关键一步！科学家首次将空天光伏发电，从太空发射到地球！

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。空前光伏，从现在开始，从梦想变成了现实。

在用于电力传输低轨道实验（MAPLE）的天基微波阵列内部；来源：美国加州理工学院

01关键的一步

所谓空天光伏，就是将光伏电站建设在太空之中。

太阳能的主要限制因素是间歇性，这意味着它只能在充足的阳光可用时收集电力。为了解决这个问题，科学家们花了几十年的时间研究天基太阳能（SBSP），其中轨道上的卫星将一年365天，每天24小时地不间断地收集电力。

三个多月前，赶碳号曾对此深入报道——《光伏已经上天！航天强国间的太空光伏角逐！我国已启动逐日行动！》。

今年1月3日，在我们头顶约525公里的太阳同步轨道上，开始出现了一颗名为“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火箭上发射升空。

如今，仍然是美国加州理工学院，成功实现了从太空中向地球传输光伏电力，从而向空天光伏的应用再进一步：最近，加州理工学院空间太阳能项目（SSPP）的研究人员完成了使用微波阵列进行电力传输低轨道实验（MAPLE）的首次成功的无线电力传输。

SSPP 创始于2011 年，当时加州理工学院董事会的终身成员 Donald Bren 与加州理工学院当时的校长 Jean-Lou Chameau共同创建了该研究项目。

布伦和他的妻子（也是加州理工学院的受托人）同意捐赠总计1亿美元资助该项目，而诺斯罗普·格鲁曼公司则额外提供了 1250 万美元。由此，SSPD-1才得以 于1 月3 日在 SpaceX 猎鹰 9 号上发射升空，并由 Vigoride 航天器（由航空航天公司 Momentus 提供）部署。

美国加州理工学院的太空太阳能演示器已于今年1月3日成功发射

使用轻型结构在太空中进行无线电力传输的演示，是朝着太空太阳能和全球范围内广泛使用它迈出的重要一步。

例如，太阳能电池板已经在太空中用于为国际空间站供电，但要发射和部署足够大的空间阵列为地球提供电力，SSPP 必须设计和制造超轻、廉价和灵活的太阳能能量传输系统。”

每个SSPP单元重约50 公斤（110 磅），与通常重量在10到100 公斤之间的微型卫星相当。每个单元折叠成体积约1立方的包裹，展开后，其直径约为50 米的正方形物体，一侧是太阳能电池，另一侧是无线电力发射器。

项目负责人说：“通过我们迄今为止进行的实验，它可以成功地将能量传输到太空接收器上。我们还能够对光伏阵列进行编程，将其能量导向地球，这是我们在加州理工学院检测到的。”

该演示器没有移动装置，他们依靠精确的时间控制元件和电磁波的相干叠加，来确保光束能量到达预期目标。

MAPLE 还包括一个小窗口，阵列可以通过该窗口发射能量，该能量由加州理工学院戈登和贝蒂摩尔工程实验室的接收器检测到。

02

我国的逐日行动

据《人民日报》报道，2019年1月9日，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正式启动。

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。

“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。

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”。

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。