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9月15日，坐落于古都西安的九號宇宙互動式深空科普研學(xué)基地迎來一場特殊活動，知名光伏龍頭隆基綠能在此正式宣布成立未來能源太空實(shí)驗(yàn)室。


這是中國首個未來能源太空實(shí)驗(yàn)室。在人類太空太陽能發(fā)展史上，這一事件也將載入史冊，它意味著中國邁入了民企參與太空光伏探索的新階段。

隆基未來能源太空實(shí)驗(yàn)室僅是近年來太空太陽能發(fā)展迅猛的一個縮影。

在太空中建大型太陽能電站以解決全球能源供應(yīng)問題的構(gòu)想始于一個世紀(jì)之前。在當(dāng)時的時代背景下，這一構(gòu)想注定只能成為幻想。

此后，以美國為首的發(fā)達(dá)國家一直努力將幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。但由于系統(tǒng)規(guī)模大、技術(shù)難度和建造成本高，全球迄今未能建成一個完整的太空試驗(yàn)電站。

不過，近十年來，隨著火箭運(yùn)載能力的大幅提升，以及光伏制造成本的急劇下降，人類對太空太陽能探索的時機(jī)正走向成熟。

中國對太空太陽能的探索始于“十一五”期間，并在2018年正式啟動“逐日工程”，中國版“太空三峽”呼之欲出。

不過，太空光伏同樣面臨諸多難題。其中，制造出能夠在太空中大規(guī)模應(yīng)用的光伏產(chǎn)品或許有賴于中國民營光伏企業(yè)的努力。

A

100年前，一位俄羅斯科學(xué)家曾提出在太空中建造巨型太陽能發(fā)電站，從而持續(xù)不斷向地球提供清潔能源。

當(dāng)時，這一構(gòu)想過于天馬行空。

1941年，著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫?qū)⑺鼘戇M(jìn)了短篇小說《推理》中，描述了一個能夠收集太陽能、并通過微波向行星傳遞能量的空間站。

27年后，美國科學(xué)家彼得·格拉賽提出太空太陽能電站建造方案。

按照他在《來自太陽的能量：它的未來》一書中的描述，先在太空建設(shè)一個太陽能電站，再把電能轉(zhuǎn)變成電磁能，通過無線傳輸發(fā)射到地面的接收站，接收站再將電磁能轉(zhuǎn)變回電能，并提供給供電網(wǎng)。

格拉賽的設(shè)想比俄羅斯科學(xué)家的構(gòu)想更進(jìn)一步，從而也引發(fā)了各國研究太空太陽能電站的熱潮。

不過，受制于太空光伏電站規(guī)模巨大，成本高昂的制約，這一設(shè)想也未能變成現(xiàn)實(shí)。

新的探索熱潮發(fā)生在2000年后。

2001年2月，美國資深參議員羅伯特·史密斯接受媒體參訪時語出驚人。他在闡述美國太空政策時說，“誰控制了太空，誰就將控制地球的命運(yùn)”。

美國前國務(wù)卿基辛格曾發(fā)表過類似論述：“誰控制了石油，就控制了所有國家；誰控制了糧食，就控制了人類；誰控制了貨幣，就控制了全球經(jīng)濟(jì)”。

羅伯特·史密斯的話折射出，未來國與國之間的競爭將從地面邁向太空，一場太空空間資源爭奪戰(zhàn)在所難免。

6年后，美國五角大樓曾向國家安全太空辦公室提交過一份長達(dá)75頁的研究報告指出，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%，而非70%，因?yàn)樘栞椛涞降厍虻哪芰渴艿胶谝埂⒍嘣频奶炜蘸痛髿獾挠绊懀浣邮漳芰τ邢蕖?br />
五角大樓的初衷是希望通過裝置在巨型衛(wèi)星上的太陽能電池板搜集太空能量，為地面上位于各地的美軍基地提供能源。

2012年以來，在NASA創(chuàng)新概念項(xiàng)目支持下，約翰?曼金斯教授提出“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽能電站”阿爾法（SSPS-ALPHA）方案。

之后，美國諾格公司與加州理工大學(xué)簽署了一項(xiàng)總額1750萬美元的空間太陽能電站技術(shù)研發(fā)合同。

歐洲也從1998年起開展了太空太陽能電站研究工作，并提出“太陽帆塔”的概念設(shè)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。


