太空电站，一年发电量顶全球石油总和，中国正在实现美国的科幻梦

1968年，一位美国科学家提出了一个大胆设想：把发电站建到太空里去，用微波把能量射回地球。如今，这在美国仍然停留在设想阶段，而在中国，则正在走进现实。

中国的"逐日工程"取得了关键性突破。研究团队自主研制的空间太阳能电站地面验证系统，在约100米的距离内成功实现了1180瓦微波无线传能，直流到直流的整体传输效率达到20.8%。

CNN旗下新闻频道指出，这是中国空间太阳能电站长期项目中的关键一步。空间太阳能电站，简单来说，就是在地球轨道上铺一大片太阳能板，在太空里发电，然后把电转化成微波，定向射到地面接收站上，再转回电能接入电网。

原理跟路由器发射Wi-Fi信号有点像，只不过规模大了几万倍，精度要求高了几个数量级。那为什么非要折腾到太空去呢？

原因很简单，太空的发电条件比地面好得多。地面上的太阳能板接收太阳能，效率有一定的局限，而在太空中，太阳能板可以24小时不间断地满功率运转。

据《人民日报》近期刊载的一篇文章，在地球静止轨道上，单位太阳能电池板接收的太阳辐射量是地面的8到10倍。如果在地球静止轨道上铺一圈一公里宽的太阳能电池带，一年接收的能量，就相当于地球上全部可开采石油的总量。

太空太阳能发电曾被一些人批评为"最愚蠢的概念"。但也有声音指出，这项技术可以在48个月内得到验证，净能量可达数百千瓦，并可能在10年内部署。

建造巨大的结构在地球轨道运行，并将能量传回地面供使用——坦白说，这曾是一个边缘概念。埃隆·马斯克称之为疯狂，但其他人相信它提供了零碳未来的真正希望。

约翰·曼金斯曾在NASA工作，是太空太阳能发电领域的世界顶尖专家之一。这一概念是在太空中收集阳光，并通过无线方式传输到地球上的市场。

在太空中，通常用与地球上相同的光伏电池将入射阳光转换为电能。然后将电能转换为微波能量，从天线发射出去，以相干光束发送到地球上的目标位置，在那里微波被转换回电能，并像地基光伏阵列的能量一样在接收端被分配到电网中。

一个典型的太空发射器涉及约2000兆瓦电力的传输，足以为约100万户家庭供电。发射器半径将略大于一英里，约1.5公里。

在距离35000公里的地面上，接收器的直径约为六公里。六公里的接收器直径与伦敦市中心或纽约相比似乎相当大，但印度和美国一些最大的太阳能农场已经比这大。

地面上的整流天线本质上是一系列小型偶极无线电天线的阵列，看起来很像金属布栅栏，对阳光基本上是透明的。约15%或20%被这些小天线元件填充，类似一张大型渔网，每四到五英寸有一个T形小天线穿过这张网。

关于安全性，美国所有相关研究的主要目标之一就是寻找既经济又安全的无线电力传输方式。接收器中心无线电力传输的峰值强度约为夏季全日照的四分之一，强度远低于阳光。

由于波长较长，约12厘米，它无法破坏构成DNA的原子之间的键，因此不会致癌。如何制造这种规模的物体？

正在研究的概念是一种极其模块化的设计。每一个都将由大量更小的模块化元件组成，就像用儿童积木建造帝国大厦——每块积木都很小且便宜，是大规模生产的，但最终建造的整体模型可以非常巨大。

