太空光伏是“算力上天”or“電站上天”？

一、太空光伏應(yīng)用

（一）太空光伏理論

1.概念釋義

太空光伏一詞，是因馬斯克的“在軌數(shù)據(jù)中心”言論引發(fā)光伏行業(yè)股市巨震，媒體廣泛傳播特定語境下的的表述，導(dǎo)致概念邊界模糊。馬斯克發(fā)言的英文為“Solar-powered AI satellites”（直譯為“太陽能人工智能衛(wèi)星”），并不是“Space Photovoltaics”（太空光伏），更不是“Space Solar power station”(空間太陽能電站）。

資訊熱傳的“太空光伏”概念有別于科學(xué)領(lǐng)域的空間太陽能電站的概念?？臻g太陽能電站概念在1969年誕生，現(xiàn)在是個泛指概念，包括了太陽能發(fā)電衛(wèi)星（Solar power satellite,簡稱SPS），空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)（Space solar power system,簡稱SSPS），天基太陽能發(fā)電站（Space based solar power,簡稱SBSP），其核心理念是將太空中的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能傳輸回地球使用，對太空中太陽能利用的研究和應(yīng)用，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)開展了50多年。

馬斯克的“在軌數(shù)據(jù)中心”、“太陽能人工智能衛(wèi)星”相關(guān)概念，其核心理念是將太空中的太陽能轉(zhuǎn)為電能，電能不再傳輸回地球，而是直接供給衛(wèi)星搭載的“超級計算機”使用，衛(wèi)星將計算后的數(shù)據(jù)信號傳輸回地球，且衛(wèi)星與衛(wèi)星之間可進行數(shù)據(jù)信號鏈接。

所以，太陽能人工智能衛(wèi)星≠太空光伏≠太空太陽能電站，三者不應(yīng)混為一談。

太空光伏如果是指太陽能電池在太空環(huán)境的應(yīng)用，那么1958年太陽能電池開始太空開始應(yīng)用；如果是指太陽能電池產(chǎn)生電能的接受對象是衛(wèi)星、空間站，那么應(yīng)該是航天器電源系統(tǒng)，也是從1958年開始應(yīng)用，可以簡易理解為“戶用光伏”，是衛(wèi)星這一戶“家庭”的自備離網(wǎng)電站；如果是指太陽能電池產(chǎn)生電能的接受對象是地球，那么應(yīng)該是空間太陽能電站，可以簡易理解為“大型集中式光伏”，從1969年概念提出一直處于研究階段。

2.差別淺析

為了更好理解光伏技術(shù)、太陽能電池、AI算力衛(wèi)星、太陽能AI算力衛(wèi)星、空間太陽能電站這些技術(shù)概念和應(yīng)用的關(guān)聯(lián)與區(qū)別，以下從時間軸、技術(shù)邏輯、應(yīng)用意義方面分別進行簡單梳理。

從時間的先后來說，1876年發(fā)現(xiàn)光電現(xiàn)象→1883年首個硒太陽能池制成→1905年愛因斯坦提出光電理論→1954年首塊硅太陽能電池制成（現(xiàn)代光伏技術(shù)開啟）→1958年世界第二顆衛(wèi)星裝配了硅太陽能電池上太空→1969年空間太陽能電站概念提出→2023年首顆AI算力試驗衛(wèi)星發(fā)射（中國）→2025年5月首顆AI算力衛(wèi)星發(fā)射（中國），開啟“天數(shù)天算”時代→2025年11月美國首顆AI算力衛(wèi)星發(fā)射→2026年1月馬斯克達沃斯論壇發(fā)言引爆“太空光伏”話題。

