太空中的太阳能发电站？下面是它的工作原理

信贷：NASA

据报道，英国政府正在考虑一项160亿英镑的提议，在太空中建造一座太阳能发电站。

约瓦纳·拉杜洛维奇

是的，你读对了。天基太阳能发电是政府净零创新投资组合中的技术之一。它已被确定为一个潜在的解决方案，与其他解决方案一起，使英国能够在2050年实现净零排放。

但太空中的太阳能发电站将如何工作呢？这项技术的优点和缺点是什么？

太空太阳能发电包括在太空收集太阳能并将其传输到地球。虽然这一想法本身并不新鲜，但最近的技术进步使这一前景更容易实现。

天基太阳能发电系统包括一颗太阳能卫星——一个装有太阳能电池板的巨型航天器。这些面板产生电力，然后通过高频无线电波无线传输到地球。地面天线被称为整流天线，用于将无线电波转换成电能，然后将电能输送到电网。

轨道上的天基太阳能发电站每天24小时由太阳照明，因此可以连续发电。这代表着相对于地面太阳能发电系统（地球上的系统）的优势，后者只能在白天发电，并且取决于天气。

到2050年，全球能源需求预计将增长近50%，天基太阳能发电可能是帮助满足世界能源部门日益增长的需求和应对全球气温上升的关键。

太空太阳能电站面临的一些挑战

天基太阳能发电站基于模块化设计，大量太阳能组件由轨道上的机器人组装。将所有这些元素送入太空既困难又昂贵，而且会对环境造成损害。

太阳能电池板的重量被认为是早期的挑战。但超轻太阳能电池（太阳能电池板由更小的太阳能电池组成）的开发已经解决了这一问题。

天基太阳能发电被认为在技术上是可行的，主要是因为关键技术的进步，包括轻型太阳能电池、无线电力传输和空间机器人。

重要的是，即使只组装一个天基太阳能发电站，也需要多次发射航天飞机。虽然从长远来看，天基太阳能发电旨在减少碳排放，但与空间发射以及成本相关的排放量仍然很大。

航天飞机目前不可重复使用，尽管像SpaceX这样的公司正在努力改变这一点。能够重复使用发射系统将大大降低天基太阳能发电的总体成本。

如果我们成功地建造了一座太空太阳能发电站，它的运行也面临着几个实际挑战。太阳能电池板可能会被太空碎片损坏。此外，太空中的电池板不受地球大气层的保护。暴露在更强烈的太阳辐射下意味着它们的降解速度将比地球上的快，这将降低它们的发电能力。

无线电力传输的效率是另一个问题。远距离传输能量——在这种情况下是从太空中的太阳能卫星传输到地面——是困难的。根据目前的技术，收集到的太阳能只有一小部分能到达地球。

试点项目已经开始

美国的太空太阳能发电项目正在开发高效太阳能电池，以及为太空使用而优化的转换和传输系统。美国海军研究实验室于2020年在太空测试了太阳能组件和电力转换系统。与此同时，中国宣布了璧山空间太阳能站的建设进展，目标是到2035年建成一个运行正常的系统。

在英国，根据最近的弗雷泽·纳什咨询报告，170亿英镑的天基太阳能开发被认为是一个可行的概念。该项目预计将从小型试验开始，最终在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为1.7公里，重约2000吨。地面天线占据了大量空间——大约6.7公里乘13公里。考虑到英国各地的土地使用情况，它更有可能被放置在海上。

这颗卫星将为英国提供2GW的电力。虽然这是一个相当大的电力量，但对英国约76GW的发电能力贡献不大。

由于初始成本极高，投资回报率较低，该项目将需要大量政府资源以及私人公司的投资。

但随着技术的进步，太空发射和制造成本将稳步下降。该项目的规模将允许大规模生产，这将在一定程度上降低成本。

太空太阳能能否帮助我们在2050年实现净零排放，还有待观察。其他技术，如多样化和灵活的储能、氢气和可再生能源系统的增长，更容易理解和应用。

尽管存在这些挑战，但天基太阳能发电是令人振奋的研发机会的先驱。未来，这项技术可能会在全球能源供应中发挥重要作用。

Jovana Radulovic，朴茨茅斯大学机械与设计工程学院院长