空间太阳能发电技术在欧洲电力系统脱碳中的潜力评估：基于高分辨率容量扩展与调度模型的分析

本研究针对欧洲电力系统脱碳过程中可再生能源间歇性和区域限制等挑战，创新性地评估了空间太阳能发电(SBSP)技术作为近恒定能源的应用潜力。通过建立高分辨率欧洲容量扩展与调度模型，研究人员对比分析了低技术成熟度(TRL)的定日镜设计(RD1)与较高TRL的平面设计(RD2)两种SBSP方案。结果表明，RD1设计可降低总系统成本7%-15%，替代80%风光发电并减少70%以上电池使用，而RD2设计在当前成本下尚不具备经济性。研究为大规模低间歇性可再生能源发展提供了新的技术经济基准。

　　

随着全球145个国家承诺实现净零排放目标，电力系统脱碳面临严峻挑战。尽管风能和太阳能等可再生能源快速发展，但其固有的间歇性和天气依赖性严重制约了电力供应的稳定性。欧洲作为能源转型的先行区域，复杂的跨国电网和显著的季节性供需失衡（如冬季依赖天然气发电）进一步加剧了系统平衡难度。在此背景下，空间太阳能发电(Space-Based Solar Power, SBSP)技术因其近乎恒定的发电特性重新引起关注。该技术通过地球静止轨道(GEO)卫星收集太阳能并无线传输至地面，可规避大气层干扰和昼夜循环限制，理论上实现99.7%的年发电可用率。然而，这项诞生于1968年的概念技术，长期以来受制于高昂的发射成本和轨道组装难题，其实际应用价值始终存在争议。

为系统评估SBSP在现代电力系统中的整合潜力，来自伦敦国王学院的Xinyang Che、Lijun Liu和Wei He研究团队在《Joule》发表了创新性研究成果。研究采用PyPSA-Eur高分辨率容量扩展模型，首次将两种典型SBSP设计——基于定日镜群的创新方案(RD1)和成熟平面阵列方案(RD2)——纳入欧洲2050年电力系统情景分析。通过对比NASA预测的技术参数和成本数据，研究揭示了SBSP在不同发展阶段对系统经济性和可靠性的影响机制。

研究团队首先建立了精确的SBSP发电特性模型，通过轨道几何学、日食周期和设计特异性参数（如RD1的反射镜调节机制与RD2的固定面板结构），模拟出每小时发电曲线。成本分析采用NASA的五阶段概念框架，涵盖研发、组装、运行、维护和处置全生命周期。随后将SBSP作为可扩展发电单元整合入欧洲33国电力网络模型，设置3小时优化步长，在碳约束条件下最小化系统总成本。验证环节通过对比2020年实际发电数据，确认模型对各类电源容量和输出的再现精度在85%以上。

研究结果部分首先呈现了两种SBSP设计与传统可再生能源的互动关系。在NASA 2050年成本预测下，RD1设计展现出显著优势：在中等市场机会情景中，其装机容量达300-350GW，可削减70%-87%的太阳能和29%-81%的风电发电量。相比之下，RD2设计因60%的较低可用率和较高成本，在所有情景中均未被系统优化选中。周均功率输出分析显示，RD1近乎基荷的特性大幅缓解了短期波动，使电池使用量减少78%，但冬季仍需依赖氢能存储应对季节性缺口。

敏感性分析揭示了SBSP成本竞争力的关键阈值。当年固定成本降至太阳能9-14倍时，RD1开始发挥互补作用；当降至3倍时，可贡献99%的总发电量。值得注意的是，在过渡阶段（成本为太阳能11-14倍时），氢储能需求激增178%，表明SBSP虽能缓解短期波动，但深度脱碳仍需长时储能配合。系统成本方面，RD1在最佳情景下可降低总成本52%，同时减少31%-70%的跨区域直流输电需求。

讨论部分深入剖析了技术路线选择策略。虽然RD1在系统效益上表现突出，但其低TRL状态（需突破自主轨道组装等关键技术）制约了近期应用；而较高TRL的RD2设计更适合作为技术验证平台。研究强调，商业航天产业（如SpaceX可重复使用火箭）的快速发展为降低SBSP发射成本创造了有利条件。但同时也指出模型局限性，包括未考虑轨道拥堵、电磁安全等现实约束，以及气候数据未更新至2050年等问题。

这项研究为净零转型提供了重要启示：近恒定SBSP可有效弥补风光发电的间歇性缺陷，但需要与氢能等长时储能技术协同发展。从政策角度看，欧洲既有的跨国合作机制（如ESA）为SBSP基础设施建设提供了制度优势。未来研究应拓展至全球部署评估、混合设计优化以及空间-地面协同调度等方向。该成果不仅为SBSP研发提供了明确的技术经济路标，也为政策制定者设计低间歇性高比例可再生能源系统提供了科学依据。