太空中的太阳能电池板能为地球提供清洁能源吗?

100年来，人们一直梦想着将巨大的太阳能电池板阵列送入太空，并将其能量传回地球。与地面上断断续续的可再生能源不同，这些轨道电池板将永远沐浴在明亮的阳光下，并有可能提供持续的电力供应。

现在，由于硬件的便宜和太空发射成本的下降，这样的计划开始变得可能。世界各地的团队都在研究基于太空的太阳能系统的关键部分，以及由美国宇航局的研究人员建造的原型加州理工学院位于帕萨迪纳的加州理工学院(Caltech)将于本月开始在轨道上进行实验。

“这里面没有什么古怪的东西需要新的物理学，”联合领导该研究的詹姆斯·卡朋特(James Carpenter)说Solaris这是欧洲航天局(ESA)发起的一项可行性研究，可能会从2025年开始全面发展该技术。“举例来说，从经济上讲，它可以与核能相媲美，”卡彭特说，他在欧洲航天局位于荷兰诺德维克的欧洲空间研究和技术中心工作。

太空太阳能发电只有在大规模实施时才可行。科学家们预计将建造几公里宽的太阳能电池板阵列，这些电池板将在距离地球约3.6万公里的轨道上运行。他们收集到的能量将被转换成微波，并发射到地面上的接收器，这些接收器的物理足迹更大。

中国已经宣布计划在2028年在近地轨道上放置一个兆瓦级的示范装置，然后在2030年将另一个系统部署到更遥远的地球同步轨道上。卡彭特说，如果有足够的资金，第一个千兆瓦的太阳能发电站可以在2040年投入使用。但尽管令人兴奋，巨大的技术障碍仍然存在。

自然为了使太空太阳能成为现实，研究人员必须回答五个大问题。

如何在太空中建造太阳能发电厂?

为了产生1千兆瓦的电力——相当于地球上一个发电站的输出——轨道阵列的面积需要超过1平方公里。这是国际空间站的100多倍，国际空间站花了10年时间才建成。一个阵列将由可以批量生产和分别发射的模块在太空中组装。加州理工学院的实验将包括将一个紧密折叠的结构展开成一个餐桌大小的太阳能电池板平台，但全尺寸阵列中的模块可能长达60米。

其他项目使用不同的设计。欧空局“Solaris”计划正在考虑的方案包括螺旋结构，而在中国西安，西安电子科技大学的“追逐太阳”项目正在开发一种皇冠状的太阳能集热器。两者都需要在轨道上由机器人进行远程组装，这仍然是一项新兴技术。

维吉尼亚州阿灵顿航空航天公司的空间经济学家凯伦·琼斯说，这种系统背后的工程“极其复杂”。加州理工学院希望避开这一问题，方法是让柔性面板编队飞行，而不将它们系在一起，并使用算法来修正影响电力传输的任何位置波动。英国朴茨茅斯大学的化学工程师Jovana Radulovic说，无论采用哪种设计，这些组件都需要每周发射一次，这种速度将是前所未有的。

使用哪种太阳能电池?

太阳能电池必须轻便高效，以降低发射成本。David Homfray是一名物理学家，他领导着英国公私合营公司的技术工作，他说，每公斤太阳能电池板可以产生1-2千瓦的电力太空能源计划．这种电池的功率重量比大约是地球上传统硅电池的50倍。大多数设计旨在通过聚光器、镜子和其他创新结构来增加太阳能电池在阳光下的曝光度。

电池还需要承受太空中的强烈辐射。然而，Radulovic说，许多太空探测器中使用的坚固的太阳能光伏材料过于昂贵，无法部署在一个巨大的阵列中，因此研究人员需要知道更便宜的替代品将如何发挥作用。

为此，加州理工学院原型的一项实验将试验32个轻型光伏电池，包括低成本的钙钛矿。“这里的想法是做一个寿命测试，”加州理工学院项目的联合负责人阿里·哈jimiri说。

太阳能如何到达地球?

这可以说是最大的挑战。虽然激光束能有效地传递能量，但云层会阻挡它们。为了避免这个问题，研究人员希望将太阳能电池阵列的电能转换成微波，这样在穿过大气层时不会损失太多能量。然而，微波在传播过程中会扩散，因此工程师们需要仔细同步微波的发射方式，并使用几公里宽的接收站来收集它们。

将太阳能转化为电能，再转化为微波，再转化为地面上的电能，将不可避免地产生一些损失。Radulovic说:“在这些损失显著减少之前，没有人会认真考虑这个想法。”欧空局估计，只有10-15%落在太空阵列上的太阳能需要被输送到电网，以使系统在经济上可行。然而，该机构表示，要实现这一目标，仍需要在几种能源转换技术上取得相当大的进步。

去年，西安电子科技大学的研究人员在地球上进行了一项小型实验，利用微波将太阳能传输到55米以外的地方。仅使用传统的硅电池，它的整体效率约为2.4%;该项目的研究人员李迅(音)说，该测试标志着整个序列首次在一个系统中得到验证。加州理工学院的原型机将是第一个使用微波传输和接收能量的太空实验，尽管只有30厘米，Hajimiri补充说。

这一切的努力都值得吗?

太空机构和国家认为，太空太阳能可能有助于到2050年实现净零碳排放的目标。但是琼斯说:“我们必须证明这对地球来说确实是一个净收益。”

太空太阳能肯定比地面太阳能贵得多。然而，Carpenter说，它可以与其他持续低碳能源的成本相媲美，例如具有碳捕获技术的核能或天然气，尽管在地面上存储可再生电力的更经济的方式可能会减少空间阵列的理由。

与此同时，英国格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)的研究人员计算出，一个基于太空的太阳能电站只需不到6年的时间，就能抵消开发、建造和安装该项目所排放的温室气体。“看起来竞争真的非常非常激烈，”霍弗赖说。然而，考虑到这些系统将如何设计和部署的不确定性，Radulovic对这种估计的可靠性提出了质疑。

安全吗?

从太空发射微波能量是非常安全的。波束的频率将被选择，这样它就不会干扰飞机通信。卡彭特说，由于它的能量分布在如此广泛的区域，地面站接收到的平均能量密度将在每平方米50瓦左右，相当于微波炉泄漏的无害微波水平。他说:“这在人类接触的正常安全建议范围内。”

但研究人员需要证明这对人类、动物或更广泛的环境没有不良影响。琼斯说:“我认为他们需要向经历过同样问题的移动无线行业学习，不要轻视这些问题，而是要用研究来证明这一点。”