太空能源解决方案带来无尽清洁能源

推动可再生能源发展

目前，推动能源系统脱碳和电气化主要依靠可再生能源，尤其是风能和太阳能。地热能和核能也可能有所帮助。

不幸的是，这些解决方案都有一些局限性：

• 地热的规模生产尚未得到证实，并且依赖于不平等的当地热能资源。
• 核能不受欢迎，会产生核废料，而且需要大量的前期资金。这阻碍了核能的普及，即使 这些问题大部分可以通过 4 来解决^th发电核电系统.
• 可再生能源存在间歇性问题，迫使绿色电网也投入巨额资金 电池和其他形式的储能.

说到太阳能，间歇性似乎是不可避免的特点，因为地球有一半的时间处于夜晚。更糟糕的是，云层覆盖可能会在世界某些地区大幅降低电力输出数周甚至数月，这还不包括灰尘或雪造成的问题。

如果为了避免夜间和气候问题，我们将太阳能发电基地放到太空中会怎样？这将如何实现？还有其他方法可以从太空为地球文明提供能源吗？

天基太阳能

太空太阳能发电的第一个主要特点是，当发电卫星绕地球运转时，它们可以被送入一个永远不会被地球阴影笼罩的轨道，全天候发电。这不仅使发电量翻了一番，而且还消除了地面太阳能发电厂对电池的需求。

再加上冬季或阴天不会造成发电量减少，间歇性的太阳能发电几乎可以转化为完美的基载电力。

另一个因素是，即使没有云，大气层也会吸收大量太阳光。地球的倾斜度和球形形状也减少了赤道地区以外照射到地面的太阳光量。

轨道太阳能电池板不受这些限制的影响。得益于所有这些因素的结合， 轨道上的太阳能电池板发电量是地面太阳能电池板的 40 倍.

它是如何起作用的？

我们已经知道如何在太空中生产太阳能，高性能太阳能电池板已经为几乎所有卫星和国际空间站提供电力。理论上，我们只需要将更多这样的太阳能电池板送入轨道，然后将电能送回地球。

来源: 太阳能网

令人惊讶的是，回传电力部分并不像人们想象的那么困难。迄今为止，主流概念是使用不会被云层吸收的微波（2.45 GHz）。然后，微波被吸收，并通过一种称为整流天线的专用天线转换回电能。

或者，也可以用激光将能量传回。

来源: ESA——欧洲航天局

将大量能量发射回地球表面听起来可能有点令人担忧。它往往会让人联想到科幻小说中超级恶棍的死亡射线。然而，在实践中，这种射线虽然能量丰富，但威力远不足以对地球表面造成威胁。

必须指出的是，该系统的优点之一是太阳能电池板产生的直流电可直接用于将其传送下来，而交流电仅在地面产生以将电力注入电网。

为什么现在？

太阳能成本

利用轨道太阳能发电厂发电的想法由来已久。但直到现在，它才开始显得可行。

第一个原因是太阳能电池板的效率日益低下和成本下降，而这些因素也是使其成为地面上可行的选择的因素。

来源: 新闻频道3

技术的进一步进步可能会使转换效率进一步提高。目前，地面上常用的太阳能电池板的效率在 20-23% 之间。太空中使用的太阳能电池板通常高达 30%，因为额外的成本可以通过携带到轨道的重量减轻来补偿，预计收益会进一步增加。

“目前太空中使用的太阳能电池板将阳光转化为电能的效率约为 30%，我们预计在未来 20 年内将达到 40%

尼古拉罗西，Enel 集团创新主管

发射成本

另一个不容忽视的问题是进入轨道的成本大幅下降，这几乎完全得益于 SpaceX 在可重复使用火箭方面的成就。这一成本已经降低了 10 倍，预计随着 Starship 的发射和史上最大火箭的量产，这一成本将继续下降。

