“基建狂魔”再惊世界：太空光伏电站任重道远，先弄核反应堆

基建狂魔：这个令全世界震惊的中国名片~长江大桥、珠港澳大桥、三峡工程、中国高铁、中国天眼……每一个都是我们这个“基建狂魔”的最佳作品；24小时建成火神山，9小时改造一座火车站……不能说神奇，只能说……太神奇。

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而就在今年，我们又再次宣布，要在太空“动手”，建设一座可供全人类使用的发电站~对，你没看错，是太空发电站~事情呢，是则个样子的：随着国内用电荒的出现，也让国人开始愈发关注发电问题，虽然中国已经修建了大量火力发电站以及水电站，并且还有核电站、风力发电站，但依然无法彻底解决国内电力短缺的问题，为了解决电力供应，这次直接上升到了太空，打算在距离地球3.6万公里的高度建设巨型电站，当然，这座发电站采用的是光伏发电，并非火电~

也就是说，我们要在在卫星上安装庞大的太阳能电池板，将太阳能直接转化成电能，再把电能转化为微波束发回地面重新转化成电能。一个标准接收站的发电功率可达50亿瓦，相当于5个大型核电厂的发电量。

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中国这次提出的就是在地球同步轨道上建设一座面积巨大的太阳能发电站方案，这个发电站将安装面积以平方公里为单位计算的超巨型光伏电池板，通过收集太阳光的能量发电，发出的电能相当于一整座三峡大坝，因为太空中不存在昼夜交替和天气影响，这座巨型太空太阳能发电站可以连续不断运行几百年甚至上千年，而太空中的空间足够广阔，如果建设足够多的这种太阳能发电站，甚至可以彻底解决全人类面临的能源危机问题。

意义重大：不止发电这么简单

光伏发电站的规模可不小，地球上的大型光伏发电站，占地都达数百亩，最大的光伏电站面积，甚至还超越了新加坡的城市面积，如今在太空中建设光伏电站，就相当于建设一座城市，即使中国掌握太空站的建设技术，也无法轻松建造出太空电站，毕竟它的规模，可能是天宫空间站的数百倍甚至上千倍，中国建设天宫都需要几年时间，太空电站所需要的时间，无疑更加长久。

但如果电站真的能够建成，那么绝对具有十分积极的意义，甚至可以说超越马斯克提出的星链计划，毕竟星链计划只是解决人类下一代的通讯问题，而且数万颗卫星发射到太空后，一旦使用寿命耗尽，那么等于多出了大量的太空垃圾，而太空电站则不同，它至少可以解决人类10万年的用电需求，并且让地球上的火力发电站可以彻底被关停，从而早日实现碳中和目标，而且太空电站采用一体化设计，即使使用寿命终结，也比较容易处理，甚至可以利用动力让其自行飞向其他星球。

说是建设，但并不简单

其实早在很久之前，有西方科学家提出过类似的想法，但当时受制于技术和工程能力，并没能把它变为现实，而如今中国拥有全世界最强大的基建能力和第二强的综合国力，中国能把它变为现实吗？实际上我们要克服的难关还有很多，最主要的就是无线电力传输和运载火箭运力两个：

首先是如何将远在太空中的发电站产生的电能传回地球，显然太空发电站不可能用电缆和地表连接，只能使用无线电力传输技术，目前人类一共研发出了激光输电和微波输电两种无线电力传输技术，并且都取得了一定效果，但它们的输电效率还太低，效率最高的微波输电技术也只能传输30%的电能，其余70%的能量都会被直接浪费掉，显然这么低的传输效率根本无法满足太空发电站的输电需求。

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其次就是运载火箭的运力限制，在太空中建设一座巨型发电站需要用运载火箭等运输工具，向太空中输送几百甚至上千吨的各种物资，而目前人类性能最强大的土星5号运载火箭运载能力也只有130多吨，需要发射几枚甚至十几枚土星5号才能将这么多物资送上太空，而这需要消耗大量的预算，中国必须研发出性能更强大，价格更低廉的太空运输工具之后才能真正开始建设。

但是中国人，最不缺少的就是韧性，尽管目前中国还不具备搭建太空电站的能力，但已经开始为这一项目进行技术积累，比如空间站的太空对接技术，无线输电技术，光电转化效率超过30%的太阳能电池板，都可以视为太空电站的前期准备工作，一旦太空电站建设完成，将彻底改变地球上的用电模式，再也不用担心人类缺电的情况。

