太空太阳能：地平线上的未来能源？

太空太阳能的工作原理

太空太阳能背后的基本思想包括三个主要部分：

1. 空间段（太阳能发电卫星 - SPS）： 巨大的太阳能电池板阵列（光伏），可能跨越数平方公里，被放置在轨道上，通常是地球同步轨道（GEO），位于地球上方约 36,000 公里处。在地球同步轨道上，卫星相对于地面站保持固定位置，并且 99% 以上的时间都能接收到阳光，不受地球大气层、天气或昼夜循环的影响。收集到的太阳能（也比地球表面更强烈）从直流 (DC) 电转换为高频无线电波（微波）或激光束。
2. 无线电力传输： 转换后的能量通过卫星上的大型发射天线（微波可能直径达数公里，需要精确的相位控制）或激光发射器向地球发射。
   • 微波： 这是更常被研究的方法。微波可以有效地穿透地球大气层，不受云层覆盖或天气条件的影响。然而，物理学原理表明，需要大型天线（发射和接收天线）来保持聚焦波束，并保持能量密度低且安全。
   • 激光： 激光束可以使用更小的发射和接收天线，但会被云、雨和大气吸收显着衰减。光束安全考虑也至关重要。
3. 地面段（接收站）： 专用地面站接收发射的能量。对于微波传输，这需要一个称为“整流天线”（rectenna，整流天线）的大型接收天线。整流天线是由二极管偶极天线阵列组成，可将传入的微波能量直接高效地转换回直流电。虽然整流天线可以覆盖大面积区域（数平方公里），但其下方的土地有可能用于其他目的，例如农业，因为微波强度被设计为较低。然后，直流电被转换为交流电 (AC) 并馈入地面电网。

太空太阳能的优势

• 持续的基荷电力： 与地面太阳能或风能不同，地球同步轨道中的太空太阳能可以 24/7 全天候供电，充当基荷能源，大大减少了对大规模储能的需求。
• 更高的能量收集： 太空中的太阳能电池板接收到更强烈的阳光（约 1360 瓦/平方米），没有大气过滤或夜间中断。
• 全球覆盖： 理论上，电力可以发射到地球上任何地方的整流天线，包括偏远或能源贫乏地区，从而有可能绕过地面上广泛的长距离输电线路的需求。
• 清洁且可再生： 太空太阳能在运行过程中利用太阳能，不排放温室气体，为脱碳努力做出重大贡献。
• 减少土地占用（潜力）： 虽然整流天线很大，但每单位能量输送的总土地使用量可能优于同等地面可再生能源发电场及其所需储能的庞大占地面积。

技术进步和演示

虽然大规模太空太阳能仍然是未来主义的，但在演示关键技术方面已取得重大进展：

• 加州理工学院的 MAPLE 实验（2023 年）： 作为一项里程碑式的成就，微波阵列电力传输低轨道实验（微波阵列电力传输低轨道实验，空间太阳能电力演示器 - SSPD-1 的一部分）成功演示了在太空中组件之间的无线电力传输，并将可检测到的能量发射回加州理工学院校园的接收器。这是集成系统的关键概念验证。
• 无线电力传输研究： 包括美国海军研究实验室 (NRL) 在内的多个实体已经进行了微波和激光远距离电力束实验，提高了组件效率和光束控制技术。
• 国际关注： 包括中国（制定了雄心勃勃的路线图）、日本（JAXA，长期研究者）、英国（太空能源倡议）和欧洲航天局（ESA 的 SOLARIS 计划）在内的多个国家和机构正在积极研究或规划太空太阳能计划。

挑战和经济考量

尽管取得了进展，但仍然存在巨大的挑战：

• 发射成本： 单个公用事业规模 SPS（数万吨）所需的材料量巨大，使得发射成本成为主要的经济障碍。完全可重复使用的超重型运载火箭（如 SpaceX 的星舰）的出现被认为是太空太阳能可行性的关键。
• 组件和系统效率： 提高端到端效率——从阳光捕获（光伏效率、抗降解性）、直流到射频/激光转换、传输精度和整流天线射频到直流转换——对于经济可行性至关重要。
• 太空组装和维护： 在恶劣的太空环境（辐射、碎片、极端温度）中建造和维护公里级结构需要先进的机器人技术和自主系统。
• 光束安全和控制： 确保功率束保持精确瞄准并在安全能量水平（整流天线边缘及以外的低功率密度）下运行对于公众接受和监管批准至关重要。故障安全机制是必不可少的。
• 空间碎片减缓： 向轨道添加大型结构会增加碰撞风险，需要仔细设计并可能考虑主动碎片清除。
• 频率分配： 获得微波电力传输的专用国际频段对于避免干扰现有卫星通信和雷达系统是必要的。

未来展望

太空太阳能具有变革潜力，有望成为未来全球能源基础设施的重要组成部分，大规模提供持续、清洁的能源。然而，克服巨大的技术和经济障碍将需要对研发进行持续投资、大幅降低发射成本以及国际合作。虽然最初的试点工厂可能会在未来几十年内出现，但公用事业规模的太空太阳能很可能离广泛部署还有很多年。尽管如此，空间技术发展的加速步伐表明，曾经的科幻小说正稳步走向工程现实。