科幻小说大师艾萨克.阿西莫夫在其1941年的短篇小说《理由》中描述了一个人类从太空中获取太阳能的世界。巨大的轨道太阳能电池板通过无线电波将可再生的能源传回地球。现在，80年过去了，阿西莫夫的愿景可能成为现实。

2022年3月，英国科学部长乔治.弗里曼透露，政府正在酝酿一项160亿英镑的提案，在太空中建立一个太阳能发电站（简称SSP），这是政府的净零碳创新工程中的一项技术。

咨询公司弗雷泽.纳什最近为英国当局提供的一份报告将太空太阳能描述为到2040年“清晰、丰富和技术上可行”，而美国在2021年11月的分析将其称为“应对气候变化的另一支箭”。

但是，这种未来的技术会不会真的超越科幻小说的范畴，如果是这样，会不会及时在2050年实现净零排放中发挥核心作用？

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什么是空间太阳能电站

空间太阳能电站的概念最初来自科幻小说。美国科幻小说家艾萨克·阿西莫夫在1941年发表的短篇小说《理性》里，就提到一个从太阳收集能量，并用微波束将能量传输给不同行星的空间站。

1968年，美国航空航天工程师彼得·格拉泽首次在学术论文中提出了“太阳能卫星系统”的概念，他当时发表的论文标题是《来自太阳的能量：它的未来》，刊登在1968年2月22日出版的《科学》杂志上。1973年，彼得·格拉泽还成功申请到了美国专利，标题为《将太阳辐射转换为电能的方法和设备》，介绍了在太空中利用卫星收集太阳辐射并转化为微波能量传输到地球的方法。

从那之后，美国、日本、欧洲和我国等国家和地区的科研机构发展出了很多在太空中收集太阳能并传输到地面利用的科学概念，国际上一般将这些概念统称为“基于太空的太阳能电站”，或者叫“空间太阳能电站”。

一般来说，现有的空间太阳能电站概念包括3个要素：能量收集平台，能量转换和传输过程，能量接收与利用终端。

“能量收集平台”就是在太空中收集太阳能的航天器，这些航天器可以是在各种轨道上的卫星或空间站等。收集能量的手段除了我们大多数人直观想到的太阳能电池板（光伏发电）之外，还有将太阳能直接转为激光能量的技术路线。当然，更直接的方法是，把太阳光用镜面反射或聚焦到地球表面，类似于“人造月亮”。俄罗斯在20世纪90年代就开展过名为“旗帜”的一系列“人造月亮”实验，但效果不甚明显，后来没有继续深入推进研究。

“能量转换和传输过程”也存在诸多技术路线，讨论最多的是用微波或激光的方式，将在太空中收集的太阳光能量转换成电磁波，然后传到地球表面。目前，高指向精度的激光传输技术已经被用于从卫星到地面的激光通信，但是激光在大气层中的传输容易受到云层和降水的影响。而利用微波传送电力的手段相对更加成熟，2015年，日本宇宙航空研究开发机构和三菱重工就先后宣布成功开展了相关实验，其中三菱重工将10千瓦的电力通过天线传到了500米之外，并且在接收装置上把微波能量还原成电能，点亮了发光二极管。

“能量接收与利用终端”一般可以认为是地面的接收装置，当然也可以是飞机、卫星甚至月球上需要用电的其他终端。总体来看，地面的微波接收装置（整流天线）周围的安全是可控的，在地表可以建造围栏等防止人员进入，在飞机上可以安装保护性的金属外壳（法拉第笼）来防止乘客受到微波光束照射，此外还需要控制微波束的功率，防止对类等动物造成伤害。也有研究者担心长期用微波照射电离层会对大气环境产生影响，但是还没有看到显著的影响分析。

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对净零的承诺

英国政府在法律上承诺通过 2008 年气候变化法案实现净零排放，该法案设定了到 2050 年减排 100% 的具有约束力的目标。

作为这一雄心壮志的一部分，英国政府正在支持一项开创性计划，即从太空中的太阳能电池板发射能量。这可以在任何时候、全年、不受天气影响地为地球上的人口提供负担得起的清洁能源。

天基太阳能是一个有着数十年历史的超大型太阳能卫星概念，通常在地球静止轨道 (GEO) 中，它们几乎 100% 的时间都暴露在太阳下。这些卫星收集太阳能，利用固态功率转换将其转换为微波，然后发射到地面整流天线。一个典型的系统将提供 2 吉瓦的电力，足以为 100 万户家庭供电。