圖1 從光伏效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至太空光伏熱議時間軸

從技術(shù)邏輯來說，（1）光伏技術(shù)，是基于光電效應(yīng)理論將太陽能轉(zhuǎn)為電能利用；（2）太陽能電池，是實現(xiàn)從光到電轉(zhuǎn)化過程的實物載體，是光伏技術(shù)應(yīng)用的具體表現(xiàn)；（4）AI算力衛(wèi)星，是搭載AI推理芯片（可以簡化理解為計算機）的衛(wèi)星，使衛(wèi)星具備數(shù)據(jù)處理、推理分析能力，是在傳統(tǒng)衛(wèi)星搭載相機、雷達和光譜儀等工具進行單純的觀測、數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上的功能提升；（5）太陽能AI算力衛(wèi)星，是通過太陽能電池將光轉(zhuǎn)化為電供給衛(wèi)星的電子設(shè)備使用，需要說明的是從世界第二顆衛(wèi)星開始，一直是采用太陽能電池給衛(wèi)星的電子設(shè)備供電，只是AI算力衛(wèi)星增加了數(shù)據(jù)處理分析能力，對電量的需求增加了；（6）空間太陽能電站，是在太空建設(shè)一個光轉(zhuǎn)化為電、電再轉(zhuǎn)化為微波或激光、再將微波或激光發(fā)射至地球的系統(tǒng)，在地面建設(shè)一個接收微波或激光、微波或激光轉(zhuǎn)化為電進行傳輸利用的系統(tǒng)，形成空+地的電站。

圖2 常規(guī)衛(wèi)星、算力衛(wèi)星、空間太陽能電站技術(shù)邏輯圖

從應(yīng)用意義來說，太陽能AI算力衛(wèi)星、太空數(shù)據(jù)中心等概念，核心目的是“算力上天”，并不是“電站上天”；而“算力上天”的應(yīng)用意義很難簡單概括，是需要多維看待和分析的話題，但很多報道和言論提到的解決AI算力的電耗和散熱問題絕對不是它的最終目的，其最終意義應(yīng)聚焦在AI算力本身，是讓AI推理更快、更自主，通過數(shù)據(jù)信號使智能載體對物理世界的響應(yīng)更及時、更精準，可以簡化理解為讓自動駕駛汽車在3公里外就獲知前面道路塌方自動切換路線，而不是到斷路前才發(fā)現(xiàn)并停車，需要強調(diào)的是“算力上天”中國是走在前列的，中國的AI算力衛(wèi)星是最早發(fā)射入太空運行的，“天數(shù)天算”時代是由中國開啟的?？臻g太陽能電站概念，核心目的是讓“電站上天、電力下天”，最終意義是實現(xiàn)綠色的、連續(xù)的、不枯竭的電能供應(yīng)，它與可控核聚變目前被視為地球的終極能源。算力上天是智能的“天基化”（以太空空間為基地），電站上天是能源的“天基化”，二者并行不悖，但邏輯起點截然不同。

圖3 算力衛(wèi)星（算力上天）、空間太陽能電站（電站上天）

（二）太空光伏應(yīng)用現(xiàn)狀與問題

前文已對太空光伏的釋義進行了闡述，按照接收電對象來區(qū)分，分為給衛(wèi)星、空間站供電的航天器供電系統(tǒng)，類比“戶用光伏”；將電能傳輸回地球的空間太陽能電站，類比“大型集中式光伏”。后文為了避免概念混淆，且貼合馬斯克言論引發(fā)太空光伏熱議的背景，暫且將兩個太陽能電池的應(yīng)用場景指代：（1）AI算力衛(wèi)星、（2）空間太陽能電站來進行論述。

1.AI算力衛(wèi)星

衛(wèi)星在太空軌道運行需要兩種能量形式：一是電能，主要用來給衛(wèi)星搭載的電子設(shè)備供電，使得相機、光譜儀器、通信設(shè)備等能正常工作；二是推進能量，主要通過化學(xué)推進劑驅(qū)動推力器，用來做姿態(tài)調(diào)整、軌道控制、脫軌操作等，值得強調(diào)的是，電力推進器已經(jīng)開始在太空應(yīng)用（可以簡化理解為“燃油車”向“電車”發(fā)展）。從能量角度說，通常而言，任何一種形式能量耗盡了，航天器的壽命也就終結(jié)了。

