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  • 太空太阳能发电技术的星辰征途

    来源：中国科学技术馆
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    　　在浩渺无垠的宇宙中，太阳无疑是最为明亮夺目的一个天体，它宛如生命的初始火种，源源不断地向外辐射光和热。而人类在千百年的发展中，凭借着智慧与勇气，终于踏上太空太阳能发电技术的征途，试图将这份宇宙馈赠更高效地利用起来，为地球家园注入源源不断的动力。
    　　空间太阳能电站概念图
    　　太阳“送电”，光子与电子的奇妙共舞
    　　太阳能发电的原理根植于微观世界中光子与电子的微妙互动。太阳光是由无数光子组成的，这些光子具有不同的能量，对应着不同的波长。太阳能电池的核心材料是半导体（常见如硅晶体），它就像是一个“能量楼梯”，有两层重要的台阶：价带和导带。电子们平时都待在价带，能量比较低，状态也比较稳定。如果电子能跳到导带，就会变得非常活跃，可以自由移动。二者之间还有一个禁带，电子不能随便待在这里，必须一口气从价带跳到导带。
    　　当光子照射到半导体上时，它会把自己的能量传给电子。如果光子的能量足够大，电子就能从价带跳到导带，变成活跃的电子。当大量电子被光子“推”到导带后，它们就会开始自由移动，形成电流。这时，太阳能电池就能把这些电流收集起来，变成我们可以使用的电能。
    　　这就是太阳能发电最基本的光电效应原理，就像一条无形的能量生产线，将太阳的光能转化为电能，输送到千家万户。
    　　太空，太阳能发电的“梦幻舞台”
    　　相较于地球表面，太空为太阳能发电提供了得天独厚的环境优势，仿佛是一个为其量身定制的梦幻舞台。
    　　首先，地球大气层对阳光的削弱作用不容小觑。大气层中的气体分子（如氮气、氧气等）、水汽、尘埃等会对阳光产生散射与吸收。而在太空，没有了这层厚厚的“滤镜”，阳光得以毫无保留地倾泻而下，光子们活力满满，能让太阳能电池板尽情接收能量，发电效率大幅提升。据估算，在太空中相同面积的太阳能电池板接收的光能，相比地球表面某些地区可高出2-3倍之多。
    地球大气层极大的削弱了阳光
    　　其次，在太空有着近乎无尽的光照时间。地球上昼夜交替，夜晚太阳能发电装置只能“偃旗息鼓”，进入休眠期。以地球同步轨道为例，卫星式的太阳能电站运行在此轨道上，其周期与地球自转周期相同，相对地球位置基本固定，大约99%的时间都沐浴在阳光之下，几乎不存在光照中断的困扰，真正实现了发电“不打烊”。而且，太空环境的稳定光照为持续、稳定的能源供应提供了可能，这对于一些对能源稳定性要求极高的领域（如数据中心、航天设施供电等）意义非凡。
    　　此外，太空的太阳辐射角度稳定得令人惊叹。在地球不同纬度，太阳高度角随着季节和时间变化无常，单位面积接收的太阳光能量并不稳定。而在太空，只要位置设计合理，太阳能电池板就能始终以最佳姿态迎接阳光的拥抱，稳定高效地将光子转化为电能。比如在地球静止轨道上的太空电站，通过精准的轨道设计与姿态控制，可让电池板保持与太阳光线近乎垂直的角度，持续最大化光能捕获。
    　　征途坎坷，空间太阳能电站面临的技术挑战
    　　空间太阳能电站的建设并非一帆风顺，还要面临诸多棘手的技术挑战。
    　　其一，发射成本高昂得如同天文数字。要将庞大且沉重的太阳能电站组件送上太空，需要耗费巨额资金用于研发强力火箭、优化发射流程等。整体的前期投入资金数额巨大，令人望而却步。此外，火箭发射还受天气、轨道窗口等诸多因素限制，进一步增加了发射难度与成本。
    　　其二，太空环境极为恶劣。强烈的宇宙辐射（高能质子、重离子等）时刻威胁着太阳能电站设备的电子元件。科研人员通过研发新型的抗辐射材料（如碳化硅等）、设计多层防护结构来应对这些威胁，但技术仍有待进一步完善。
    　　其三，能量传输难题亟待攻克。如何将太空中转化生成的电能高效、安全地传输回地面是关键。无论是微波传输还是激光传输，都面临着能量损耗、精准定向、对地面影响等一系列问题。目前微波传输效率一般在50%-60%左右，距离理想状态尚有差距。激光传输虽然波束方向性好、能量密度高，但易受大气湍流影响，导致光束抖动、能量分散，而且高强度激光对地面生物、电子设备是否存在潜在危害也需深入研究。
    　　一步一脚印，从宏伟蓝图到技术探索

    太空发电想象图
    　　近年来，中国在太空太阳能电站领域取得了一系列令人瞩目的进展。在概念和规划层面，中国提出了宏伟的“太空三峡”计划，设想在距离地球表面3.6万公里的地球同步轨道上，建造一个规模庞大的空间太阳能电站，其产生的能量相当于全人类可开采石油总储量，计划通过它将太阳能转化为电能，再以微波或激光的形式传输回地球，接入电网供人类使用。
    　　2023年，中国首个空间太阳能电站实验基地在重庆璧山正式启动建设，重点聚焦空间太阳能发电站、无线微波传能以及空间信息网等关键技术的前期演示模拟与验证工作。科研团队通过高度50-300米的浮空平台开展微波传能实验，已经成功测试了从离地面300米高的气球发射无线电能并被地面接收的系统。并且，相关研究还将使用太空制造技术，包含太空组装技术和太空3D打印技术，利用这些技术能使材料极度轻量化，便于通过火箭送往太空，以满足太空太阳能电站建设的需求。
    　　尽管中国在太空太阳能电站建设领域还未取得最终成果，但随着技术的不断突破和项目的持续推进，在未来有望实现太空太阳能电站从设想变为现实，为解决全球能源问题贡献中国力量。
    　　部分信息来源于：中国能源报、新华网、科技日报、工人日报、
    　　北京日报等
    　　（科学性审核：李良，中国空间学会科普与教育委员会委员）