空间太阳能发电站的运行原理及优势

  （图片来源：NASA,Public domain,via Wikimedia Commons）

  空间太阳能发电作为一项蕴藏潜在价值的技术方案已被英国政府纳入资本预算，此计划将与其他的节能方案一起帮助英国在2050年实现零排放的目标。太空中的太阳能发电站究竟是如何工作呢？这项技术的优点和缺点又是什么呢？空间太阳能发电包括收集太空中的太阳能和把能量传送到地球，虽然这早就不是新理论了，但技术的进步增加了这一方案的可行性。

  空间太阳能收集系统由一颗太阳能卫星和载有太阳能电池板的巨型航天器组成。这些装置将太阳能转化成电能，再通过高频无线电波传输到地球的一个矩形状的地面天线，这个矩形天线可以把无线电波转换成电力并输送到电网。在轨的空间太阳能发电站可以每天24小时接收太阳照明以持续发电。这则是空间太阳能系统相较于地面太阳能发电系统的优势，地面太阳能发电系统只能在白天发电，并且受限于天气影响。全球能源需求量预计在2050年增长约50%，空间太阳能发电作为一项关键技术能帮助人类应对全球温室效应以及应对世界能源日渐增长的需求。

  空间太阳能发电站采用了模块化设计，众多个太阳能模块可以由轨道上的太空机器人完成组装。但如何将这些零件送入太空是个大难题，空间运输不仅困难而且昂贵，还有巨大的环境成本。

  早期的难点在于如何将太阳能电池板的重量减小，现如今随着超轻太阳能电池的成功研发，科学家们已经解决了这样的一个问题。一些关键技术（如轻型太阳能电池、无线电力传输和空间机器人）的发展，空间太阳能发电在技术层面上已具有可行性。

  然而，仅仅完成一次空间太阳能发电站的组装任务就需要发射多架航天飞机。空间太阳能发电的目的是为实现长期的碳减排，但发射任务本身却会带来非常大的排放和高昂的成本。目前有包括SpaceX在内的一些航天公司也正试图解决当下航天飞机重新回收再利用的难题。如果我们也可以重复回收利用这些航天飞机，那么空间太阳能发电项目的总成本将会大大降低。

  只能在白天发电的地面太阳能发电系统。（图片来自：RoyBuri/pixabay）

  即使我们能顺利地建造一座空间太阳能发电站，但其在运行时还有很多问题亟待解决：如太阳能电池板可能会被太空碎片撞击损坏。除此外，太空中的电池板在强烈的太阳辐射下的降解速度会因不受地球大气层的保护而加快，以此来降低其发电效率。无线电的传输效率又是另一个难题。把能量从太空中的太阳能卫星远距离传输到地面极其困难，目前的技术只能将小部分收集到的太阳能传输至地球。

  美国正在研发高效太阳能电池以及为空间太阳能项目而设计和优化的转换传输系统。美国海军研究实验室2020年在太空中测试了一套太阳能模块和电力转换系统。同期，中国也宣布开展璧山空间太阳能发电站项目，并计划在2035年之前建成一套空间太阳能发电系统。

  英国Frazer-Nash顾问有限公司的最新报告称：官方已确认了这项投资约170亿英镑的空间太阳能发电项目的可行性。该项目将首先开始从小型试验着手实施，并计划在2040年建成一座可运行的太阳能发电站。

  这颗太阳能卫星直径长1.7公里，重约2000吨。其地面天线公里。考虑到英国的狭小的土地面积，这一部分很可能被置于海上。卫星可以为英国提供2GW的电力，这已经是一份可观的电力，但比起整个英国约76GW的发电量来讲，也只是一份微小的贡献。该项目初始成本极高且投资回报周期较长，需要引入大量政府资源以及私人公司投资。航天器的发射及制造成本将会随技术的进步而逐步降低，而此项目的出现将会刺激制造业的大规模生产从而逐步降低其成本。

  空间太阳能发电能否让我们在2050年实现净零排放的目标尚且待定。除了空间太阳能发电技术外，人类也在研发其他更容易掌握和应用的技术，如多元储能、氢气和可再次生产的能源技术等。尽管空间太阳能发电的研发目前仍面临许多难题，却也是令人振奋的研究课题和发展机会。这项技术未来将在全球能源供应上发挥起及其重要的作用。