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空間光伏一直是科學(xué)家的夢想，因為太空中，鮮紅的太陽永不落！

如果說實現(xiàn)空間光伏發(fā)電應(yīng)用目前最大的市場障礙是將如何低成本地將光伏系統(tǒng)發(fā)射到太空，那么該應(yīng)用最大的技術(shù)障礙就是如何把太空中光伏發(fā)的電傳送回地球。

近日，美國空軍研究實驗室和諾斯羅普格魯曼公司的太空太陽能增量演示和研究（SSPIDR）項目首次成功實現(xiàn)了將光伏發(fā)電進(jìn)行微波傳送的端對端演示。

1． 空間光伏傳輸原理

與地面光伏電站所發(fā)的電進(jìn)行電力傳輸?shù)脑�理不同，你不可能在太空和地面之間架起直流或交流的電力網(wǎng)絡(luò)為空間光伏發(fā)電進(jìn)行電力傳輸。

科學(xué)家的想法是，將空間光伏發(fā)電先轉(zhuǎn)化成無線電波，對著地球進(jìn)行發(fā)射，同時在地面上建設(shè)一座無限電波接收站，再將接收到的無線電波射頻信號轉(zhuǎn)化為電力，接入電網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

圖1：空間光伏原理和太空太陽能增量和示范研究 （SSPIDR）

為了實現(xiàn)這一過程，科學(xué)家需要在太空中搭建一個能將光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化成射頻電波的裝置，再將該裝置對準(zhǔn)地球發(fā)射電波，還要有一個射頻接收裝置，并且該裝置能夠?qū)⑸漕l轉(zhuǎn)化成電流。

而實現(xiàn)光電到射頻的轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)射頻電波的高效傳輸，這是該項目成功的關(guān)鍵。據(jù)了解，如果高效射頻傳輸成為可能，那么利用充電樁充電將無需有線傳輸，汽車在高速公路上邊開邊充電也將成為現(xiàn)實。

2． AFRL的射頻傳輸試驗

2018 年美國空軍研究實驗室（AFRL）與Northrop Grumman 簽訂了一份價值超過 1 億美元的合同，用于開發(fā)有效載荷，以展示原型空間太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，這是為太空中的大型太陽能收集系統(tǒng)鋪平道路所需的基本步驟。

AFRL的設(shè)想是制造傳統(tǒng)的光伏電池板與支持從光伏到射頻轉(zhuǎn)換并發(fā)射波束的裝置，并將二者結(jié)合稱夾心瓦，第一層是一塊高效光伏 （PV） 電池板，用于光伏發(fā)電并為第二層提供電力，第二層填充了支持太陽能到射頻轉(zhuǎn)換和波束成形的組件。

圖2：AFRL的“光伏射頻天線模塊”

該光伏設(shè)備被稱為“光伏射頻天線模塊”，是一塊12英寸的正方形“瓷磚”面板，能夠?qū)㈥柟廪D(zhuǎn)換為射頻微波。設(shè)備中使用的太陽能電池制造了一個額外的層，以捕獲空間光譜中的藍(lán)光。

地面演示試驗中，科學(xué)家使用太陽能模擬器照亮面板的光伏側(cè)并開始太陽能到射頻的轉(zhuǎn)換過程。由于太陽能模擬器強(qiáng)度很大，研究人員能夠在工業(yè)級柔性塑料屏障后面查看監(jiān)視器上的實時 RF 輸出數(shù)據(jù)，并可以看到表明功率轉(zhuǎn)換和 RF 輻射功率成功的 RF 能量峰值。

除了實現(xiàn)從太陽能到射頻的轉(zhuǎn)換，科學(xué)家還需要測試該射頻天線的能量轉(zhuǎn)換過程以及由此產(chǎn)生的熱性能，從而分析轉(zhuǎn)換效率，幫助研究人員理解在實際空間條件下測試硬件。AFRL本次試驗成功地測試了單塊“瓷磚”，為此后搭建一平方米的原型面板提供了一個構(gòu)建塊，目前這是全球任何其他太陽能到射頻實驗尚未達(dá)到的閾值，預(yù)計將于 2025 年推出。

3． 中國的太空光伏電站研究

據(jù)報道，中國太空光伏電站將按照四步走設(shè)想向前推進(jìn)，第一階段2011 － 2020年進(jìn)行太空電站的驗證與設(shè)計，第二階段2021年 － 2025年將建成第一個低軌道空間電站系統(tǒng)，第三階段2026 – 2040年的將發(fā)射太空電站系統(tǒng)并完成組裝，第四階段2036 － 2050年將正式實現(xiàn)電站商業(yè)運營，設(shè)計壽命30年。

我國首個空間太陽能電站實驗基地，由重慶大學(xué)、中國航天科技集團(tuán)和西安電子科技大學(xué)三家優(yōu)秀團(tuán)隊共同協(xié)作，2019年初在重啟璧山區(qū)福祿鎮(zhèn)和平村啟動建設(shè)，該基地建成后將開展基礎(chǔ)性實驗和應(yīng)用研究。

如果順利，中國光伏人將有幸在未來幾年內(nèi)見證中國低軌道空間太陽能電站系統(tǒng)的成功發(fā)射、安裝和運行。