将太阳能从太空送到地球，变成电流，即将进入大规模商用阶段

图片：AFRL的空间太阳能增量和示范研究项目由几个小型飞行实验组成，这些实验将成熟建立太阳能配电系统原型所需的技术。

在不久的将来，从太空收集并发射到地球上的太阳能可以为全球偏远地区的军事和民用设施、车辆和设备提供电力。

这项基础技术已经准备就绪，由于位于科特兰空军基地的空军研究实验室的太空飞行器理事会、位于科罗拉多州的美国能源部国家可再生能源实验室、 各地的私营企业合作伙伴间广泛合作，第一个小型示范项目将在2023年启动。

除了提供从太空发射的24小时全天候电力外，通过该项目开发的新型太阳能电池、面板和生产工艺，还可以通过提供更高效率和更低成本的系统来彻底改变一般和地面光伏装置中的天基动力系统。

太空飞行器理事会主席埃里克·费尔特上校说，这种有可能“改变游戏规则”的技术在未来十年中将广泛应用。

费尔特告诉《华尔街日报》:“这项技术已经达到了我们相信可以做到的程度。”“我们正处于关键技术的最后成熟阶段，我们已经有了路线图……我们已经制定了整个计划，我们现在正在建造一个2米长的太阳系，准备在2023年通过卫星发射，以证明这项技术。”

老技术，新用途

“蜘蛛”项目——空间太阳能增量示范和研究，简称SSPIDR——实际上是建立在几十年前创造的技术基础上的。SSPIDR项目经理詹姆斯·温特(James Winter)说，光伏光束传输，或无线电力传输，在20世纪70年代就已经演示过了。它利用光伏电池收集太阳能，然后将其转换成无线电频率，从天线发送到接收器。

这个过程被用于卫星电视，利用太阳能传播无线电频率，然后发送到地面进行通信。温特说，在无线电能传输的情况下，无线电频率被“整流天线”接收，然后将频率转换回电能。

“这个概念已经有一段时间了，”温特说。“使用普通的太阳能系统，你可以收集太阳能，并将其转换成直流电，为卫星的电池充电。有了太阳能到射频模块，就无需存储——你可以将太阳能转换成直流电，然后通过集成电路转换成射频，再通过整流天线转换回直流电。”

降低成本

基于太空的太阳能光束之前没有做过，因为建造组件和集成系统，然后把它们送到太空是非常昂贵的。但是通过国防部的合作项目，它正在努力极大地降低建造、集成、运输和操作系统的成本。

这包括开发新的、成本更低的高效太阳能电池制造工艺，以实现太阳能电池板和系统的装配过程自动化，以取代目前的劳动密集型方法。

与地球上使用的硅基太阳能电池不同，用于太空的光伏电池需要更坚固的材料，这些材料能够承受恶劣的环境，能够从太阳产生更多的电能，为航天器提供长期的动力。这些材料，镓砷化物和镓铟，比硅贵得多。电池制造是基于一种叫做金属有机气相外延(MOVPE)的非常缓慢的过程，该过程将预先设计好的化学物质一次一层地沉积在半导体晶圆上。制造这些坚固的电池可以将用户终端成本推高到每瓦300美元，而硅电池每瓦不到1美元。

图片：NREL的研究人员Aaron Ptak, Wondwosen Metaferia, David Guiling和Kevin Schulte正在使用HVPE为III-V型太阳能电池培育含铝材料。

位于科罗拉多州的DOE实验室NREL，已经为这些耐用电池创造了一种更快、更廉价的制造工艺。太空飞行器理事会的资深物理学家大卫·威尔特说，它还成功地用含有铝或纯金属化合物的材料取代了昂贵的有机金属化合物，这些材料要便宜得多。

分层的方法

这种新的制造工艺实际上是对一种叫做氢化物汽相外延(HVPE)的旧工艺的改进，该工艺在20世纪70年代被MOVPE所取代，因为后者能更好地处理半导体晶圆上精细的材料层层堆积。

这两个制程一次只工作一层。但使用MOVPE，系统在每一层沉积后停止，改变气体混合物，从而为每个太阳能电池创造不同的堆叠薄膜成分。相比之下，旧的HVPE系统在改变气体混合物之前将晶圆完全移除，然后重新插入晶圆以继续沉积下一个化合物。

NREL对HVPE工艺进行了改进，通过将不同的腔室并排设置，使得晶圆片在不同的混合气体的沉积过程中以连续的气流从一个腔室移动到下一个腔室，而不是移除和重新插入晶圆片。威尔特说，这种名为“动态”HVPE的新系统大大加快了制造速度，使NREL生产多层电池的速度提高了20倍。

威尔特说:“通过从一个房间到另一个房间的移动，它能以每小时500微米的速度放下材料，而MOVPE的速度是每小时5到10微米。”

这个系统可以通过增加更多的房间来扩大规模。

威尔特说:“最终，这将是一个线性系统，光秃秃的晶圆片从一端穿过多个腔室，而另一端则是一个完整的太阳能电池结构。”

这将大大降低用于空间应用的高效电池的生产成本。

私营部门使用?

此外，NREL的首席研究员凯尔西·霍洛维茨说，NREL希望最终将这项新技术转移到私营部门，使制造过程可用于国防和商业目的。

Horowitz在一份声明中说:“如果我们成功地降低了所有高成本的太阳能电池制造过程，我们可能会使这些高效率的电池在民用和商业领域得到更广泛的应用。”“这些应用包括要求较高的单位面积功率和价值灵活性，如船舶、电动汽车或便携式设备。”

太空飞行器理事会还与位于阿尔伯克基的SolAero技术公司合作，以降低制造全太阳能电池板和组件的成本。SolAero公司是一家为太空开发强大太阳能系统的公司，该公司赢得了一份450万美元的合同，开发建造模块的自动化流程，Michael Riley说，他是空间飞行器理事会高级空间动力集团的项目副经理。

Riley说:“这是一个非常劳动密集型的过程，目前旨在一次性设计卫星。”“我们希望自动化装配设计，以更快、大批量生产各种卫星应用模块。”

SSPIDR项目经理Winter说，AFRL还在研究太阳能波束的天线技术，以建立可靠的计量系统，在任何需要的地方引导精确的无线电频率波束。

温特说:“它将提供持续的电力供应，不像地面系统那样受到黑暗和雨水的干扰。”“你所需要的只是一个整流天线来接收来自地球上任何一个地方的能量。”