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当前能源面临污染、供应不稳定等问题，为解决这些难题，研究人员开展空间太阳能发电（SSP）系统研究。他们提出新系统并进行技术经济分析，结果显示 10 年后该系统 LCOE 可达 9.4￠/kWh ，具有重要经济可行性意义。
在当今时代，能源问题如同高悬的达摩克利斯之剑，时刻影响着人类社会的发展。传统能源如煤炭、石油等，在燃烧过程中释放大量温室气体，对环境造成严重污染，加剧全球气候变化。而太阳能、风能等可再生能源，虽然清洁环保，但存在间歇性强的弊端，无法稳定满足电网的用电需求。例如，阴天时太阳能发电效率大幅下降，无风时风力发电就会陷入停滞，这些不稳定因素给电力供应带来极大挑战。在此背景下，空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念应运而生，它被视为解决能源困境的潜在 “救星”。
为了探索空间太阳能发电的可行性，来自加州理工学院（California Institute of Technology）的研究人员展开了深入研究。他们提出了一种创新的空间太阳能发电系统 ——“加州理工学院空间太阳能发电系统（Caltech Space Solar Power System，CSSPS）”，并对其进行了全面的技术经济分析。研究结果令人振奋，该系统在技术和经济层面都展现出巨大潜力，为未来能源供应提供了新的方向，相关研究成果发表在《Joule》杂志上。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在材料研究方面，通过建立模型来估算太阳能电池屏蔽所需厚度，综合考虑粒子通量、质子传输等多种因素。对于成本分析，采用自下而上的成本模型计算光伏（PV）成本，考虑生产各环节成本，并对无线功率传输（WPT）层成本、发射成本等分别进行建模分析。在系统设计方面，利用变分分析优化系统参数，研究频率和阵列大小对系统的影响。
研究结果
- 提出系统：CSSPS 系统由位于地球静止轨道（GEO）的光伏 - 射频（PV - RF）电站和地面接收站组成。PV - RF 电站分为三个层次，最底层的瓦片（tile）集成了光伏和无线功率传输功能；多个瓦片组成模块（module），模块在地面组装后发射并在轨道上展开；众多模块协同工作形成指向地球的功率束。地面接收站则由整流天线（rectenna）阵列构成，负责收集射频能量并转化为电能接入电网127。
- 系统组件
- 瓦片：瓦片采用特殊三明治结构，上下两层为光伏层，中间是无线功率传输层，外部有光学透明天线。研究人员提出使用磷化铟（InP）作为光吸收体，结合机械剥落和硅式加工技术制造太阳能电池，以满足空间太阳能发电对电池的严格要求。同时，通过 “互功率优化” 方案处理光伏的可变直流输出，提高功率效率345。
- 模块：模块的瓦片由碳纤维复合材料框架固定，通过新颖的结构设计实现高包装效率和大展开尺寸与包装直径比。模块还配备航天器总线作为控制中心，负责通信、控制等功能，并设计了独特的同步机制来确保各元件协同工作68。
- 电站相位同步：系统采用混合分层参考分布方法实现相位同步，通过无线信号和激光传输，将参考信号精确分配到每个射频集成电路（RFIC）。同时，利用多种技术如动态形状重建、近端近场相位传感和闭环反馈等，实现精确的波束转向910。
- 轨道选择：研究模型假设系统在地球静止轨道运行，但也探讨了更低轨道的潜在优势，如降低发射成本、减少聚焦所需面积和降低高能辐射暴露等11。
- 地面站：地面站类似 “射频太阳能农场”，由整流天线阵列组成，通过串并联组合满足当地电压和电流要求。由于系统输出功率存在变化，因此使用电池来补偿黑暗期和功率波动712。
- 系统效率：系统总效率是多个效率的乘积，包括光伏效率（ηPV）、直流 - 射频效率（ηDC?RF）、热效率（ηtherm）等。研究给出了三个投影层级下的效率预期值，这些效率与地面光伏效率不可直接比较，因为地面光伏利用因子较低1314。
- 成本投影：为评估系统可行性，研究人员对系统质量和成本进行建模。根据技术成熟度和时间，分为当前、中期和渐近三个成本层级进行预测。结果显示，中期（10 年）时，10 GHz、1600 m 直径、113 MW 的系统具有经济可行性，平准化能源成本（LCOE）可达 9.4￠/kWh151617。
- 运行频率：运行频率对系统几乎所有方面都有影响。研究量化了部分系统组件效率与频率的关系，通过分析发现，较高频率在系统效率和成本方面具有优势，如 11 GHz 的系统在大规模供电和降低 LCOE 方面表现更优181920。
- 系统尺寸：空间电站直径（Ds）影响功率收集和传输。较大的直径能增加收集和传输的功率，但会增加发射模块数量。同时，直径还影响地面站的聚焦光斑大小和成本，研究通过分析得出了不同频率和直径下系统的输出功率、总成本和 LCOE 的变化关系2122。
- 最优系统：通过设计损失函数平衡 LCOE 和总成本，研究发现两者随频率变化趋势相反。不同的应用需求对应不同的最优系统参数，如大规模供电和降低 LCOE 适合 11 GHz 的大直径系统，而预算有限、低功率需求的场景则适合高于 30 GHz 的系统2320。
研究结论与讨论
研究提出的空间太阳能发电系统为清洁能源供应提供了全面的解决方案。该系统在空间收集太阳能并通过射频传输到地球，具有诸多优势，如 24 小时不间断收集太阳能、不受恶劣天气影响、可灵活决定供电时间和地点等。结合新型低成本发射平台，使得空间太阳能发电在技术和经济上更具可行性。
从经济角度来看，虽然该系统的中期 LCOE 与其他清洁能源解决方案相近，过夜成本略高，但考虑到其更高的容量因子和更灵活的可调度性，在满足高峰需求和紧急情况时，其 LCOE 低于传统的调峰能源（如燃气调峰电站）。此外，在离网可再生能源应用方面，空间太阳能发电也具有显著的成本优势和灵活性优势。
在技术层面，系统采用的薄、柔性和轻质的光伏和无线功率传输阵列，借助动态可部署结构，突破了传统孔径尺寸限制，降低了发射成本。近期相关在轨演示验证了系统关键组件的技术可行性，为成本预测提供了有力支持。
总体而言，这项研究为空间太阳能发电的发展奠定了坚实基础，为解决全球能源问题提供了新的思路和方向，有望在未来能源领域发挥重要作用，推动能源结构向更加清洁、可持续的方向转型。