俄烏沖突導(dǎo)致歐洲能源危機(jī)加劇，歐盟的“太陽帆塔”計劃也有望加快落實(shí)。

日本對太空太陽能電站的研究也不甘人后，從20世紀(jì)80年代起就開始對太空太陽能電站的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行廣泛研究。

此外，日本已經(jīng)將太空太陽能發(fā)電列入國家發(fā)展計劃，提出2050年前建設(shè)商業(yè)太空太陽能電站的發(fā)展路線圖。

根據(jù)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(fā)電量為10億千瓦的太空發(fā)電站。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)研究院設(shè)計的太陽能電池板猶如兩面巨大的鏡子。它的直徑為1.25公里，將太陽光聚集到上面后，通過微波傳輸器將能量傳輸?shù)降厍颉?br />
如今，伴隨著能源短缺以及傳統(tǒng)化石能源帶來的全球性氣候與環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻，發(fā)展清潔能源、開發(fā)可再生能源，逐漸替代傳統(tǒng)化石能源成為全球共識。

在太空建設(shè)光伏電站，實(shí)現(xiàn)太陽能大規(guī)模穩(wěn)定利用，已成為世界科技大國解決未來能源和環(huán)境問題的主要戰(zhàn)略選擇之一。

近年來，世界各國對太空太陽能的探索步伐明顯加快，尤其是俄烏戰(zhàn)爭爆發(fā)進(jìn)一步加速了這一進(jìn)程。

以美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和諾斯羅普·格魯曼公司等為主的機(jī)構(gòu)加大了在此領(lǐng)域的研發(fā)力度，計劃在2025年前開展關(guān)鍵技術(shù)空間驗(yàn)證。

美國宇航局發(fā)布的消息稱，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室曾于2020年在太空中測試了一套太陽能模塊和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為建造太空太陽能電站邁出關(guān)鍵的一步。

2020年5月16日，美國發(fā)射了一架X-37B無人太空飛機(jī)，此后持續(xù)飛行時長近800天，創(chuàng)造了新的記錄。


作為美國空軍的秘密項(xiàng)目，X-37B無人太空飛機(jī)還肩負(fù)著一項(xiàng)重要任務(wù)，即測試從宇宙中捕獲太陽能傳回地面，即在太空中建造太陽能電站的可行性。

今年5月28日，美國宇航局更是正式宣布，將重啟天基太陽能（即太空太陽能電站）的研究。

而據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇網(wǎng)今年3月公布的消息，英國政府正考慮投資160億英鎊，用于在太空建設(shè)太陽能電站。該電站直徑將達(dá)到1.7千米，重約2000噸，計劃于2040年建成并投入使用。

英國政府認(rèn)為，該計劃或可以幫助英國到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放的潛在解決方案。

B

中國太空太陽能的探索上起步不晚，但發(fā)展過程一波三折。

根據(jù)葛昌純院士2021年發(fā)表在《中國科學(xué)報》上的文章介紹，在國家有關(guān)部門支持下，中國從“十一五”正式開始空間太陽能電站研究。

彼得·格拉賽提出太空太陽能電站建造方案的同一年，中科院半導(dǎo)體所一群年輕人接到了一項(xiàng)代號為“651”的重要任務(wù)——研制“東1-A”衛(wèi)星電池板。

“651”是新中國人造地球衛(wèi)星工程的代號，在當(dāng)時屬于絕對機(jī)密。

歷經(jīng)三年，1971年3月3日，中國首顆實(shí)踐科學(xué)探測與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星、第二顆人造衛(wèi)星“實(shí)踐一號”成功發(fā)射。


與廣為人知的“東方紅一號”相比，“實(shí)踐一號”知名度不高，卻承擔(dān)著重要的科研任務(wù)，更是成為中國首顆光伏發(fā)電的衛(wèi)星。

資料顯示，“東方紅一號”在太空中工作了28天，而基于“東方紅一號”設(shè)計的備用衛(wèi)星“實(shí)踐一號”最終在軌道上運(yùn)行了8年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原來一年的設(shè)計壽命。

