光伏前景展望

tybl2013

序言：数年前还是暴利的光伏企业，目前处已于寒冬期，各企业经历惨烈的洗牌；然而展望未来，太阳能发电必将是一条光明大道，一则是强大的半导体工业支撑，一则各国的能源与环境的危机。在此，展望暂时没有实用化的太空光伏发电（预计在2030年后实现商业化），以期科普兼自勉。

空间太阳能电池

太空光伏发电的基本原理与过程：空间太阳能---直流电---微波功率发生器---聚焦发射口径---自由空间聚焦波束---接收整流天线---直流输出
该过程的备注：目前有很多电子器件可以完成将直流电转换为微波这一功能，价格便宜的商用磁控管外加无源电路作为锁相，再加上高增益放大器即可直接用于相阵控的微波辐射单元；目前能实现微波传输功率最佳分布的是卡塞格仑天线（在理论上可以实现任意的口径分布）；接收整流天线的作用是将高频微波能量接收并转换成直流电，目前对于2.45GHz的功率转换效率已经超过85%。

1、微波几乎不被大气吸收：2001年5月召开的无线能量传输（Wireless Power Transmission）国际会议上将工作频率在2.45GHz的磁控管定义为微波输能的标准设备。
2、经济效益与前景展望：设太空光伏发电站的电池板总面积为6×2.6km2,太阳辐照度为4600W/m2，光伏电池阵列的发电效率为12.3%（该效率已经很保守，非晶硅电池都快达到该效率），则其功率可达8.9GW（109W）。考虑到光伏输出直流功率的转换和分配效率为88%，微波振荡器的效率为87%，发射天线接口的效率为96%，宇宙空间传输的效率为99%，波束定向的效率为95%，微波接收变换的效率为87%，电力转换的效率为94%，最终系统能利用太阳能的总效率则接近7.0%，最后的发电功率可达5GW，这相当于一座中型核电站的发电功率。
PS: 光伏电池阵列的发电效率为12.3%（该效率已经很保守，非晶硅电池都快达到该效率，单晶和多晶硅电池的效率已经达到20~30%。此外，目前实验室已经研制出效率超过40%的砷化镓多结光伏电池，该电池抗辐照强，抗衰退能力好。）
3、主要投资：光伏组件、微波传输系统（空间和地面部分）、空间材料运输（运载火箭和航天飞机）、空间安装（宇航员或及其人作业）、电站维护及其他附属设备的费用。
4、面临的挑战：太空垃圾对空间发电站的袭击；据估算，投送各种原料（光伏组件、空间支架、微波传输系统、用于姿态保持的燃料，不含卫星的质量）的代价是≥5kg/kw。这样，溅射5GW的电站，要运送超过25000t的设备到太空，由目前50t超级火箭运送，至少需要发射500次，二每次发射火箭至少要过亿美元。可见太空发电的可行性要解决现有太空运力低下且昂贵的问题，展望未来，可以用新的运输技术如电子推进器、磁悬浮火箭、可重复使用的运载火箭等。
5、不用担心被大气层过滤或者反射的光能通过该技术重新利用起来会造成生态失衡，因为目前人类所需的能源大都通过化石燃料的燃烧来获取，除了温室效应以外并无严重问题产生。而温室效应的罪魁祸首是化石燃料释放能量过程中产生了大量的二氧化碳。地面光伏发电不可能克服大气层带来的光能损耗（至于占用土地、昼夜交替、阴雨天气可以巧妙地得到解决），如果采用该技术不经满足了能源需求又减少了碳排放，前景光明。
6、中国科学院院士余梦伦给出的空间太阳能发电与地面太阳能发电的效率比是3.5:1

参考资料：
1、太阳能光伏发电技术技术与系统集成，王东，化学工业出版社，2011年8月
2、http://news.ifeng.com/mil/4/detail_2013_02/27/22546495_0.shtml