光伏已上天！航天强国间展开太空光伏角逐！我国已启动逐日行动！

100年来，人们一直梦想着将大量的太阳能电池板送入太空，并将能量发射到地球上。与地面上的间歇性可再生能源不同，这些轨道面板将始终沐浴在明亮的阳光下，并有可能提供持续的电力供应。

如今，世界航天科技强国正在这一领域展开激烈竞争。

01太空光伏电站实验，美国人迈出重要一步

只要工程师们谈论从太空中向地球发射太阳能，他们就很容易被警告说，这个想法不太可能很快成为现实。在此之前，轨道太阳能发电场的故事已经流传了几十年。

现在，由于光伏组件转化效率不断提升、成本不断下降，以及向太空发射的成本也不断下降，这种想
法开始成为可能。

今年1月3日以来，在我们头顶约525公里的太阳同步轨道上，出现了一颗名为太空太阳能演示者一号（简称SSPD-1）的小型实验卫星。它由加州理工学院的一个团队设计和建造，由加州房地产开发商唐纳德·布伦（Donald Bren）的捐款资助，并于今年1月3日与其他113个小型有效载荷一起，在SpaceX Falcon 9火箭上发射。

加州理工学院电气工程教授、同时也是空间太阳能项目SSPD-1项目的联合主任Ali Hajimiri介绍：“据我所知，这将是太空中实际电力传输的首次演示，无线电力传输。”如果一切顺利，他们将花费至少五到六个月的时间来测试未来太空中可能的太阳能站的原型组件。

或许有人会认为50公斤重的SSPD-1不过是一个新的失败者，但的确有越来越多的工程师和政策制定者，开始认真对待太空太阳能。

欧洲航空航天公司空中客车公司一直在地面测试自己的技术，中国、日本、韩国和美国的政府机构都开展了小型项目。英国工程咨询公司弗雷泽-纳什（Frazer-Nash）在2021年提交给英国政府的一份报告中表示：“最近的技术和概念进步，使这个概念既可行又具有经济竞争力。

从事该技术的工程师表示，微波功率传输将是安全的，不像电离辐射，电离辐射对人或路径上的其他事物有危害。

02中国的“逐日行动”

2019年1月9日，据《人民日报》报道，命名为“逐日工程”的空间太阳能电站系统项目在西安电子科技大学启动。

空间太阳能电站可将在太空中收集的太阳能转换为电能，再以无线能量方式传回地面，最后转换成直流电送入普通电网，大大提高太阳能利用率。

权威媒体这样定义：这是构建国家级高水平科研平台、发展战略性新兴产业的重大研发项目。
早在2014年，逐日行动项目负责人段宝岩院士提出了一种“基于球面线聚焦原理的聚光方案——OMEGA创新空间太阳能电站方案”。这个方案相较美国最新的ALPHA方案，在系统质量相同的情况下，发电能力可提高24%，已作为我国未来建设空间太阳能电站的备选方案。

与地面太阳能相比，太空太阳能具有照射时间长、利用效率高、能流密度大、持续稳定、不受昼夜和气候影响等优点。

如果在地球静止轨道上部署一条宽度为1000米的太阳能光伏电池阵环带，假定其转换效率为100%，那么它在一年中接收到的太阳辐射通量，约等于目前地球上已知可开采石油储量所包含的能量总和。

段宝岩，中国工程院院士，西安电子科技大学教授，国家973首席科学家，全国天线产业联盟主席，曾主持国家九大科技基础设施之一——500米口径球面射电望远镜（FAST）的总体设计，兼任钱学森空间技术实验室“空间太阳能电站领域首席科学家”。

四年过去，逐日行动进展如何呢？

赶碳号注意到，去年6月5日，该团队的世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统顺利通过专家组验收。这一验证系统突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流、灵巧机械结构设计等多项关键技术。

“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统位于西电南校区，其支撑塔为75m高的钢结构。

验证系统主要包括五大子系统：欧米伽聚光与光电转换、电力传输与管理、射频发射天线、接收与整流天线、控制与测量。

其工作原理，首先是根据太阳高度角确定聚光镜需要倾斜的角度，在接收到聚光镜反射的太阳光后，位于聚光镜中心的光伏电池阵，将其转化为直流电能。随后，通过电源管理模块，四个聚光系统转换得到的电能汇聚到中间发射天线，经过振荡器和放大器等模块，电能被进一步转化为微波，利用无线传输的形式发射到接收天线。最后，接收天线将微波整流再次转换成直流电，供给负载。

