為電力操心是當代技術大發展的必然結果，在眾多方案中，風光電這種綠能如果能大規模發展自然是最理想的。而光利用地球上的太陽能還不夠，宇宙中的太陽能也可以回饋地球人，這就是太空太陽能概念（Space-based solar power, SBSP）。
科幻大師阿西莫夫早就在短篇小說《理性》(Reason)中，透過合理的想象描述過這一場景：利用太空中每個空間站巨大的太陽能電池板捕捉太陽能後，透過微波光束將其源源不斷地傳輸回各個人類殖民的行星，再在地表轉化為電能。
可能咱國人會覺得沒必要，畢竟地面光伏發電已經是一個非常成熟的供給模式，硬體成本也一降再降，何必又去開發宇宙的太陽能？的確，依託國內完善的產業鏈，再加上光伏行業的技術壁壘相對較低，從矽片、電池片、元件、光伏玻璃到膠膜等各個環節去年都出現過剩產能，行業內捲到一度接近成本紅線0.68元/瓦。
然而地面光伏有幾個痼疾。一是要看老天臉色，太陽會落下、雲層也會來遮蔽，不配套儲能系統就沒法達到穩定輸出電量目的；二是隻適合幅員遼闊、日照充足的國家和地區，除了中國、中東地區以及印度等地外，無緣GW等級光伏發電的大有人在。
太空太陽能原理示意圖
但是如果把光伏發電搬到太空，這些難題都能迎刃而解。
在高地球軌道建造太陽能發電場，會擁有永不落下的太陽，因為軌道衛星可以24小時、保持垂直地暴露在陽光之下，而太陽的預期壽命是4到5億年，完全不愁有用盡的一天。太陽能領域早有專家計算過，同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。
太空發電場更不需要依賴日益稀缺的淡水資源、寶貴的農田，也不會產生危險廢物……再說了，連低軌衛星網際網路都要建成了，高軌道太陽能發電為什麼不可以？
在工程師和學者的描繪中，太空光伏的搭建是一個巨大的桁架結構，應該有數公里之長，桁架上安裝光伏板或者更新穎材質的太陽能電池，吸收或集中陽光，將光能轉化成直流電，然後透過雷射或微波光束傳輸到地面。
加州理工大學已經研發製造出模組化的太陽能電池板，輕質的砷化鎵太陽能電池被連線到太陽能板基本單元上，形成一個微型太陽能發電站，配有光伏裝置、微型電子元件和微波發射器。每塊太陽能板都像“瓦片”大小，數千個瓦片連線到一起能達到60平方米，組成一個六邊形發電站，“漂浮”在太空中。
加州理工大學的相關實驗已經進入到低地球軌道測試
日本對地外能源的研究熱情也很高，從上世紀80年代左右便開啟了“宇宙太陽能計劃”，由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）負責。十年前，JAXA就已經進行地面測試，成功將電能傳輸到了55公里外的接收天線，以驗證遠距離傳輸能量的可行性。
這個實驗在理論過程中非常重要，因為在太空收集的電能當然不可能放在電池裡，每隔一段時間用火箭送下來，或者接一條長長的電纜送到地球。因而從外太空軌道遠距送電，只能用電磁波。
電磁波傳遞能量並不陌生，微波爐就是透過發射微波——微波本身是一種電磁波，與光波、無線電波等屬於同一類波動，但具有較長的波長——與食物中的水分子相互作用，導致水分子振動併產生熱量，從而加熱食物。這裡的微波其實就是電能透過磁控管轉換而來的。
既然電能可以轉化為微波光束，那又該怎麼實現如此長距離的傳輸，精準傳遞給地面接收器？
要記住一點，電磁波傳遞能量時，能量會以波源為中心向外發散，並且能量隨著距離快速衰減。想要實現高效率傳輸能量，就必須使用指向性的波源，將能源都集中到一點，意思是這麼多個天線單元的發射訊號要頻率相同。
實現這一點可以透過調整它們的相位，讓各個天線發出的微波產生干涉，形成筆直前進的單方向主微波束，將能量精準發射到遠處的一個點。
目前的實驗專案中，選擇微波光束是主流。因為特定頻率的微波能穿透大氣層或雲層的阻擋，就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣，即使地球上是下雨天，太空太陽能仍能透過微波將能量傳至地表，大幅降低天氣造成的影響。
最關鍵的是，這種傳輸本質上很安全，它不是電離輻射，能量密度也不會對人體造成傷害，在實驗中，地面接收系統能接收到的能量密度大概在5到10W/m²，數值相對較低，至少遠低於太陽直接輻射到地面時的能量密度（大約1000W/m²）。
雷射光束可就不一樣了，不僅有致盲風險，還有潛在的武器化問題，還很容易受到大氣層厚雲、降雨等現象影響，推進起來估計更不容易。但是相比之下，雷射也有優點，它不需要微波那麼大的地面接收器，衛星成本也要低一點。
把這麼多物件送到高地球軌道，可能需要數百次火箭發射，這是1968年NASA和美國能源局雖覺這個概念“有趣”且合理，卻沒有測設主要原因：它的投入和產出根本不成比例。
好訊息是，這麼多年來，隨著SpaceX的獵鷹九號等可回收火箭的投入使用，運送每公斤物資到低地球軌道的成本已經降到了3000美元左右，大概是1968年時成本的二十分之一。加州理工大學最近能把小型太陽能模組送到低地球軌道做測試，也是靠獵鷹九號的低成本運力。
運輸成本的下降超乎人們想象
這裡插入一個知識點，其實可以就把衛星送到低軌位置，再慢慢靠衛星配備的電離發動機推動送至高軌道。
隨著太陽能材料的輕量化和太空發射成本的不斷下降，太空發電場的建造成本一定會越來越低。想象一下，地面只需要安裝接收站就能改變許多偏遠地區的能源問題，甚至進一步改變世界能源形態，甚至比現在很多新型發電方式靠譜多了。
>End
>>>
本文轉載自“壹零社”，原標題《忘記核能吧，光伏會在宇宙中“重生”》。
為分享前沿資訊及有價值的觀點，太空與網路微信公眾號轉載此文，並經過編輯。
>>>
充滿激情的新時代，
充滿挑戰的新疆域，
與踔厲奮發的引領者，
卓爾不群的企業家，
一起開拓，
一起體驗，
一起感悟，
共同打造更真品質，
共同實現更高價值，
共同見證商業航天更大的跨越！
——《太空與網路》，觀察，記錄，傳播，引領。
>>>
·《衛星與網路》編輯委員會
高階顧問：王國玉、劉程、童旭東、相振華、王志義、楊烈
· 《衛星與網路》創始人：劉雨菲
·《衛星與網路》副社長：王俊峰
雜誌訂閱，請加微信：
wangxiaoyu9960