研究称，对太阳能卫星的限制更多源于地面而非太空

近年来，太空太阳能越来越受到关注。加州理工学院太空太阳能项目最近取得成功，证明了从太空向地面传输电力的可行性，与此同时，全球多个试点项目也在开展，它们都希望利用地球静止轨道（GEO）上几乎无限且持续的太阳能。

但是，一组意大利和德国研究人员在《宇航学报》上发表的一篇新论文指出，将这些电力传输到地球存在诸多限制，而且其中大多数限制更多是后勤方面的，而非技术方面。

这篇论文的目标是尝试计算地球静止轨道上的太空太阳能（SBSP）卫星星座可能输送的最大功率。为了进行这一计算，作者将其分解为两个简单步骤：轨道上可以有多少颗卫星，以及每颗卫星能有效地向全球电网输送多少电力。

为了计算轨道上可以存在多少颗卫星，作者再次将这个问题分解为四种不同的“场景”，每个场景的限制条件更严格。所有场景中唯一一致的限制是最小距离角（MDA），这是为确保卫星之间不会发生碰撞或无线电干扰而计算出的卫星之间的最小角间距。诚然，他们选取的MDA数值（0.1°）已经是一个相对保守的估计，每颗卫星的“孔径范围”为147千米，是卫星自身大小的10倍多。

在第一个场景中，他们简单地计算了假设没有其他限制时能在轨道上容纳多少颗卫星——鉴于0.1°的角度和圆周360°，这个数字很容易计算出来——在第一个场景中，地球静止轨道上可以运行3600颗太空太阳能卫星。第二个场景从直观上很容易理解，即在地球静止轨道上已有的卫星周围安置太空太阳能卫星，并给予它们与MDA间隙相同的空间。这使得潜在卫星数量降至2509颗。

在第三个场景中，地球表面因素开始起作用。为了接收太空太阳能卫星的电力，必须有一个接收天线来收集卫星发送的微波，这个天线通常被称为整流天线。作者指出，至少目前来说，整流天线必须建在陆地上，而不是海洋上，并且这片陆地必须位于赤道30度以内，因为地球静止轨道上的卫星位于该区域上方。另一个限制是，在远离赤道的高纬度地区，波束尺寸必然更大，因此在这些地方需要更大的陆地面积来建造整流天线。考虑到这个限制，太空太阳能卫星的总数限制为1771个站点。

作为第四个场景的最后一个限制，他们将整流天线的安置区域限制在人类发展使人口密度达到每平方公里3000人的地区。作者认为，这可以很好地代表具备捕获和传输卫星发射电力所需的电力基础设施。加上这个额外限制后，潜在卫星数量骤降至364颗——比最初的场景减少了89.9%。

即便存在所有这些限制，卫星仍然可以输出大量电力。计算它们的总发电量与计算地球上的同类太阳能电池的发电量方法相同，需要考虑面积、太阳能电池的效率、入射角以及它们所受的辐照量，在地球静止轨道上辐照量相对稳定。作者假设太阳能电池板面积为10平方千米，效率为20%，鉴于当前技术，这两个假设都是合理的。然而，与他们估计的在转换和传输过程中所有损耗后输送到电网的电量（每个站点1GW）相比，他们大幅降低了从卫星能够收集到的电量（每个站点272GW）的计算值。

即便有如此大幅的降低，即使在限制最严格的最坏情况下，这些卫星提供的电量也足以满足全球总用电量的3%。当然，这不是一个巨大的数量，但足以在能源市场上产生重大影响。

公平地说，论文中的所有假设都极为保守。需要声明的是，我是太空太阳能的忠实粉丝，所以我可能有偏见，但假设从太空中收集的电力到输送到电网的转换率为0.3%，这是一个巨大的跳跃，而且对于如此大的转换损耗并没有太多合理依据。此外，其他假设，比如轨道间隙路径为卫星大小的10倍，以及假设整流天线不能建在水上甚至是有适当基础设施的农田里，都使得太空太阳能的情况显得更糟糕。

但是，即便有所有这些假设和限制，这项技术有朝一日甚至能满足全球3%的电力需求，这一事实令人印象深刻。难怪这么多公司和国家都在更深入地研究它，而且作者试图量化太空太阳能最终可能给人类带来的好处，这个想法无疑是正确的。