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空間光伏一直是科學(xué)家的夢(mèng)想，因?yàn)樘罩?，鮮紅的太陽永不落！

如果說實(shí)現(xiàn)空間光伏發(fā)電應(yīng)用目前最大的市場(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)目首次成功實(shí)現(xiàn)了將光伏發(fā)電進(jìn)行微波傳送的端對(duì)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聿煌?，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(duì)著地球進(jìn)行發(fā)射，同時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)化為電力，接入電網(wǎng)進(jìn)行傳輸。


為了實(shí)現(xiàn)這一過程，科學(xué)家需要在太空中搭建一個(gè)能將光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化成射頻電波的裝置，再將該裝置對(duì)準(zhǔn)地球發(fā)射電波，還要有一個(gè)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(shí)現(xiàn)光電到射頻的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)射頻電波的高效傳輸，這是該項(xiàng)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(shí)。

2. AFRL的射頻傳輸試驗(yàn)

2018 年美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與Northrop Grumman 簽訂了一份價(jià)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。


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(gè)額外的層，以捕獲空間光譜中的藍(lán)光。

地面演示試驗(yàn)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(jí)柔性塑料屏障后面查看監(jiān)視器上的實(shí)時(shí) 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(shí)現(xiàn)從太陽能到射頻的轉(zhuǎn)換，科學(xué)家還需要測(cè)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(shí)際空間條件下測(cè)試硬件。AFRL本次試驗(yàn)成功地測(cè)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(gè)構(gòu)建塊，目前這是全球任何其他太陽能到射頻實(shí)驗(yàn)尚未達(dá)到的閾值，預(yù)計(jì)將于 2025 年推出。

3. 中國的太空光伏電站研究

據(jù)報(bào)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(yàn)證與設(shè)計(jì)，第二階段2021年 - 2025年將建成第一個(gè)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(shí)現(xiàn)電站商業(yè)運(yùn)營，設(shè)計(jì)壽命30年。

我國首個(gè)空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)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(duì)共同協(xié)作，2019年初在重啟璧山區(qū)福祿鎮(zhèn)和平村啟動(dòng)建設(shè)，該基地建成后將開展基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)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(yùn)行。 

原標(biāo)題：美國顯現(xiàn)從光伏到射頻的歷史性突破