商业、能源和工业战略大臣夸西·克瓦滕最近表示，太空太阳能“为英国引领新市场、增强能源安全并为英国净零排放做出贡献提供了令人兴奋的机会。”

在 2021 年为英国政府进行的一项研究中，Frazer-Nash Consultancy 得出结论，天基太阳能：在技术上是可行的，并且可以支持净零路径；是负担得起的；和发展将为英国带来可观的经济利益

弗雷泽-纳什咨询公司业务经理兼太空能源倡议 (SEI) 联合主席 Martin Soltau 参加了最近举行的皇家航空学会会议“迈向太空支持的净零地球”，他说：“英国拥有巨大的机会在开发这一突破性的清洁能源技术方面发挥领导作用。SEI 拥有强大的政府支持和可投资的计划，围绕市场领先的太阳能卫星概念，由能源、空间、金融和公共部门的 50 多个组织组成的联盟。我们正在与国际合作伙伴建立商业发展计划。”

他补充说：“所有能源技术都有优点和缺点，但天基太阳能几乎没有缺点。它提供基本负荷和可调度能源的能力使其与间歇性风能和地面太阳能很好地集成在一起。它向其他国家发射能量的独特能力提供了特别的灵活性。”

在会议上，英国皇家航空学会会长霍华德·奈（Howard Nye）评论说，虽然从太空利用太阳能的概念已经存在了一段时间，但“直到现在，研究表明它既可行又有益，而且公共和私人投资者的支持。该过程的下一步将是建立基础设施和系统，以展示为英国提供太空清洁能源的能力。”

Andrew Wilson 博士是斯特拉斯克莱德大学航空航天卓越中心的知识交流助理，在该领域开展了广泛的工作。

“如果太空太阳能要帮助英国实现净零发电，它必须能够做到所说的那样。斯特拉斯克莱德大学和英国 Metasat 进行了广泛的评估，以正确评估该技术的环境概况。我们的初步调查结果表明，SEI 计划将在其整个生命周期（包括发射）内产生每千瓦时 23.6 克二氧化碳当量的碳足迹，这与陆地可再生能源系统相当。我们现在希望将这些发现整合到 SEI 技术路线图中，以改进这一数字，并以一种使它们在技术上尽可能环保的方式建造太空太阳能系统。”

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空间太阳能电站的优缺点

如果不考虑建设成本和技术成熟度问题，简单来看，空间太阳能电站的优势包括以下三点：

一是空间太阳能属于绿色清洁和可再生的能源。如果空间太阳能电站能够成熟使用，可以克服化石能源带来的各种问题，而且不像风电、水电，对地理环境有特殊要求，也不像核电站需要消耗核燃料、有产生核污染的风险。

二是能源利用效率高。2014年5月，日本宇宙航空研究开发机构的科学家司理佐佐木在美国电气电子工程师学会《频谱》杂志上发表的文章《太空中总是阳光明媚》对这一点进行了很好的解读。根据估算，地球大气可以反射或者吸收55%—60%的太阳光，而且地面的光伏发电装备还要面临黑夜、阴天、冬季等光照条件不强的环境。而在太空中，通过调整太阳能电池板的姿态、设计合适的卫星轨道，可以使空间太阳能电站几乎一天24小时都持续发电。

三是可实现超远距离能量传输和调度。空间太阳能电站利用无线能量传输技术，可以快速将能量聚焦传输到偏远的环境，比如海上、沙漠中等缺乏电网设施的地区。不仅如此，还可以在飞机、卫星、轮船、深空航天器甚至在其他星球上搭载接收微波能量的天线设备，让这些移动平台在需要时方便地接收来自太空的微波能量，实现“充电自由”。

但是，空间太阳能电站也面临不少困难和挑战，主要有以下三个方面：

一是装备容易受损和老化。太空环境非常复杂，环境辐射强烈，温度变化剧烈，所以发电光伏板在太空中的老化速度远远超过在地球上的速度（有计算为比地球上老化快7倍左右）。此外，空间太阳能电站需要非常庞大的体积，特别是展开的光伏板或者反射镜面等，因此更容易受到空间碎片的碰撞。

