電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）近期可以看到，中國已經(jīng)開始慢慢將太空探索從單純的“科研探測”轉(zhuǎn)向了“大規(guī)模開發(fā)與駐留”，不僅建立了國內(nèi)首家“星際航行學(xué)院”，并且還在計劃準(zhǔn)備“太空采礦”。而在太空當(dāng)中，能源非常重要，而同樣重要的是能源分配方式。

而虛擬電廠，作為電力AI應(yīng)用的代表，未來也極有可能運用在太空之中，當(dāng)做太空作業(yè)能源分配的核心樞紐。

太空能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想

目前的太空設(shè)施，包括空間站、衛(wèi)星等，大多采用自給自足的模式，每個載荷攜帶自己的太陽能板和電池，這種模式的冗余度高、重量大、且一旦單體受損就會導(dǎo)致整體的癱瘓。

而在未來，太空可能出現(xiàn)大量的分布式能源資產(chǎn)，例如大型空間太陽能電站的模塊化陣列，由成千上萬模塊組成，通過機(jī)器人組裝。如Starlink式的大規(guī)模低軌衛(wèi)星群，如月球/火星基地的太陽能陣列與儲能設(shè)備群等。

而這些設(shè)備位置分散、軌道不同、功率輸出受太陽角度/陰影影響。因此就需要有一個虛擬電廠來實現(xiàn)跨資產(chǎn)的智能聚合，實時監(jiān)測發(fā)電/儲能狀態(tài)，通過AI/云平臺統(tǒng)一調(diào)度功率分配、負(fù)載均衡，甚至“虛擬”輸出穩(wěn)定功率給太空用戶或通過無線傳輸回地面電網(wǎng)。

這類似于地面VPP聚合屋頂光伏加上家用電池，但規(guī)模和復(fù)雜度更高，能極大提高太空能源利用效率，避免浪費。當(dāng)前中國、美國、日本、歐洲都在推進(jìn)空間太陽能電站技術(shù)，中國近年來有重要進(jìn)展，馬斯克也提出太空光伏支持算力中心。

而想要實現(xiàn)這一目標(biāo)有一個前提條件，那就是如何進(jìn)行遠(yuǎn)程的無線能量傳輸。2013年底，隨著一份題為《關(guān)于盡早啟動我國太空發(fā)電站關(guān)鍵技術(shù)研究的建議》的院士聯(lián)名建議案獲得批復(fù)，中國空間太陽能電站研究開始步入發(fā)展快車道。2017年，國家成立空間太陽能電站推進(jìn)委員會。

2018年，在“空間太陽能電站系統(tǒng)項目”啟動儀式暨高峰論壇上，西電空間太陽能電站研究項目被命名為“逐日工程”。2022年已在西安電子科技大學(xué)建成并通過驗收“世界首個全鏈路全系統(tǒng)空間太陽能電站地面驗證系統(tǒng)”。

技術(shù)上在55米距離實現(xiàn)微波功率無線傳輸，發(fā)射功率2081W、波束收集效率87.3%，DC-DC效率15.05%，主要指標(biāo)國際領(lǐng)先。

而微波無線傳能技術(shù)未來可以解決在太空中，助力構(gòu)建空間能源網(wǎng)、空間充電樁，破解空間算力、星上信息處理、空間攻防及超遠(yuǎn)程探測的供電難題。

目前逐日工程地面驗證已通過，計劃后續(xù)在低軌在軌驗證，再邁向中高軌與吉瓦級電站的長周期路線。2030年前后進(jìn)行兆瓦級驗證，2050年前后實現(xiàn)吉瓦級商業(yè)電站、

顯然，太空虛擬電廠所需要太空能源互聯(lián)網(wǎng)的前序工程和底層技術(shù)，已經(jīng)在國內(nèi)的“逐日工程”中逐漸完善。

太空虛擬電廠的元器件考驗

除了遠(yuǎn)程能量傳輸以外，太空環(huán)境極端對于元器件也是個巨大的考驗。因此元器件必須要具備抗輻射、太空級要求。例如在抗輻射上，核心要求就是總電離劑量（TID）通常需50-300krad(Si)甚至更高，單粒子效應(yīng)（SEE）閾值高（LET>37-80MeV·cm2/mg），避免SEU/SEL/SET。