无线电力的想法已经吸引科学家和工程师数十年。它可以追溯到20世纪初的尼古拉·特斯拉，他想在纽约开发无线电力传输，但因无法获得投资，项目被放弃。

到1977年，NASA曾声称基于太空的太阳能发电可以取代化石燃料。它可靠，可能持续数十亿年，如果从地球大气层之上的太空中收集其能量，可以持续进行。

在加利福尼亚的金石站，一个跟踪天线被用来模拟太空中的能量卫星。它向整流天线发送不可见的微波能量束，代表一个地面接收站。

微波被转换为电力，并为灯具供电。这是太阳能卫星如何将能量传回地球的小规模演示。

但是，如果基于太空的太阳能发电的第一个实际应用与零碳革命无关，而是为了服务于军事需求呢？波音公司的X-37B由美国国防部控制，是一架绝密的机器人航天器，外形像一架小型航天飞机。

2020年5月，第6号轨道试验飞行器搭载Atlas V火箭被发射到低地球轨道。它携带了美国海军研究实验室设计的基于太空的太阳能发电实验。

该设备将太阳能转化为微波能量，然后研究将这种能量传输到地球。凯伦·琼斯在航空航天公司工作，这是一个联邦资助的研究与开发中心，专注于太空领域的颠覆性技术。

随着推出的开始，应用对象将随时间而改变。最初，应用将非常离散。

处于前沿部署军事基地的人了解对能源的迫切需求，事实上，许多联军伤亡是燃料运输活动造成的，所以在那种情况下为这种能源支付更多费用是有意义的。地球上非常偏远的地区也是如此。

飓风过后的响应也是如此，许多伤亡是由于护理设施和医院没有电力造成的。电网上有公用事业规模的太阳能，还有可以为不同客户群体提供非常离散需求的电力光束敏捷型太阳能。

埃隆·马斯克对基于太空的太阳能的批评是，转换过程中的能量损失永远不会使其与地面太阳能发电相比具有成本效益。马斯克谈到太空中的阳光实际上只比地面多约两倍，因此没有意义，因为必须进行转换。

但曼金斯认为，马斯克在那次采访中引用的数字是完全错误的，这是临时的、脱口而出的。琼斯则表示，马斯克将其称为有史以来最愚蠢的想法，是在直接竞争同一市场的相同电力来源的背景下说的。

这可以比作20万美元的特斯拉Roadster与14000美元的雪佛兰Spark——各自有欣赏其产品的消费者。不仅仅是太空超级大国在考虑这项技术。

英国政府曾委托咨询公司Frazer-Nash评估基于太空的太阳能发电的可行性，报告于2021年9月发布。报告得出结论，基于太空的太阳能发电在技术上可行，经济上具有竞争力，与英国政府的优先事项一致。

运营英国电网的国家电网也没有排除它。多年来风能和太阳能的一个缺点是，风并不总是在需要它吹的时候吹，太阳并不总是在需要它照的时候照。

太阳能只在白天产生，并且随天气变化很大。风能日夜发电，但相当随机和不可预测。

天然气很容易打开和关闭，但当其他能源较低时，它被用来填补空白，每次使用都会排放CO2。核电几乎是一条直线，连续可靠，作为所有发电的基础负荷。

但核电站是非常昂贵的长期项目，可能面临当地反对。太空太阳能的倡导者表示，它可以提供与核能相似的模式，而无需使用或留下放射性材料。

它将日夜运行，因为太空中的太阳能站将足够远以避开地球的阴影。据估计，基于太空的太阳能成本将下降到每千瓦时约3至4便士，这可能是今天电力成本的一半。

从商业模式的角度来看也很不可思议，因为可以将这种能源出售给其他国家，可以指向任何地方。太阳能发电卫星的所有核心物理学都包含在自1950年代以来发射的每一颗通信卫星中。

这一切都在工程中——如何将它们组合在一起以及如何提高效率和降低成本。放眼全球，中国目前已拿出完整全链路验证数据。

中国的可再生能源装机已经超过2300吉瓦，风电和太阳能合计超过1800吉瓦，地面上已经做到了世界第一。现在，又要把太阳能搬进太空。

基于太空的太阳能将在未来20年在能源生态系统中发挥巨大作用。那些更早提出这一构想的"疯狂科学家"——将被证明是正确的，这实际上是可行的。