03钙钛矿可能让太空组件更轻

为了产生千兆瓦的电力，轨道阵列的尺寸需要超过一平方公里。这是国际空间站规模的100多倍。国际空间站花了十年时间建造。阵列将由可以批量生产和单独发射的模块在太空中组装。

加州理工学院的实验将一个紧密折叠的结构展开成一个大约餐桌大小的太阳能电池板平台，但全尺寸阵列中的模块可能长达60米。

其他项目使用了不同的设计思路。欧空局的Solaris计划正在考虑的建议之一是螺旋结构。

太阳能电池需要轻巧高效，以降低发射成本。每公斤面板应该产生1-2千瓦的功率，领导英国公私太空能源计划技术工作的物理学家David Homfray说。这种功率重量比大约是地球上传统硅电池的50倍。大多数设计旨在使用聚光器，镜子和其他创新结构来增加太阳能电池在阳光下的暴露。
这些细胞还需要承受太空中的强烈辐射。然而，许多太空探测器中使用的坚固的太阳能光伏材料过于昂贵，无法部署在巨大的阵列中，因此研究人员需要知道更便宜的替代品将如何发挥作用。

为此，加州理工学院原型的实验将试验32个轻质光伏电池，包括低成本钙钛矿。“这里的想法是做一个长寿测试，”加州理工学院项目的共同负责人Ali Hajimiri说。

光伏技术也在逐步提高。轻质电子元件越来越好，越来越便宜。此外，发射成本也越来越便宜。马斯克的SpaceX在其网站上有一个简化的计算器，显示如果你想将一颗50公斤重的卫星发射到太阳同步轨道上，他们的收费也就是275000美元左右。

04太阳能将如何到达地球？

这可以说是最大的挑战。

虽然激光束可以有效地传输能量，但云层却会阻挡它们。为了避免这个问题，研究人员希望将太阳能电池阵列的电力转化为微波，微波穿过大气而不会损失太多能量。

然而，微波在传播时会扩散，因此工程师需要仔细同步波的发射方式，并使用数公里宽的接收站来收集它们。

将太阳能转化为电能，然后转化为微波，再转化为地面上的电能，将不可避免地招致一些损失。

欧空局估计，落在太空光伏电站上的太阳能中，需要有10%-15%输送到地面的电网中，整个系统在经济上测算下来才是可行的。然而，该机构表示，要实现这一目标，仍然需要在几种能量转换技术方面，取得相当大的突破。

如上文所说，我国的“逐日行动”在地球上的一项小规模实验中，已经使用微波将太阳能传输超过55米。使用传统的硅电池，目前该团队实现了约2.4%的整体效率。该测试至少证明，这种传输方法是可以实现的。

05这一切努力值得吗？安全吗？

空间机构和各国政府都认为，天基太阳能可能有助于实现到2050年实现净零碳排放的目标。

太空太阳能肯定比地面太阳能贵得多。然而，卡彭特说，它可以与其他连续低碳能源的成本相媲美，例如采用碳捕获技术的核能或天然气。

与此同时，英国格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学的研究人员计算出，一个太空太阳能发电站需要不到六年的时间就可以抵消开发、建造和安装该项目所排放的温室气体。

从太空发射微波能量是非常安全的。

将选择波束的频率，使其不会中断飞机通信。卡彭特说，由于它的功率将分布在如此广泛的区域内，地面站接收的平均能量密度约为每平方米50瓦，这相当于微波炉在使用时所造成的外部无害微波水平。

但研究人员需要证明对人类、动物或更广泛的环境没有不利影响。“我认为他们需要从经历过同样问题的移动无线行业中吸取经验，不要轻视这些问题，而是通过研究，来向公众证明这一点。”琼斯说。

赶碳号认为，太空光伏的电池、组件研究方面，中国光伏企业大有可为。虽然，从短期看可能徒劳无功。但是，人类的绝大多数科学研究，都是从基础到应用的一个过程。科研本身，对于商业的反哺所爆发出的巨大能量，向来都是惊人的。

（编辑：赶碳号）