目前普遍采用的解決方案是使用輻射加固芯片，例如BAE Systems、Microchip、TI的航天級產(chǎn)品。或者用普通的芯片加上屏蔽層或者三模冗余設(shè)計。工作溫度需要達(dá)到-150°C~+150°C，要有軍用航天級的水平。例如中國科學(xué)院微電子研究所研制的國產(chǎn)高壓400V抗輻射SiC功率器件，已在空間站軌道成功驗證。

同時太空接近絕對真空，會引發(fā)材料放氣、冷焊、絕緣性能下降等問題，因此元器件封裝需采用低放氣率材料，金屬接觸面需采用鍍金、鍍銀等防護(hù)層，避免真空環(huán)境下不同金屬直接接觸導(dǎo)致的冷焊現(xiàn)象。并且在絕緣性上需要有保障，防止表面漏電與擊穿。

由于太空發(fā)射成本非常高，因此元器件必須在滿足性能要求的同時實現(xiàn)極致輕量化。因此封裝最好采用QFN、BGA等微型化封裝，或采用系統(tǒng)級封裝（SiP）、3D堆疊技術(shù)，在有限空間內(nèi)集成更多功能單元，提升整體系統(tǒng)集成度。

加上空間任務(wù)通常具有不可維修性，元器件必須具備零故障運行能力，壽命要求遠(yuǎn)超地面應(yīng)用，對可靠性要求極高。例如，為防輻射擊穿，SiC MOSFET的實際工作電壓可能被設(shè)定在額定電壓的30%或更低。

從時間節(jié)點來看，當(dāng)前至2030年，是關(guān)鍵技術(shù)驗證期。主要任務(wù)是進(jìn)行更多在軌演示，驗證無線能量傳輸、新型功率器件、在軌組裝等。

2030年以后，可能進(jìn)入早期應(yīng)用階段。初期應(yīng)用更可能是為其他太空設(shè)施（如大型星座、在軌數(shù)據(jù)中心）提供商業(yè)化的能源服務(wù)，形成初步的太空能源市場。長遠(yuǎn)來看，隨著太空運輸成本大幅下降和能源需求上升，才有可能考慮構(gòu)建向地面供電的大型太空電站。

不過不管怎么說，太空虛擬電廠作為基于空間分布式能源資源的智能能源管理系統(tǒng)，通過數(shù)字技術(shù)聚合衛(wèi)星太陽能電站、空間站儲能、太空數(shù)據(jù)中心負(fù)荷等空間能源單元，實現(xiàn)跨軌道、跨平臺的能源協(xié)同優(yōu)化調(diào)度。

隨著我國太空戰(zhàn)略布局從單一衛(wèi)星任務(wù)向空間基礎(chǔ)設(shè)施集群演進(jìn)，太空虛擬電廠有望成為保障空間能源安全、提升資源利用效率的核心技術(shù)支撐。

小結(jié)

虛擬電廠上太空，本質(zhì)上是人類文明活動疆域擴(kuò)展的能源管理基礎(chǔ)設(shè)施。它要求的不是簡單的加固，而是基于物理原理重構(gòu)的能源電子學(xué)，從半導(dǎo)體材料（寬禁帶、抗輻照）到系統(tǒng)架構(gòu)的全面革新。這恰好為中國提供了換道超車的機(jī)會，在地面電網(wǎng)我們追隨歐美標(biāo)準(zhǔn)，但在太空能源互聯(lián)網(wǎng)這一白紙領(lǐng)域，中國企業(yè)若能突破抗輻照功率半導(dǎo)體、空間核電源集成技術(shù)，將有機(jī)會定義下一代太空能源標(biāo)準(zhǔn)。