發電站發展規劃及關鍵技術體系規劃論證報告》。
2021年6月18日，中國首個空間太陽能電站實驗基地在重慶璧山正式啟動，計劃在距離地球表面3.6萬公里的高空建造“太空三峽”。該基地將重點進行空間太陽能發電站、無線微波傳能以及空間信息網等技術的前期演示模擬與驗證。
同年12月23日，“逐日工程”啟動，拉開了“逐日工程”空間太陽能電站的戶外地面驗證挑戰的序幕。
2022年6月5日，從西安電子科技大學段寶岩院士帶領的“逐日工程”研究團隊傳來好消息，世界首個全鏈路全系統的空間太陽能電站地面驗證系統順利通過專家組驗收。測試成功時間比原定技術路線節點，提前了近三年。
這一驗證系統突破並驗證了高效率聚光與光電轉換、微波轉換、微波發射與波形優化、微波波束指向測量與控制、微波接收與整流、靈巧機械結構設計等多項關鍵技術。
空間太陽能電站的優缺點
如果不考慮建設成本和技術成熟度問題，簡單來看，空間太陽能電站的優勢包括以下三點：
一是空間太陽能屬於綠色清潔和可再生的能源。如果空間太陽能電站能夠成熟使用，可以克服化石能源帶來的各種問題，而且不像風電、水電，對地理環境有特殊要求，也不像核電站需要消耗核燃料、有產生核污染的風險。
二是能源利用效率高。在太空中對太陽能轉換效率可以提高14倍。在中國西北地區，一平方米太陽能電池可產生0.4千瓦電，而在日照較少的重慶，僅產生0.1千瓦電。但如果是在脫離了對流層的太空中，能產生10至14千瓦的電力。但在距離地球表面約3.6萬公里的地球同步軌道上，發電功率可達10~14千瓦。
三是可實現超遠距離能量傳輸和調度。空間太陽能電站利用無線能量傳輸技術，可以快速將能量聚焦傳輸到偏遠的環境，比如海上、沙漠中等缺乏電網設施的地區。不僅如此，還可以在飛機、衛星、輪船、深空航天器甚至在其他星球上搭載接收微波能量的天線設備，讓這些移動平台在需要時方便地接收來自太空的微波能量，實現“充電自由”。
當然，空間太陽能電站也面臨不少困難和挑戰，主要有以下三個方面：
一是裝備容易受損和老化。太空環境非常複雜，環境輻射強烈，溫度變化劇烈，所以發電光伏板在太空中的老化速度遠遠超過在地球上的速度（有計算為比地球上老化快7倍左右）。此外，空間太陽能電站需要非常龐大的體積，特別是展開的光伏板或者反射鏡面等，因此更容易受到空間碎片的碰撞。
二是難以組裝、建設和維修。在地面維護和更換太陽能電池板是非常簡單的事，但是在太空中往往需要通過遙控機器人來實現空間太陽能電站的組裝和維修。此前美國曾經多次通過航天員的太空行走，實現對哈勃空間望遠鏡（軌道高度在570千米左右）的維修，但是如果在地球同步軌道（3.6萬千米）建設和維修空間太陽能電站，其難度和風險都遠遠超出以往的太空維修任務。
三是微波傳輸可能干擾通信波段。目前，典型的無線能量傳輸設計是利用在1到10GHz頻率範圍內的微波，例如常用的2.45GHz（微波爐的常用頻率）或5.8GHz微波，因為該頻段是大氣微波傳輸的窗口，微波能量損耗最小。但是藍牙、無線網絡（WiFi）以及一些特殊的微波通信頻率也在這個範圍內，還有一些天文觀測可能也會針對這個頻段，這樣就可能產生頻譜干擾問題，需要通過管理協調。
結語
一個世紀前，當俄羅斯一位科學家提出在太空中建造巨型太陽能發電站，持續不斷向地球提供足夠用的清潔能源時，這個大膽的構想一直被當成科幻小說創作的素材。1941年，著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫發表的短篇小說《推理》，就描述了這樣一個能收集太陽能、並通過微波向行星傳遞能量的空間站。1968年，美國科學家彼得·格拉賽博士提出了太空太陽能電站方案，依靠太陽能發電衛星，將太陽能轉化為電能，並經過無線能量傳輸系統將能量送達地面。隨後，世界多國開啟了太空太陽能電站的研究，並初步證實了該系統的可行性。
太空太陽能電站從最初構想到現在，一個世紀過去了，隨着人類太空探索技術的進步，科學家的預測正在變成現實。
可以設想，在不遠的未來，當巨大的太陽能電站漂浮在太空，將無數能量源源不斷輸送到地球各地之時，人們所使用的電能，都是從太空電站所獲取並輸送回來的，正像彼得·格拉塞在《來自太陽的能量：它的未來》一書中所描述的一樣，先在太空建設一個太陽能電站，再把電能轉變成電磁能，通過無線傳輸發射到地面的接收站，接收站再將電磁能轉變回電能，並提供給供電網。
到時，人們不再為缺少電能發愁，也不會因為斷電而焦慮，凈零排放的目標得以實現，地球污染大幅減少，大氣環境也得到根本改善，人類得以盡享來自太空的清潔能源。
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