来源: 方舟投资

当发射成本为每公斤 7,716 英镑时，它相当于每瓦 154 英镑的“安装成本”，而地面上仅为 2-1.5 英镑。但如果发射成本能够降到足够低，从经济角度来看，太空太阳能发电是可行的。而且 伊隆·马斯克的长期目标仅为每公斤 100 美元，得益于星际飞船巨大有效载荷的完全可重复使用性。

太空太阳能发电的局限性

价格和发射成本

如上所述，只有发射成本大幅下降，太阳能发电才可行。虽然这可能正在发生，但尚不清楚轨道发射成本能以多快的速度再降低 10 倍。

这可能会大大推迟太空太阳能的采用， 大多数大型原型项目（接近兆瓦级）预计最多要到 2025-2030 年才会建成。在建造 1,000 倍于 GW 级别的系统之前，不会产生重大影响。

轨道杂乱

另一个担忧是轨道上太阳能电池板的实际耐用性。太空是一个严酷的高辐射环境，电池板会随着时间的推移而退化。微波天线等电子元件也可能会发生同样的情况。

此外，轨道空间也变得越来越杂乱。太空垃圾正成为一个严重的问题，低地球轨道 (LEO) 卫星群正使地球上的垃圾数量呈指数级增长。

太空太阳能发电站的占地面积将达到数平方公里，因此很可能经常受到太空垃圾的撞击。如果有足够的面积和时间，即使是微陨石也会成为问题。

在最坏的情况下，一次重大撞击会产生更多碎片，而这些碎片又会反过来产生更多碎片，从而引发灾难性的连锁反应，摧毁地球上的大多数卫星。这是一种现象 被称为凯斯勒综合症.

目前，凯斯勒综合症的破坏力已经足够大，它可以破坏电信、太空图像和科学，以及早期核武器探测预警系统。

但如果地球的大部分能源是由轨道太阳能发电厂提供的，这种事件的破坏性将更加严重。

耐用性和回收利用

除非位于非常遥远的轨道，远离低地球轨道，否则卫星轨迹往往会下降得相当快。因此，太阳能发电厂需要推向更高的轨道，即地球静止轨道 (GEO)，这会增加成本，因为它们需要更多的发射能力。

这也使它们的回收利用受到质疑，因为这些太阳能电池板将消耗大量宝贵且不可再生的资源，包括银。

因此，从长远来看，任何大型太阳能基础设施也需要掌握太阳能电池板的回收利用技术，而不是通过让它们留在轨道上或坠回地球而毁掉它们。

最后，将材料送入轨道非常耗能。因此，只有高效火箭才能使这一过程可行，让轨道太阳能电池板不仅能“偿还”制造它们所用的能量，还能偿还将它们送入轨道所用的能量。

能量损失

正如我们所说，太空中的太阳能电池板接收的能量比地面上的多得多。然而，它们在为电网供电之前还必须比地面系统多几个步骤：

• 地面：收集阳光->将直流电转换为交流电->将电能送入电网。
• 基于空间：收集阳光 -> 转换微波 -> 将微波转换回电能 -> 将直流电转换为交流电 -> 将电力送入电网。

涉及发射微波的多个额外步骤会导致大量能量损失，从而增加了最高 30-40% 的阳光 -> 能量转换效率。

“我们在演示中使用的系统端到端效率约为 5%。即使阳光是免费的，这也并不具备操作可行性。太空太阳能发电厂要想有意义，效率必须至少达到 20% 左右。”

Jean-Dominique Coste – 空中客车蓝天公司高级经理

稳定的轨道和太阳风

最后一个问题是如何管理太阳能发电厂的轨道轨迹。

太阳能电池板需要不断调整位置，以接收最大程度的阳光照射。微波束需要不断改变方向，以击中地球表面的正确区域。

由于重量轻且能最大限度地接受阳光照射，太阳能电池板将由太阳翼和光线推动。事实上，这种来自光的压力已被考虑用来制造太阳帆，以推动宇宙飞船。

对于需要保持稳定的轨道太阳能发电厂来说，这可能会成为一个问题。

空间光伏的总体前景

太空太阳能发电的未来很大程度上取决于整个航天工业的发展。要实现这一目标，需要几个关键因素的结合：

• 行业的发展使得规模和创新能够将发射成本降低到所需的水平。
• 发展轨道和/或地月工业经济，至少用于动力卫星的维护和回收。
• 妥善管理太空垃圾，保持轨道中立与和平。