二是难以组装、建设和维修。在地面维护和更换太阳能电池板是非常简单的事，但是在太空中往往需要通过遥控机器人来实现空间太阳能电站的组装和维修。此前美国曾经多次通过航天员的太空行走，实现对哈勃空间望远镜（轨道高度在570千米左右）的维修，但是如果在地球同步轨道（3.6万千米）建设和维修空间太阳能电站，其难度和风险都远远超出以往的太空维修任务。

三是微波传输可能干扰通信波段。目前，典型的无线能量传输设计是利用在1到10GHz频率范围内的微波，例如常用的2.45GHz（微波炉的常用频率）或5.8GHz微波，因为该频段是大气微波传输的窗口，微波能量损耗最小。但是蓝牙、无线网络（WiFi）以及一些特殊的微波通信频率也在这个范围内，还有一些天文观测可能也会针对这个频段，这样就可能产生频谱干扰问题，需要通过管理协调。

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新的全球太空竞赛

一些国家正在探索该技术。在美国，正在开发高效的太阳能电池用于太空太阳能项目，以及一个为太空使用而优化的电力转换和传输系统。美国海军研究实验室也在2020年在太空测试了一个太阳能模块和电力转换系统。

“美国军方开发了‘三明治模块’，这是太阳能卫星的核心要素之一，”索尔陶说，“他们已经完成了功率高达1千瓦和超过一英里距离的电力传输试验。目前，一个小型试验品正在X-37B航天飞机上进行太空飞行，并计划在2025年进行太空电力传输试验。”

与此同时，中国最近宣布了其璧山空间太阳能站的进展，目标是到2035年拥有一个正常运作的系统。中国的研究人员已经设计了一个名为欧米茄的系统，到2050年应该能够为该国的电网提供2GW的电力。

日本的空间机构也在研究一个系统，并计划在2025年从太空中进行电力传输演示。索尔陶说：“日本可能是世界上功率光束的领导者，该国政府领导了一项计划，并有相应的国家政策来发展该技术。”

欧洲航天局正在寻求资助SSP项目，而在英国，根据最近弗雷泽.纳什公司的研究，拟议的160亿英镑的太空电站系统已被认为是一个可行的概念。如果被委托，该项目预计将从小型试验开始，目的是在2040年建立一个可运行的SSP站。根据Soltau的说法，假设到2050年，英国将拥有15颗太阳能卫星，每颗卫星向电网提供2GW的电力。虽然这是一个相当大的电量，在地球上用太阳能电池板生产2GW，你将需要超过600万块太阳能电池板，但与英国目前的发电能力相比，它并不大，因为英国的发电能力约为76GW。

英国商业、能源和工业战略部告诉《能源观察》，在弗雷泽.纳什公司报告之后，它正在制定一个小规模的“无悔”创新计划，以支持与SSP相关的关键技术的发展，但这些技术也有更广泛的地面应用，因此无论SSP是否起飞，它们都能为英国的净零目标做出贡献。

也有一些私人公司在进行小规模的研究。空间能源倡议最近成立，目的是开发一个基于太空太阳能的商业模式。它汇集了能源、空间和金融领域的50个组织，包括空客、泰利斯、CGI、英国贸易部、伦敦帝国学院和剑桥大学等。索尔陶说：“我们刚刚成立了太空太阳能有限公司，在SEI成员的支持下，领导一个基于太空的太阳能开发计划”。

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我国空间太阳能电站研究进展

根据葛昌纯院士2021年发表在《中国科学报》上的文章介绍，在国家有关部门支持下，我国从“十一五”正式开始空间太阳能电站研究，目前在系统设计和关键技术方面已经取得了部分重要成果。

2010年，我国12位院士和百余位相关领域专家曾在中国空间技术研究院举办的空间太阳能电站技术研讨会上发布了我国空间太阳能电站发展路线图，提出到2030年建设兆瓦级小型空间太阳能试验电站的“三步走”计划：首先开展关键技术的地面及浮空器试验验证，其次开展高空超高压发电输电验证，最终开展空间无线传能试验。该路线图还提出了到2050年具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站能力的目标。

另据《中国科学报》2021年8月16日报道，重庆科学城正在建设“璧山空间太阳能电站实验基地”，将重点进行空间太阳能发电站、无线微波传能以及空间信息网等技术的前期演示模拟与验证。

可以想见，未来如果相关技术进一步成熟，我国从国家层面以更大的力度推进空间太阳能技术的发展是完全有可能的。

本文来源：嘿嘿能源heypower，北 京日报，星星博士