太空发电站，细数背后的黑科技

按照常理，距离太阳越近接收到的阳光就越强烈，也就更适合进行太阳能发电，因此中国决定将太阳能发电设施直接布置在3.6万公里之外的太空，这种在太空发电的形式被称作太空发电厂，指的是通过在卫星上安装庞大太阳能电板，直接在太空中将阳光转化为电能，转化成微波传输到地面再转化进行供电，一个接收站的功率就能达到50亿瓦，相当于5个大型核电厂能提供的电量，不夸张地说，这一计划建设成功后几乎可供全人类用电，而在这个计划的背后，几乎全是黑科技。

中国首个太阳能电站实验基地在重庆启动，它标志着中国的太阳能发电正式开始向着太空迈进，如果一切顺利，中国又将创造一个人类历史上的第一次：太阳是整个太阳系的核心，其内部每时每刻都在发生的聚变反应使其向外放射出大量的热和光，支撑起了地球的生态系统，对人类来说是一个真正意义上取之不尽用之不竭的能源，因此太空太阳能电站的设想最早在1968年就有人提出，却没有国家有能力将其实现。

根据此前科技日报透露的消息，中国已经建成了一座太空电站实验基地，预计将会在2021年到2025年期间在平流层完成相关技术的测试和论证，如果一切顺利，那么将会在2030年建成一座兆瓦级的太阳能空间电站，这座漂浮在空间中的电站将会是人类打造过最大的轨道飞行物，它的面板将达到5~6平方公里之间，相当于12个天安门广场的大小~

当然很多人也对此产生了疑问，例如目前中国的地面太阳能电站技术已经相当发达，例如塔拉滩电站的面积就达到609平方公里，几乎相当于一个新加坡，发电量也非常大，为什么又要到太空中耗费更多资金进行更艰难的空间电站的建设？

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中科院专家给出了答案：在地面上建设的电站容易受到其他因素的影响，例如阴雨天太阳能板收到的电能会减少，发电量也随之出现波动，即使天气情况良好，当黑夜来临后，绝大多数太阳能电站也是无法发出任何电能的，这就导致供电需求高峰无法满足，必须由火电站等设施来参与补上这一缺口，又产生了较大的二氧化碳等温室气体排放。

而空间太阳能电站却没有这方面的缺陷，同步轨道意味着它能永远朝向太阳进行发电，而太空中也缺少空气和灰尘，不会影响到电板的发电效率，同等面积的电站发电量可以达到地面设施的10倍以上。如果中国真的能在2030年建成第一个空间电站，那么毫无疑问将对国内的新能源产业、太空产业和碳达峰、碳中和目标起到非常重要的作用~

底层技术支撑：

光伏发电—让美国羡慕的空间太阳能

我们都知道，电能是空间站的生命力,整个空间站的技术设计将取决于电源系统发电和配电方面的设计方案。很多人很好奇，中国天宫空间站重达90吨，空间站那么大，啥电池带得动？这就是天宫空间站的黑科技——柔性砷化镓太阳能电池。

太阳能电池的发现是人类能源史上的一次革命，发展前景十分广阔。III-V族半导体材料是继锗(Ge)和硅(Si)材料之后发展起来的一类重要太阳能电池材料，这类材料有许多优点，如具有直接带隙的能带结构，光吸收系数大，只需几微米的厚度就能充分吸收太阳光等。而砷化镓是III-V族半导体材料的典型代表，禁带宽度Eg是1.43eV，（理论计算表明，当Eg在1.2~1.6eV范围时，转换效率最高）与太阳光谱匹配，是理想的太阳能电池材料。

和硅材料太阳能电池相比，砷化镓太阳能电池具有更高的光电转换效率，砷化镓太阳能电池有单结型、双结型和三结型，其中三结砷化镓太阳能电池光电转换效率可以达到50%以上，远远高于Si太阳能电池的最高理论效率23%。

而且砷化镓材料太阳能电池具有明显的优势，在可见光范围内，砷化镓材料的光吸收系数远高于Si材料。同样吸收95%的太阳光，砷化镓太阳能电池只需5～10μm的厚度，而硅太阳能电池则需大于150μm。因此，砷化镓太阳能电池能制成薄膜结构，质量大幅减小。而我国正是采用的三结砷化镓太阳能电池组成的太阳能光伏发电系统，它由4对太阳翼帆板组成，放置在实验舱末端的桁架上。

中国采用的三结砷化镓太阳能电池还是柔性电池，这是三结砷化镓太阳能电池在全球首次使用。由三结砷化镓太阳能电池组成的柔性太阳电池翼，功率重量比高，光电转换效率可达30%以上，供电功率甚至能够达到100千瓦左右。

很多人对这个没有概念，国际空间站这个400吨的大胖子，三个实验舱，仅仅31个科研机柜；而两个巨大桁架上的4对太阳能电池板，供电功率仅有90千瓦，而且还必须外挂散热片才可以，这也意味着中国天宫空间站供电能力反超国际空间站。