出于保密考慮，應(yīng)用在“實(shí)踐一號”上的光伏技術(shù)并沒有申請專利，而是作為機(jī)密文件在1969年被保存起來了。

直到1978年，這項(xiàng)技術(shù)方才“脫敏”，中科院半導(dǎo)體所也因此獲得全國科學(xué)大會頒發(fā)獎狀，并榮獲中國科學(xué)院重大科技成果獎。

改革開放后，中國轉(zhuǎn)向“以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心”上，對于太空太陽能的探索由此陷入了停滯。

歷史總是有著驚人的巧合。

歷史的時針挑撥到2010年，中國GDP超過41萬億元，首次超過日本，成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展從此邁上了一個新的臺階。

同樣是在這一年，中國太空光伏發(fā)展迎來重大突破。

是年8月，在中國空間技術(shù)研究院舉辦的空間太陽能電站技術(shù)研討會上，12位院士和百余位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遥岢隹臻g太陽能電站發(fā)展路線圖。

根據(jù)上述路線圖，2022年中國將實(shí)施小型發(fā)電測試，2030年左右將發(fā)電量提高到兆瓦規(guī)模，到2050年具備建設(shè)吉瓦級商業(yè)空間太陽能電站的能力。

彼時，專家已經(jīng)提出預(yù)算方案，建設(shè)這個太空光伏電站預(yù)計要花費(fèi)8萬億元，相當(dāng)于上百個三峽水電站的建設(shè)成本。

2013年，西安電子科技大學(xué)段寶巖院士和重慶大學(xué)楊士中院士聯(lián)名上書，表達(dá)了加強(qiáng)中國空間太陽能電站關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的構(gòu)想。

這一構(gòu)想得到了中國最高領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視。

僅僅一年后，，工信部、發(fā)改委、科技部等16個部委組織來自國內(nèi)的130余位專家開展了近一年的論證工作，論證組最終完成《中國太空發(fā)電站發(fā)展規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)體系規(guī)劃論證報告》。

與此同時，段寶巖院士團(tuán)隊提出了歐米伽（OMEGA）空間太陽能電站設(shè)計方案。

與美國兩年前提出的阿爾法（ALPHA）設(shè)計方案相比，該方案具備三個優(yōu)勢：控制難度下降，散熱壓力減輕，功質(zhì)比（天上系統(tǒng)的單位質(zhì)量所產(chǎn)生的電）提高約24%。

很顯然，在太空太陽能領(lǐng)域，中美之間的較量同樣激烈。

2018年12月23日，命名為“逐日工程”的空間太陽能電站系統(tǒng)項(xiàng)目在西安電子科技大學(xué)啟動，從而拉開了空間太陽能電站的戶外地面驗(yàn)證挑戰(zhàn)序幕。

2021年6月18日，中國首個空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)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(diǎn)進(jìn)行空間太陽能發(fā)電站、無線微波傳能以及空間信息網(wǎng)等技術(shù)的前期演示模擬與驗(yàn)證。

最新消息是，今年6月5日，段寶巖帶領(lǐng)的“逐日工程”研究團(tuán)隊研發(fā)的世界首個全鏈路全系統(tǒng)的空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)順利通過專家組驗(yàn)收。

這個突破意味著，中國“太空三峽”建造邁出重要一步，時間比原定的技術(shù)路線節(jié)點(diǎn)提前了將近三年。

這一驗(yàn)證系統(tǒng)突破并驗(yàn)證了高效率聚光與光電轉(zhuǎn)換、微波轉(zhuǎn)換、微波發(fā)射與波形優(yōu)化、微波波束指向測量與控制、微波接收與整流、靈巧機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)葛昌純院士在《中國科學(xué)報》上發(fā)表的文章，在太空太陽能領(lǐng)域，目前中國在系統(tǒng)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)取得了部分重要成果。

C

在太空中建造太陽能電站的優(yōu)勢不言而喻。

在地球同步軌道上，太陽能電站可以實(shí)現(xiàn)24小時發(fā)電，其太陽光平均能量約為每平方米1300瓦，是地面的13倍。

在中國西北地區(qū)，一平方米太陽能電池發(fā)電0.4千瓦時，而在日照較少的重慶，發(fā)電量僅為0.1千瓦時。

不過，挑戰(zhàn)同樣很大。

相對地面環(huán)境，太空環(huán)境極為復(fù)雜，輻射強(qiáng)烈，溫差巨大。有數(shù)據(jù)計算顯示，太陽能發(fā)電板在太空中的老化速度甚至是地球上的7倍。