光伏空间太阳能的替代品

聚光太阳能和轨道镜

光 -> 电力 -> 微波 -> 回到电力系统本质上会造成巨大的损失，这部分抵消了太空中太阳能更高的输出。

这是对这一概念的核心批评，甚至 早在 2012 年，伊隆·马斯克就曾接受过这一理念

“让我告诉你我最喜欢的一件作品：太空太阳能。好吧，有史以来最愚蠢的事情。

如果有人认为应该喜欢太空太阳能，那应该是我。我有一个火箭公司和一家太阳能公司。我应该喜欢——我真的应该参与其中，你知道吗。”

当然，自 2012 年以来，很多事情都发生了变化。太阳能电池板价格和发射成本大幅下降。对可再生基载发电的需求也大得多。

不过，也许还有另一种选择：直接反射阳光，而不是用光伏板捕捉阳光。这可以通过将一面巨大的镜子送入轨道来实现。

这种方法的一个优点是，我们知道如何使用铝箔在太空中制造超轻超薄的镜子。由于这种材料只需要反射而不需要电子元件，因此每平方米的成本比光伏电池便宜得多，重量也轻得多。

这个想法尤其受到 Reflect Orbital 创始人 Ben Nowack格拉斯哥大学的 索尔空间 （获得欧洲研究理事会 2.5 万欧元资助）和能源巨头 Engie 的 Laborelec.

这个想法是在夜间通过向地面太阳能发电场发射阳光来为其供电。因此，商业模式是将阳光“出售”给地面太阳能公用事业公司。

这样的系统虽然无法穿过云层，但对于安装在干旱或沙漠地区的太阳能发电场来说是一个很好的选择。

此外，这一概念还可能推动“经典”太空光伏电站的发展，以低成本增加它们在传送回地球之前接收的总能量。

2018 年，中国宣布计划在 2022 年前使用这种镜子系统取代夜间路灯。虽然我们还没有这样做，但这可能是一种创造性的方式，利用太空“太阳能”来减少我们在可再生能源产量不足的夜间的能源消耗。

太空工厂

如上所述，太空太阳能发电的主要成本是必须将数百或数千吨材料送入轨道。解决这个问题的方法是利用现场已有的资源直接在太空生产太阳能电池板（或镜子）。

这种方法将完全消除将太阳能发电厂送入轨道的成本。取而代之的是，它只涉及发射建造太空太阳能电池板（或镜子）工厂所需的设备的成本。

其中一种方法是捕获拥有适当资源的小行星，开采它们，然后直接在轨道上生产发电厂。

从概念上来说，这仍然只是推测，因为尚未实现任何形式的小行星采矿。

月球基地

即使在太空中建造太阳能发电厂，平衡太空垃圾和回收利用对太阳风的影响的问题仍然存在。

另一种选择是将太阳能发电站建在月球上。太阳能将由建在月球上的大型太阳能发电场收集，然后直接或间接地传送到地球。来自月球的微波束也可以通过镜子重新定向，因为金属会反射微波。

来源: 亚利桑那州立大学

与低地球轨道 (LEO) 和地球静止轨道 (GEO) 太阳卫星相比，这具有以下几个优势：

• 重力：月球引力只有地球的 1/6，与完全失重的环境相比，它可能更有利于地球的制造过程适应太空。
• 非常适合太阳能：没有大气层，月球表面就不会受到风、云、雾、冰、沙尘暴、冰雹等的影响。因此，能源生产将高度可靠且可预测。
• 人工维护：轨道系统需要完全依靠机器人进行组装、维护和回收。相反，美国以及中国+俄罗斯即将制定的月球基地计划将在机器人不足时提供当地人力。
• 资源中心：月球是一颗巨大的天体，可能蕴藏着大量资源。与尚未证实的小行星采矿想法相比，月球更适合建造太空工厂。

