美国成功实现了将光伏发电进行微波传送的端对端演示

空间光伏一直是科学家的梦想，因为太空中，鲜红的太阳永不落！

如果说实现空间光伏发电应用目前最大的市场障碍是将如何低成本地将光伏系统发射到太空，那么该应用最大的技术障碍就是如何把太空中光伏发的电传送回地球。

近日，美国空军研究实验室和诺斯罗普格鲁曼公司的太空太阳能增量演示和研究（SSPIDR）项目首次成功实现了将光伏发电进行微波传送的端对端演示。

1． 空间光伏传输原理

与地面光伏电站所发的电进行电力传输的原理不同，你不可能在太空和地面之间架起直流或交流的电力网络为空间光伏发电进行电力传输。

科学家的想法是，将空间光伏发电先转化成无线电波，对着地球进行发射，同时在地面上建设一座无限电波接收站，再将接收到的无线电波射频信号转化为电力，接入电网进行传输。

图1：空间光伏原理和太空太阳能增量和示范研究 （SSPIDR）

为了实现这一过程，科学家需要在太空中搭建一个能将光伏发电转化成射频电波的装置，再将该装置对准地球发射电波，还要有一个射频接收装置，并且该装置能够将射频转化成电流。

而实现光电到射频的转换，并实现射频电波的高效传输，这是该项目成功的关键。据了解，如果高效射频传输成为可能，那么利用充电桩充电将无需有线传输，汽车在高速公路上边开边充电也将成为现实。

2． AFRL的射频传输试验

2018 年美国空军研究实验室（AFRL）与Northrop Grumman 签订了一份价值超过 1 亿美元的合同，用于开发有效载荷，以展示原型空间太阳能系统的关键组件，这是为太空中的大型太阳能收集系统铺平道路所需的基本步骤。

AFRL的设想是制造传统的光伏电池板与支持从光伏到射频转换并发射波束的装置，并将二者结合称夹心瓦，第一层是一块高效光伏 （PV） 电池板，用于光伏发电并为第二层提供电力，第二层填充了支持太阳能到射频转换和波束成形的组件。

图2：AFRL的“光伏射频天线模块”

该光伏设备被称为“光伏射频天线模块”，是一块12英寸的正方形“瓷砖”面板，能够将阳光转换为射频微波。设备中使用的太阳能电池制造了一个额外的层，以捕获空间光谱中的蓝光。

地面演示试验中，科学家使用太阳能模拟器照亮面板的光伏侧并开始太阳能到射频的转换过程。由于太阳能模拟器强度很大，研究人员能够在工业级柔性塑料屏障后面查看监视器上的实时 RF 输出数据，并可以看到表明功率转换和 RF 辐射功率成功的 RF 能量峰值。

除了实现从太阳能到射频的转换，科学家还需要测试该射频天线的能量转换过程以及由此产生的热性能，从而分析转换效率，帮助研究人员理解在实际空间条件下测试硬件。AFRL本次试验成功地测试了单块“瓷砖”，为此后搭建一平方米的原型面板提供了一个构建块，目前这是全球任何其他太阳能到射频实验尚未达到的阈值，预计将于 2025 年推出。

3． 中国的太空光伏电站研究

据报道，中国太空光伏电站将按照四步走设想向前推进，第一阶段2011 － 2020年进行太空电站的验证与设计，第二阶段2021年 － 2025年将建成第一个低轨道空间电站系统，第三阶段2026 – 2040年的将发射太空电站系统并完成组装，第四阶段2036 － 2050年将正式实现电站商业运营，设计寿命30年。

我国首个空间太阳能电站实验基地，由重庆大学、中国航天科技集团和西安电子科技大学三家优秀团队共同协作，2019年初在重启璧山区福禄镇和平村启动建设，该基地建成后将开展基础性实验和应用研究。

如果顺利，中国光伏人将有幸在未来几年内见证中国低轨道空间太阳能电站系统的成功发射、安装和运行。