未来清洁电力天上来——空间太阳能发电助力全球实现“碳中和”科学技术创新世界潮

  据世界经济论坛网近日报道，英国政府正考虑投资160亿英镑，建设空间太阳能电站。空间太阳能电站是英国政府“净零创新组合”项目将投资的技术之一，被视为可助英国到2050年实现净零排放的潜在措施之一。

  美国加州理工学院科学家也正在开展一项具有先锋性的“空间太阳能发电项目”，而且美国海军研究实验室2020年在太空测试了太阳能模块和能量转化系统。此外，中国也在建造自己的空间太阳能发电站。

  加州理工学院研制出的空间太阳能电池板。 图片来自：加州理工学院

  那么，太空中的太阳能发电站将如何运作，能带来哪一些好处，又面临哪些挑战呢？

  位于轨道上的空间太阳能电站一天24小时都可以接收太阳光，因此能持续发电，这比地球上的太阳能发电系统更具优势——后者只能在白天发电，并且受天气影响。因此，空间太阳能发电可能是帮助满足全球能源部门日渐增长的需求和应对全球气温上升的关键。

  空间太阳能发电需要在太空收集太阳能并将其传送到地球上。为此，空间太阳能发电系统要一颗太阳能卫星，即一台装有太阳能电池板的巨型航天器。这些电池板可以发电，然后通过高频无线电波将能量无线传输到地球，而一种名为硅整流二极管天线的地面天线将把无线电波转换成电力，再将其传送至电网。

  利用漂浮在太空中的巨型太阳能发电站向地球发射大量能量，这听起来像科幻小说——20世纪20年代，俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基首次提出了这个设想。在很长一段时间里，它成为作家们的灵感来源。1941年著名科幻作家艾萨克·阿西莫夫发表的短篇小说《推理》，就描述了这样一个能收集太阳能、并通过微波向行星传递能量的空间站。

  此后，基于太空的太阳能利用就成为一个长盛不衰的想法，而最近的技术进步使科学家们对其前景更为乐观。这些技术包括轻型太阳能电池、无限能量传输和太空机器人技术等。

  建造空间太阳能发电站第一步是要解决的是太阳能电池板的重量问题，不过，这已经通过开发超轻太阳能电池得到了解决。2017年，美国加州理工学院的研究人员提出了一个模块化发电站的设计，该发电站由数千块超轻型太阳能电池瓦组成。它是迄今为止最轻的集成多功能原型机，能够收集阳光，将其转换成射频电能，然后以受控光束无线传输这种能量。

  另外，空间太阳能电站基于模块化设计，大量太阳能组件可由机器人在轨道上组装而成。此外，把所有这些组件运入太空难度大、成本高，但像美国太空探索技术公司（SpaceX）这样的公司正在努力改变这样的情况，其研制出的“猎鹰”火箭可重复使用，功能更强大的“星舰”火箭也即将进入关键的试飞阶段，有望大幅度的降低空间发电成本。

  弗雷泽-纳什咨询公司最近的一份报告认为，英国投资100多亿英镑建设空间太阳能电站是可行的。该项目预计将从规模试验开始，2040年建成并投入到正常的使用中。届时这颗太阳能卫星的直径将达到1.7公里，重约2000吨。地面天线平方公里。

  据美国消费者新闻与商业频道网站报道，中国正在考虑建设太阳能发电站的计划，包括在2021年至2025年建设中小规模平流层太阳能电站并发电；2025年后开始大规模空间太阳能电站系统相关工作。根据有关专家组论证建议，中国应力争在未来十余年完成空间超高压发电输电及无线能量传输试验验证，实现“2030年开始建设兆瓦级空间太阳能试验电站，2050年前具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力”的中、远期目标。

  但世界经济论坛网的报道指出，即使我们成功建造了一个空间太阳能电站，其运行也面临若干实际挑战，例如太空碎片可能会破坏太阳能电池板。太空碎片是废弃的运载火箭或航天器部件，它们在地球上空数百公里处漂浮，由于太空碎片以25266公里/小时的极快速度在近地轨道上飞行，因此若发生碰撞，可能会对卫星或航天器导致非常严重破坏。

  另一个问题是，从太阳能卫星向地面传输能量难度很大，科学家们需要提高无线能量传输的效率，按照现存技术，收集到的太阳能只有一小部分可到达地球。

  报道还指出，空间太阳能发电能否帮助英国在2050年前实现净零排放还有待观察，但尽管存在上述挑战，空间太阳能发电未来仍有可能梦想成真，在全球能源供应中发挥及其重要的作用。