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01 把光伏送到太空 为电力操心是当代技术大发展的必然结果，在众多方案中，风光电这种绿能如果能大规模发展自然是最理想的。而光利用地球上的太阳能还不够，宇宙中的太阳能也可以回馈地球人，这就是太空太阳能概念（Space-based solar power, SBSP）。 科幻大师阿西莫夫早就在短篇小说《理性》(Reason)中，通过合理的想象描述过这一场景：利用太空中每个空间站巨大的太阳能电池板捕捉太阳能后，通过微波光束将其源源不断地传输回各个人类殖民的行星，再在地表转化为电能。 可能咱国人会觉得没必要，毕竟地面光伏发电已经是一个非常成熟的供给模式，硬件成本也一降再降，何必又去开发宇宙的太阳能？的确，依托国内完善的产业链，再加上光伏行业的技术壁垒相对较低，从硅片、电池片、组件、光伏玻璃到胶膜等各个环节去年都出现过剩产能，行业内卷到一度接近成本红线0.68元/瓦。 然而地面光伏有几个痼疾。一是要看老天脸色，太阳会落下、云层也会来遮蔽，不配套储能系统就没法达到稳定输出电量目的；二是只适合幅员辽阔、日照充足的国家和地区，除了中国、中东地区以及印度等地外，无缘GW等级光伏发电的大有人在。 
太空太阳能原理示意图
但是如果把光伏发电搬到太空，这些难题都能迎刃而解。 在高地球轨道建造太阳能发电场，会拥有永不落下的太阳，因为轨道卫星可以24小时、保持垂直地暴露在阳光之下，而太阳的预期寿命是4到5亿年，完全不愁有用尽的一天。太阳能领域早有专家计算过，同一块太阳能板放在太空中可以接受到的阳光量至少是地表的三倍以上。 太空发电场更不需要依赖日益稀缺的淡水资源、宝贵的农田，也不会产生危险废物……再说了，连低轨卫星互联网都要建成了，高轨道太阳能发电为什么不可以？ 02 验证远距离运送能量 在工程师和学者的描绘中，太空光伏的搭建是一个巨大的桁架结构，应该有数公里之长，桁架上安装光伏板或者更新颖材质的太阳能电池，吸收或集中阳光，将光能转化成直流电，然后通过激光或微波光束传输到地面。 加州理工大学已经研发制造出模块化的太阳能电池板，轻质的砷化镓太阳能电池被连接到太阳能板基本单元上，形成一个微型太阳能发电站，配有光伏装置、微型电子元件和微波发射器。每块太阳能板都像“瓦片”大小，数千个瓦片连接到一起能达到60平方米，组成一个六边形发电站，“漂浮”在太空中。 
加州理工大学的相关实验已经进入到低地球轨道测试
日本对地外能源的研究热情也很高，从上世纪80年代左右便开启了“宇宙太阳能计划”，由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）负责。十年前，JAXA就已经进行地面测试，成功将电能传输到了55公里外的接收天线，以验证远距离传输能量的可行性。 这个实验在理论过程中非常重要，因为在太空收集的电能当然不可能放在电池里，每隔一段时间用火箭送下来，或者接一条长长的电缆送到地球。因而从外太空轨道远距送电，只能用电磁波。 电磁波传递能量并不陌生，微波炉就是通过发射微波——微波本身是一种电磁波，与光波、无线电波等属于同一类波动，但具有较长的波长——与食物中的水分子相互作用，导致水分子振动并产生热量，从而加热食物。这里的微波其实就是电能通过磁控管转换而来的。 
既然电能可以转化为微波光束，那又该怎么实现如此长距离的传输，精准传递给地面接收器？ 要记住一点，电磁波传递能量时，能量会以波源为中心向外发散，并且能量随着距离快速衰减。想要实现高效率传输能量，就必须使用指向性的波源，将能源都集中到一点，意思是这么多个天线单元的发射信号要频率相同。 实现这一点可以通过调整它们的相位，让各个天线发出的微波产生干涉，形成笔直前进的单方向主微波束，将能量精准发射到远处的一个点。 目前的实验项目中，选择微波光束是主流。因为特定频率的微波能穿透大气层或云层的阻挡，就像手机讯号可以穿过墙壁到你的手机一样，即使地球上是下雨天，太空太阳能仍能透过微波将能量传至地表，大幅降低天气造成的影响。 
最关键的是，这种传输本质上很安全，它不是电离辐射，能量密度也不会对人体造成伤害，在实验中，地面接收系统能接收到的能量密度大概在5到10W/m²，数值相对较低，至少远低于太阳直接辐射到地面时的能量密度（大约1000W/m²）。 激光光束可就不一样了，不仅有致盲风险，还有潜在的武器化问题，还很容易受到大气层厚云、降雨等现象影响，推进起来估计更不容易。但是相比之下，激光也有优点，它不需要微波那么大的地面接收器，卫星成本也要低一点。 03 60年前不行，那现在呢？ 把这么多物件送到高地球轨道，可能需要数百次火箭发射，这是1968年NASA和美国能源局虽觉这个概念“有趣”且合理，却没有测设主要原因：它的投入和产出根本不成比例。 好消息是，这么多年来，随着SpaceX的猎鹰九号等可回收火箭的投入使用，运送每公斤物资到低地球轨道的成本已经降到了3000美元左右，大概是1968年时成本的二十分之一。加州理工大学最近能把小型太阳能模组送到低地球轨道做测试，也是靠猎鹰九号的低成本运力。 
运输成本的下降超乎人们想象
这里插入一个知识点，其实可以就把卫星送到低轨位置，再慢慢靠卫星配备的电离发动机推动送至高轨道。 随着太阳能材料的轻量化和太空发射成本的不断下降，太空发电场的建造成本一定会越来越低。想象一下，地面只需要安装接收站就能改变许多偏远地区的能源问题，甚至进一步改变世界能源形态，甚至比现在很多新型发电方式靠谱多了。
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发表于 2025-2-4 18:41:36