尽管发电能力可提高1倍，但柔性翼收拢体积则减少了20%，柔性翼双翼展开面积可达134平方米，全部收拢后只有一本书的厚度，仅为刚性太阳翼的1/15，大幅扩大了空间站各舱段的有效空间，提升了安装载荷能力，满足空间站各项科学试验需求。

中国空间太阳能电池

国际上只有中国、美国、日本等少数几个国家真正开展空间太阳能电站地面验证。而在我国，有多只团队也在紧锣密鼓地开展相关试验。在太空中建设太阳能电站，听起来很科幻，现实同样不容易。早在2010年8月，在中国空间技术研究院举办的空间太阳能电站技术研讨会上，12位院士和百余位相关领域专家提出了我国空间太阳能电站发展路线图。

根据路线图，2030年开始我国将建设兆瓦级小型空间太阳能试验电站，到2050年具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力。其中第一阶段又具体分三步，首先开展关键技术的地面及浮空器试验验证，其次开展高空超高压发电输电验证，最终开展空间无线传能试验。

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实际上，空间太阳能电站概念自提出以来就饱受争议，具体表现在技术、成本、安全上。早在2011年，国际宇航科学院发布首份空间太阳能电站可行性和前景分析的国际评估报告。报告乐观地估计，空间太阳能电站不仅在技术上可行，且在未来30年内也在经济上可行。但就目前来看，技术上是否可行，科学界还存在质疑。空间太阳能电站是一个非常庞大的系统工程，其重量、尺度方面远超现有航天设施，因此人们将其称为航天和能源领域的“曼哈顿工程”。例如，即使一个小型的兆瓦级空间太阳能电站的重量，就比现在的国际空间站要大，再考虑到发射所需要的大型运输火箭、在轨组装难度等方面不可同日而语。

技术难题之一

光伏太阳能的镀膜难题

钙钛矿型太阳能电池（perovskite solar cells）：是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。作为一种人工合成材料，在 2009 年首次被尝试应用于光伏发电领域后，因为性能优异、成本低廉、商业价值巨大，近年来，全球顶尖科研机构和大型跨国公司，如牛津大学、瑞士洛桑联邦理工学院、日本松下、夏普、东芝等都投入了大量人力物力，力争早日实现量产。

近年来，中国某钙钛矿小组将转换效率提升至 17.9%，稳态输出效率达 17.3%，再一次证明了中国科学家在钙钛矿领域的技术领先优势。然而实际上，大部分太阳能电池无论材质如何在生产中都面临着同样的问题如何在电池表面进行镀膜工序。目前所有的技术方法，都不能很好的解决镀膜膜层均匀性的问题。喷涂法镀膜过程中，喷中心镀膜液富集多，造成花斑；表面刻蚀法因压花玻璃表面成分难以均一，导致刻蚀反应的速度不一致造成膜厚不均匀；即使均匀性辊涂法，受制于玻璃厚薄差、辊道传输抖动等多种因素的制约，也难以达到高精度的一致性。在镀膜均匀性无法进一步提高的情况下，其结果一方面造成组件的色差影响外观，另一方面由于镀膜玻璃各区域透光率不一致造成热斑效应，影响组件的耐久性。

针对这一问题，在制备太阳能电池时，就需要使用真空镀膜手套箱：由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液，避免接触水和空气，可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里，蒸发电极，全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作。

方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内，配套膜厚仪，分子泵，机械泵，4个蒸发源，合理的蒸发源布局，保证每个蒸发源到基片的距离完全一样，提高了成膜质量和均匀性；整套系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。

番外新闻：搞个太空核反应堆

24日从中科院合肥物质科学研究院宣布，该院固体所内耗与固体缺陷研究部与中国核动力研究设计院合作，研制出一种高性能钼合金，为其在先进核能系统和航空航天等领域的应用奠定良好基础。相关研究成果日前发表在金属材料顶级期刊《Acta材料》上。

空间核反应堆具有环境适应性好、功率覆盖范围广、结构紧凑以及大功率条件下质量功率比小等突出优点，在大功率地球轨道卫星、深空探测以及月球行星基地供电等方面具有广阔的应用前景。空间堆中的包壳及堆芯结构材料面临高温、中子辐照及液态碱金属腐蚀等苛刻服役环境，是制约空间堆技术发展的瓶颈之一。钼及其合金由于高熔点、高热导率、与碱金属相容性好等优点，是空间堆关键候选材料，但纯钼存在室温塑性低、高温强度不足、再结晶脆性和辐照脆化等问题。

（原文网址：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/2/474522.shtm）

无论是太空发电站

还是宇宙核反应堆

虽然还有很多需要攻克的难关

但历史告诉我们~

中国科技，总有无限可能！！！

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