太空太阳能系统 无论日夜都能发电 未来有机会实现无限能源？｜星岛教室
发布时间：18:18 2025-05-15 HKT
在地球同步轨道上，一座庞大的太空电站静静悬浮于漆黑的太空中，铺展如巨型花瓣的太阳能板无声地吸收着太阳辐射。无论白昼或黑夜，无论风暴或晴空，电能都精准地投射到地球上，默默为地球无间断提供清洁能源——这并非科幻电影的场景，而是人类正在努力实现的未来。
太空太阳能发电系统（Space Based Solar Power, SBSP）
太空太阳能电站的构思最早是由美国科学家格拉泽于1968年提出，以提升太阳能的利用率，其他国家随后亦开展相关研究。
中国太空太阳能电站的研究始于「十一五」（第十一个五年规划，即2006至2010年），虽然起步较晚，但在系统设计和关键技术方面已取得成果，相关的「逐日工程」在2018年启动，并计划于2030年发射首座太空太阳能试验电站，2040年建设兆瓦级（MW）、2050年实现千兆瓦级（GW）太空太阳能电站，引领人类进入「来自太空的无限能源时代」。
人类第一次「天地供电」发生于2023年，美国加州理工学院团队把一个小型测试模组送进低地球轨道，他们利用自家设计的天线阵列，把能量传送到30公分外的接收天线，点亮了一颗LED灯外，更成功把光伏电力转化成微波，发射到地球的大学实验室顶的接收器。
英国新创太空太阳能和冰岛能源公司在2024年10月签署合作协议，冰岛可望于2030年成为全球第一个接受太空太阳能电力的国家。
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太空太阳能电站建造工程
在太空建造太阳能电站的核心目标是最大限度地利用太阳辐射能量。地球同步轨道（约高度36000公里）是建造电站的理想位置，因为能够保持与地球同步旋转，始终面向地球的固定区域，几乎不受地球阴影影响，可以全天候24小时收集太阳能。太阳能面板须采用超轻量化、高效率的光伏技术，以减少发射成本。同时，太阳能板必须能根据太阳的位置进行自动调节，保持最佳的能量吸收效率。
专家表示，如果在地球同步轨道上部署一条宽度1000米的太阳能发电板，一年接收的太阳辐射能量，已大约等于目前地球石油储量的能量总和。
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如何把太阳能传回地球？
目前将太阳能转换为可传输的能量，最常见的方案是将太阳能转化为电能后，利用微波或激光的形式进行无线传输。「微波传输」是一种成熟的方案，因为它可以穿透地球大气层且损耗较低。电站将光能转换为直流电，再通过高效的变频技术，将电能转变为频率在2.45 GHz或5.8 GHz的微波信号，实现远距离传输。
「激光传输」是另一种选择，主要优势在于激光束的能量密度高，能对准较小的接收区域，适合用于固定地点的能量传输，然而激光传输容易受到云层和大气扰动的影响，需要结合精准的瞄准与调控技术。
无论是微波还是激光传输，都须确保传输过程中的能量损耗降至最低，并避免对地面生态或飞机航道造成影响。
「整流天线阵列」与能量转换
要有效接收从太空传回的能量，地面须建设专门的接收站，称为「整流天线阵列」（Rectifying Antenna）。这些阵列由大量小型天线单元组成，高效地接收能量，并将其转换为直流电，再输送到地面电网中。
地面接收站通常选址在开阔、无遮挡的区域，例如沙漠或海面上，这样不仅能减少对人口密集地区的影响，还可充分利用未开发土地。接收站须配备智能控制系统，根据实时数据调整接收角度去提高效率。
开发太空太阳能6大优势
太阳能从太空传回地球的过程确实复杂且费用高昂，但仍然有许多科学家致力研究和推动这项技术，因为它具有其他能源形式无法比拟的优势和潜力。
- 解决全球能源危机︰随着人口增长和经济发展，全球能源需求持续增加。根据国际能源机构（IEA）的数据，到2050年全球能源需求预计将增长约50%，而现有的化石燃料储量无法长期支撑。若建设足够的太空太阳能电站，将可满足全球能源需求。
- 提供稳定持续能源︰地面太阳能系统的发电效率受制于多种因素，例如昼夜变化、天气条件、大气层吸收等。即使在光照条件良好的地区，地面太阳能板的平均利用率也只有约10至25%。 相比之下，太空太阳能电站可全天候持续接收太阳辐射，稳定地支援全球能源网络。
- 减少碳排放︰全球面临气候变化危机，国际社会提出了在2050年实现碳中和的目标。太空太阳能发电是一种洁净且零排放的能源形式，从收集到使用的过程中都不会产生二氧化碳。
- 解决偏远地区能源短缺问题︰全球仍有许多地区无法获得稳定的电力供应，例如沙漠、深山和发展中国家的偏远村落。这些地区的能源基础设施建设困难，传统的电网无法有效覆盖。太空太阳能具有灵活性，可将能量直接传输到指定地点，毋须依赖地面电网，为偏远地区提供稳定能源，发展经济，改善生活。
- 支援太空探索︰太空太阳能技术可以直接向月球、火星或其他星球提供能源，是人类进一步探索和开发太空领域的关键技术。
- 长期经济效益︰虽然建设太空太阳能电站初期投资巨大，但从长远来看，它比传统能源形式更具经济效益。太空太阳能电站几乎毋须燃料成本，加上随着发射成本降低，例如可重复使用火箭技术的普及，成本更有望进一步下降。科学家预测到本世纪中叶，发电成本或可降至每千瓦0.10至0.15美元，比地面太阳能和风能的成本更低。
不久将来，当你仰望星空，或许那闪烁的光点不再只是卫星，而是一座正在为地球输送能源的太空太阳能电站，人类将真正迎来「来自太空的无限能源时代」。
小思考、大智慧
- 太空太阳能若以微波信号传送回地球，会加剧当地暖化的现象吗？
- 除了建造太空太阳能电站需要高昂成本外，你还想到有甚么缺点吗？
参考答案
- 太空太阳能所产生的热能是微不足道的，英国天文学家计算出频率在2.45 GHz或5.8 GHz的微波信号只会令当地气温上升0.0006°C，比较现时地面用太阳能光伏板所造成的热能远低得多，亦不会像燃烧化石燃料排放大量温室气体加剧全球暖化，因此是绿色能源的新选择。
- （自由作答）太空太阳能电站都需要定期维护及维修，当中的花费十分昂贵。另外，亦要接受太空环境的挑战，例如太空陨石及太空垃圾的冲击、高强度的太阳辐射及太阳能板老化问题，但随着技术的进步，深信所有缺点将会陆续减少。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：中华基督教会协和小学（长沙湾）副校长郑俊杰、中华基督教会协和小学（长沙湾）老师王溢濠