AI算力衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的制約因素是個龐大的綜合型課題，如果聚焦在電能供應(yīng)上來說，太陽能電池若能提供更多的電、更長時間的電，那么對提升單顆衛(wèi)星的算力、使用壽命、甚至是功能拓展都是有積極意義的。

從算力和電力兩個角度來說，目前單顆AI算力衛(wèi)星的算力水平在幾百TOPS水平，電力供應(yīng)在幾個kW水平，算力耗電在幾百W水平，衛(wèi)星重量在幾十公斤水平，以下例舉了目前最先進的算力衛(wèi)星數(shù)據(jù)對比。

TOPS是算力單位，表征每秒萬億次整數(shù)運算，30-40個TOPS可類比一部智能手機。

以上數(shù)據(jù)部分來自公開信息，部分來自推算信息，可信度為中高，僅供直觀理解參考。

根據(jù)數(shù)據(jù)來看，AI算力對電力的需求占到衛(wèi)星的太陽能電池系統(tǒng)供電能力的25%-30%左右，按照馬斯克的“100萬顆”AI算力衛(wèi)星的計劃，根據(jù)目前技術(shù)數(shù)據(jù)簡單推算，未來AI算力衛(wèi)星應(yīng)用大發(fā)展產(chǎn)生的電力需求為200-300GW。

前文已論述，AI算力衛(wèi)星類比“戶用光伏”，每顆衛(wèi)星自帶自備電站，不存在“電力買賣”商業(yè)模式，不過卻產(chǎn)生了很大的太空用太陽能電池硬件的需求市場，這也是馬斯克言論引發(fā)了光伏行業(yè)股市振動的原因，新需求場景出現(xiàn)引發(fā)資本涌動。

2.空間太陽能電站

從空間太陽能電站概念被提出50多年來，中國、美國、歐盟、韓國、日本目前累計已提出了十幾種空間太陽能電站概念方案，如全部細述內(nèi)容會非常龐雜，且專業(yè)程度很深。從釋義技術(shù)邏輯和厘清近期資訊傳播的認知誤區(qū)的目出發(fā)，以下對空間太陽能電站進行簡單介紹。

從光電轉(zhuǎn)化技術(shù)方式來說，空間太陽能電站的能量源頭來自太陽光，但并不是僅有光伏發(fā)電這一種方案，也有光熱發(fā)電方案；光熱發(fā)電又分為熱機、溫差方式；只不過，光伏發(fā)電方式被認為更具可行性。光伏發(fā)電又分為聚光和非聚光方式，中國對兩種方式均提出了概念方案。2014年，中國空間技術(shù)研究院提出的非聚光空間太陽能電站方案；同年，西安電子科技大學(xué)提出了聚光空間太陽能電站概念方案。簡單來說，兩種方案的區(qū)別就是：（1）非聚光方式，讓太陽光自然的照射在太陽能電池上，可類比想象普通的地面光伏電站；（2）聚光方式，利用光的反射、折射將太陽光高度集中照射到更小面積的太陽能電池上，可類比想象地面的光熱電站，只不過光聚射在電池上，而不是吸熱器上（知道地面光熱電站的朋友可能現(xiàn)對比較理解，可搜索二次反射光熱電站）。

從定日和定地技術(shù)方式來說，空間太陽能電站要想實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電，不僅需要“追光”，還需要“追地”。因為空間電站是一直在繞地球運動的，同時地球不僅在繞太陽運動，而且還在自轉(zhuǎn)，這是一個復(fù)雜的位置變化關(guān)系。要想保持太陽能電池一直獲取到陽光，那么太陽能電池陣列就需要定日追光，不斷調(diào)整太陽能電池陣列的朝向，可以類比聯(lián)想地面的跟蹤式光伏電站。除此之外，空間太陽能電站需要把電轉(zhuǎn)化為微波（或者激光）傳輸回地球表面，地球表面需要建設(shè)一個巨大的接收站，形成點對點傳輸；由于點與點之間的位置關(guān)系是在變換的，所以空間太陽能電站還需要“追地”。簡單來說，定日決定了是否能連續(xù)光轉(zhuǎn)電，定地決定了是否能連續(xù)將微波送到地球（可類比理解為輸電到地球）。那么，是否具備定日+定地能力的組合，空間太陽能電站又分為連續(xù)性傳輸電站和非連續(xù)性傳輸電站。

