在太空建个太阳能发电站，划算吗？

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：

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。

冷战时期，美国对空间太阳能电站建设做过许多详细计算，结论是在经济上不可行，远不如发展核电站等性价比高。但是近年来，情况发生了变化：一是航天发射的成本降低了，比如美国太空探索技术公司（SpaceX）的可重复使用火箭技术带来的效果等。二是航天材料技术、微电子技术等飞速进步，让建设空间太阳能电站所需要的材料重量减轻了，卫星支撑结构、天线、镜面、电池板都更加轻薄，还出现了很多轻量化的创新设计，比如薄膜电池等。三是近年来随着气候变化问题日益严峻，各国面临脱碳的现实需求，因此发展新的能源技术的战略需求进一步增强了。所以，从需求拉动、技术推动两个方面来看，空间太阳能电站近年来热度又有了上升趋势。

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小时都能持续发电。

空间太阳能电站地面接收装置概念图

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。

（4）我国空间太阳能电站研究进展

据英国《泰晤士报》等媒体报道，为了实现2050年净零排放的目标，英国政府正在考虑一项提议——在太空中建造一座太阳能发电站，成本大约160亿英镑（约合1300亿人民币）。而我国国家航天局副局长吴艳华日前在接受媒体采访时表示，我国也在论证是否要建设大型的空间太阳能电站。

（3）在工程和经济方面的可行性

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都包括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。

图片来源：视觉中国

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。

关于可行性问题，2021年9月，英国政府网站上发布了由英国商业、能源和工业战略部委托弗雷泽-纳什咨询公司完成的一项研究报告，总体结论是，空间太阳能发电在技术上是可行的，到21世纪40年代，用卫星星座构建空间太阳能发电系统，可以满足英国大部分的能源需求。该报告通过计算认为，在2040年建设5个空间太阳能并网发电站，平均发电成本可以降低至50英镑/兆瓦时，具有很强的市场竞争力。但是，为了达到这一目标，需要163亿英镑的开发成本，以及10亿英镑的系统生命周期运行成本。而且考虑到开发相关技术会面临巨大的时间成本和风险，私营企业难以承受，因此需要由国家公共资金来提供资助。这也是《泰晤士报》等媒体报道说英国政府正在考虑投资160亿英镑来建设太空发电站的信息来源。

那么，空间太阳能电站将如何建造？它有什么优势和缺点？今天我们邀请中国科学院文献情报中心副研究员郭世杰来谈谈这些问题。

“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。除非未来人类材料科学取得重大突破，能够直接用电线实现天地电力传输，或者采用直接反射太阳光的办法，否则就必须发展高功率、高精度、超远距离的无线能量传输技术。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。

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