可以用化学方法从月球土壤中提取硅、铝和铁，用于制造太阳能电池。可以从地球运来微量元素，用于掺杂太阳能电池。

据估计，从地球运送一公斤物质到月球，将为地球输送相当于一公斤太阳能卫星输送电能的200倍。

戴维·R·克里斯韦尔

然而，这个想法也有一些局限性。

值得注意的是，月球有 28 天的昼夜循环，这使得这一概念必须依靠分布在月球整个表面（或轨道镜）的一系列发电厂来产生连续的输出。

氦3、聚变和月球发电厂

另一个关于未来能源的讨论涉及月球，即月球上的氦-3矿藏。地球上非常稀有的元素 理论上可以为超高效的核聚变提供动力.

理论上，这将使太空探索和采矿成为未来能源供应的一个关键特征。实际上，核聚变仍处于实验阶段。

例如木星和土星等气态巨行星中的氢、氦和其他元素的稀有同位素的类似来源从长远来看可能发挥类似的作用。

月球也可以被想象成一个潜在危险但生产率高的发电系统（尤其是核能）的所在地，这样可以避免地球发生灾难性故障的后果。然而，将这种能源传回地球时的能量损失以及在太空建造的成本可能会使其无利可图。

太阳能空间公司

1. 太空太阳能

Space Solar 是一家英国公司，致力于开发 2GW 的太空太阳能卫星 CASSIOPeiA。这将是迄今为止人类建造的最大建筑物之一，相比之下，一些最高的摩天大楼都显得微不足道。

来源: 太空太阳能

CASSIOPeiA 将搭载 60,000 块太阳能电池板，重 2,000 吨，并在地球同步轨道运行。

电力传输将使用变化相位阵列来瞄准能量束。地面站直径需要 5 公里。到目前为止，电力传输技术已经在地球上进行了演示，功率为 30kW。这得益于 HARRIER，首款 360° 无线电力传输不需要移动部件，这是高可靠性的关键因素。

电力卫星的概念是依靠两个太阳反射器将阳光送回中央收集器部分。

来源: 太空太阳能

该项目第一版预计耗资 17 亿英镑，后续版本耗资 3.6 亿英镑。这将使它的成本仅为 1GW 容量的同等核电站成本的 4/2，考虑到核电站的基载情况，这是一个合理的比较。

2. 反射轨道

如上所述，Reflect Orbital 并不打算在轨道上发电。相反，其业务旨在“将天黑后的阳光出售给地面太阳能公司”。

由于电价高峰通常在日落之后，此时人们都回家了，而可再生能源却没有发电，因此这可能是一个不错的策略。此外，卫星阳光可以轻松重定向到不同的位置，从而可以在不同国家/地区的不同价格或某个地区的恶劣天气之间进行套利。

这使得它成为一家值得关注的公司，因为事实上，将阳光转化为电能，然后转化为微波，再转化为电能的过程效率太低，无法与地面太阳能竞争。

目前，该公司正在开发卫星并筹集资金。为了更好地解释这一概念，他们还使用 3 公里高空的热气球进行了演示，该演示已在网上疯传。

来源: 反射轨道

该公司计划在 2025 年前测试原型。每颗卫星重量仅为 35 磅（16 公斤），配备 33 英尺 x 33 英尺（9.9 x 9.9 米）大小的聚酯薄膜镜，进入轨道后展开。

反射轨道计划可能不如全轨道或月球太阳能卫星网络那么高科技。但也许这可能是一个优势，因为它本质上只是以创造性的方式使用完全已知的技术，这些技术已经掌握了几十年。这可以在一定程度上降低项目的风险。