從不同的軌道位置來說，就算具備了定日+定地能力的空間電站也不能實現(xiàn)全年每天24小時的連續(xù)發(fā)電，由于相對位置變化，空間電站會有較長周期繞行在“陰影”中，無法發(fā)電。目前，只有在地球靜止軌道（GEO）運行才能無限接近全年每天24小時的光照，但在春風(fēng)和秋分時節(jié)的46天內(nèi)容仍會有每天72分鐘的“陰影”期；而且地球靜止軌道有一個特性，它的軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期和運行方向是完全相同的，簡單來說，該軌道與地球的點對點位置是相對靜止固定的，因此在軌道的空間太陽能電站不需要“追地”；是最適合建設(shè)空間太陽能電站的軌道。

所以，在太空中的太陽能電站無法實現(xiàn)全年8760個小時都發(fā)電，無限接近全年每天24小時都能發(fā)電（約8700小時）的條件是：地球靜止軌道（GEO）+具備定日能力。根據(jù)科學(xué)家的測算，該條軌道約可容納1800個GW級的空間太陽能電站，因此太空的空間資源無限的說法是有誤的，“最佳場址”是有限的。

定日與不定日方案，可以類比聯(lián)想地面跟蹤式光伏與固定式光伏。

以下列舉了目前利用最多的軌道資源情況，以供參考理解。

（三）太空光伏發(fā)展趨勢

再次聚焦到電力供應(yīng)角度上來看，從電力供給航天器使用和供給地球使用兩個方面來分析。

1.航天器供電系統(tǒng)

太陽能電池作為航天器的供電系統(tǒng)，已經(jīng)成熟應(yīng)用多年，且技術(shù)一直在演進變革，從最初的硅電池，到現(xiàn)在的砷化鎵電池，再到未來的鈣鈦礦電池；從最初的剛性電池，到半剛性電池、再到柔性電池；從最初的體裝式電池，到一維折疊電池、卷繞電池，再到未來的二維折疊電池。

太空用太陽能電池技術(shù)不斷演變的路線圖，簡單概括來說是為了更高效、更輕巧、更易折疊、更長壽。底層的邏輯是運載火箭的載重能力和容納空間是有限的，所以要在重量和體積對太陽能電池不斷優(yōu)化；要在同重量和同體積的情況下，發(fā)更多的電則需要更高的效率；隨著空間站和衛(wèi)星的設(shè)計壽命在不斷提升，電池可用壽命也需不斷提升。

以下列舉硅電池、砷化鎵電池、異質(zhì)結(jié)（HTJ）電池和鈣鈦礦電池的數(shù)據(jù)對比，以供參考了解太空電池技術(shù)的水平情況。

以上數(shù)據(jù)部分來自公開信息，部分來自推算信息，可信度為中高，僅供直觀理解參考。

總體來說，硅電池是最早應(yīng)用在太空的，目前硅電池和砷化鎵電池都在廣泛應(yīng)用，從效率、壽命、經(jīng)濟性任一方面去評判說哪個電池更好是欠妥當(dāng)?shù)?，綜合考慮的話，它們適合于不同場景。

圖4 AI對太空用太陽能電池類型選擇的答案

從如何將電池裝配到航天器上來說，可分為體裝式和折疊式兩種技術(shù)形式。體裝式，就是將一片片電池直接鋪裝載航天器的表面，是最早期的技術(shù)方式；折疊式可分為一維折疊、卷繞折疊、扇形折疊和二維折疊，一維折疊和卷繞折疊已在太空應(yīng)用，二維折疊仍在研究階段。大家可以聯(lián)想類比為折紙，現(xiàn)在是一門學(xué)科，央視很久前曾報道過一位教授對折紙的研究，有興趣可以去搜索相關(guān)報道觀看。

