太阳能的使用
设想
如果地球上所有的能源最初都来自太阳，为什么我们不直接使用太阳核聚变的能量呢？
现在的能源来源，除了太阳能，都间接来自太阳，不管是化石能源还是风能，潮汐能源。
可控的核聚变永远都还有10年的时间才能变成现实。现在太阳就是最大的稳定核聚变，那我们是不是可以直接利用现有的太阳核聚变。
在太空中将太阳能收集，然后将其运输回地球。
这其中还涉及到能量的转换效率还有能量的传输过程。我们要多大面积的收集呢，还需要怎么带回地球呢，储能介置是什么，运输的损耗是多少
测算
太阳能收集与转换
假设：
• 太阳能光强：约 1361 W/m²（在地球轨道）
• 太阳能板效率：约 20%-30%（当前技术水平）
• 太阳能收集面积：A 平方米
能量转换公式：
$$ P_{\text{output}} = A \cdot 1361 \cdot \eta $$
其中η为太阳能板的效率（假设 25%）。
例如：如果面积 A = 1000m^2, ，效率 η = 0.25：
能量的输出可以计算为
$$ P_{\text{output}} = 1000 \cdot 1361 \cdot 0.25 = 340,250 , \text{W} $$
能量存储
目前，太空中可以考虑使用的存储设备主要有：
• 锂离子电池（能量密度约 250 Wh/kg）
• 超级电容器
• 新型固态电池
假设储能设备效率为 90%，即
$$ E_{\text{stored}} = 0.9 \cdot E_{\text{collected}}。 $$
例如：每天运行 12 小时，采集的能量总量为：
$$ E_{\text{collected}} = 340,250 \cdot 12 \cdot 3600 = 14.7 , \text{GJ/day} $$
存储后：
$$ E_{\text{stored}} = 14.7 \cdot 0.9 = 13.2 , \text{GJ/day} $$
能量运输回地球
运输方式主要有以下几种：
1. 无线能量传输（微波/激光传输）：
• 效率：假设发射效率 50%，地面接收效率 50%，总效率为 25%。 • 损耗：70%-90%（技术瓶颈）
- 物理运输（带电池的飞船）：
• 电池自重会显著增加发射成本。
• 假设单次运送 1 吨电池，运送成本约 $10,000/kg$（目前发射价格）。
实际计算：假设每次带回 1 吨电池，储存能量 1 MWh，总成本为：
$$ \frac{10\frac{10,000}{250} \cdot 1,000 = $40 , \text{per kWh},000}{250} \cdot 1,000 = $40 , \text{per kWh} $$
相比地球上的电价（$0.1-$0.2/kWh），成本过高。
- 系统总效率与可行性
总能量转换效率可以表示为：
$$ \eta_{\text{total}} = \eta_{\text{solar}} \cdot \eta_{\text{storage}} \cdot \eta_{\text{transport}} $$
如果：
太阳能转换效率
$$ \eta_{\text{solar}} = 25% $$
存储损失效率
$$ \eta_{\text{storage}} = 90% $$
运输损耗
$$ \eta_{\text{transport}} = 25% $$
则：
$$ \eta_{\text{total}} = 0.25 \cdot 0.9 \cdot 0.25 = 5.6% $$
结论
从技术和经济角度来看：
1. 当前技术下，能量运输过程损耗极大，且成本远超地球上的能源生产。
2. 可行性建议：
• 开发高效的无线能量传输技术。
• 增加太阳能板效率和储能密度。
• 降低太空运输成本。
若未来技术在运输和效率上有突破，该方案可能变得经济可行。