而由于太空太陽能電站面積巨大，它的安裝、建設(shè)和維修都面臨巨大挑戰(zhàn)。以一個工業(yè)級太空太陽能電站為例，它不僅重達(dá)上千噸，面積甚至可能達(dá)到10平方公里，相當(dāng)于1400個足球場。

此外，太空碎片亦是太陽能電池板的另一大威脅，而無線電的遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)則仍有待進(jìn)一步突破。

這些現(xiàn)實(shí)難題意味著，太空太陽能電站距離商業(yè)化開發(fā)仍有很長的一段路要走。

不過，埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的太空探索技術(shù)公司SpaceX在太空商業(yè)化上的成功或許能為太空太陽能電站開發(fā)提供借鑒意義。

尤其是SpaceX在火箭回收技術(shù)上的突破，不僅大大降低了火箭發(fā)射的成本，更是讓火箭發(fā)射的商業(yè)化夢想照進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。

世界太空太陽能電站近年來發(fā)展提速的一個重要原因是太陽能發(fā)電成本大幅下降。數(shù)據(jù)顯示，截至目前，光伏發(fā)電的成本相比10年前下降了近90%。

全球光伏發(fā)電成本下降的最大功臣是以隆基為代表的眾多中國民營光伏企業(yè)。過去20年，這些中國民企在研發(fā)上不斷投入真金白銀研發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品。

截至2021年底，中國多晶硅和電池片全球市占率超過80%，硅片和組件全球市占率超過90%，處于絕對領(lǐng)先。

這也意味著，中國太空光伏的夢能否照進(jìn)現(xiàn)實(shí)離不開這些民營光伏企業(yè)的努力。它們的參與，對“太空三峽”建設(shè)或?qū)⑵鸬搅钊艘庀氩坏降淖饔谩?br />
作為中國光伏產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，隆基正在扛起這桿大旗。未來能源太空實(shí)驗(yàn)室的成立，意味著中國太空光伏市場從此邁入民企參與時代。

據(jù)了解，該太空實(shí)驗(yàn)室旨在推動航天技術(shù)與新能源融合發(fā)展、科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化。

未來，這座實(shí)驗(yàn)室將著力在高效領(lǐng)先的技術(shù)產(chǎn)品、安全可靠的太空驗(yàn)證、精益求精的航天品質(zhì)、未來發(fā)展的能源趨勢等四個方面重點(diǎn)突破。

突破的方向包括但不限于在新能源產(chǎn)業(yè)趨勢、太陽能與航天結(jié)合、太空環(huán)境驗(yàn)證、能源監(jiān)測衛(wèi)星和太陽能空間傳輸?shù)确矫嬲归_研究與對外合作。

通過太空實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)工作，將未來能源的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行太空驗(yàn)證，用太空驗(yàn)證促進(jìn)未來能源相關(guān)技術(shù)發(fā)展，最終將航天成果通過太陽能技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用等惠及人民生活。

與此同時，作為太空實(shí)驗(yàn)室成立后的首個重大項(xiàng)目，隆基的新技術(shù)產(chǎn)品將申請進(jìn)行太空搭載，接受嚴(yán)苛的太空環(huán)境考驗(yàn)，探究新產(chǎn)品在太空環(huán)境的可靠性。

隆基綠能相關(guān)負(fù)責(zé)人透露，該公司將在今年11月份正式對外發(fā)布可進(jìn)行太空搭載的新產(chǎn)品。

這家光伏巨擘的設(shè)想是，結(jié)合太空搭載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過地面模擬外太空的實(shí)際環(huán)境，監(jiān)測該產(chǎn)品相關(guān)性能的變化，為推廣該產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ), 拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

值得注意的是，這將是隆基綠能首次將產(chǎn)品與航天領(lǐng)域結(jié)合，也是該公司為提升產(chǎn)品性能、驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性的全新探索升級。

未來能源太空實(shí)驗(yàn)室僅僅是個開始，中國“太空三峽”還需要更多商業(yè)力量加入其中。

原標(biāo)題：“太空光伏”發(fā)展簡史：從幻想到現(xiàn)實(shí)的世紀(jì)之爭