2.空間太陽能電站

空間太陽能電站目前仍處在從概念方案到關(guān)鍵技術(shù)試驗的過渡階段。2014年，我國便提出了空間太陽能電站發(fā)展階段建議：2030年啟動建設(shè)MW級空間太陽能電站試驗電站，2050年具備建設(shè)GW級商業(yè)空間太陽能電站的能力。美國、歐洲、日本等相繼都提出了空間太陽能電站發(fā)展建議，日本計劃在2045年實現(xiàn)商業(yè)化、歐洲計劃在20240年實現(xiàn)商業(yè)化，但基本都是在2030年前后完成MW級的空間試驗驗證。

前文已論述，2014年中國空間技術(shù)研究院提出的非聚光空間太陽能電站方案；同年，西安電子科技大學(xué)提出了聚光空間太陽能電站概念方案。2018年，西安電子科技大學(xué)段寶巖院士團隊提出的聚光空間太陽能電站概念方案啟動地面試驗建設(shè)，被命名為“逐日工程”。

“逐日工程”電站技術(shù)中文全稱為一種基于球面發(fā)射面聚焦的新型聚光空間電站方案（SSPS-OMEGA，音譯歐米伽），是將通過球面反射、折射聚集到球面中心的太陽能電池上發(fā)電，再轉(zhuǎn)換為微波傳輸回地球。2022年，該地面驗證系統(tǒng)通過驗收，開始運行。目前，驗證了在55米的距離,5.8GHz頻率的微波傳輸功率達到87.3%，后續(xù)將開展在軌驗證微波傳輸技術(shù)。（有興趣的朋友，可以去搜索西安電子科技大學(xué)的官網(wǎng)查看相關(guān)報道）

中國空間技術(shù)研究院提出的非聚光空間太陽能電站方案雖然沒有開展相關(guān)的驗證工程，但是卻公開了方案的具體設(shè)計參數(shù)內(nèi)容，可幫助更好理解商業(yè)化后的空間太陽能電站的構(gòu)成和規(guī)模。

這個GW級的空間太陽能電站的太陽能電池陣列，長11.8公里，寬600m，太空微波發(fā)射器直徑1km，總重量約9600t；地面微波接收器直徑為5km。（感興趣的朋友，可以購買閱讀侯欣賓研究員的《圖解空間太陽能電站》圖書，或者觀看他2023年的科普公開課，對小白來說很有用，推薦）

據(jù)測算，不包括運載、發(fā)射場、空間構(gòu)建與支持、地面運行控制等大系統(tǒng)費用，以及前期研發(fā)費用的情況下，該GW級空間太陽能電站的建設(shè)費用約為1300億元。根據(jù)其他報道，空間太陽能電站的度電成本是地面光伏電站的100倍左右。

三、小結(jié)

從長期來看，空間能源電站將是人類實現(xiàn)全天候、零碳、大規(guī)模清潔能源供應(yīng)的重要選項之一，技術(shù)上具備可行性，戰(zhàn)略上具有必要性，值得堅定推進。

空間能源電站最初提出，是向地球“輸電”。但現(xiàn)在太空經(jīng)濟時代已來到，也許空間太陽能電站后面便演變成了對空間飛行器“輸電”，成為了有的人說的“太空充電樁”也未必可知，到時候衛(wèi)星可能就不需要“小翅膀”了。也可能，直接對月球或者火星輸電，畢竟“太空移民”早已提出來了。

“太空算力”“太空旅游”已真真的照進了現(xiàn)實，但“太空經(jīng)濟”目前仍然是“窄門經(jīng)濟”“VIP游戲”，且距離宏大的目標還有長長的路?！吨袊娏蟆?、《人民日報》、《經(jīng)濟參考報》先后發(fā)表了對太空光伏的評論文章，我的觀后感是：仰望星空美好，腳踏實地干活。

太空光伏，未來會好，未來會來，未來還未來。

如果打算長期仰望星空的朋友，建議關(guān)注《中國空間科學(xué)技術(shù)》期刊，里面可以找到“逐日工程”方案最初的設(shè)計論文，那是在2014年10月刊登的。