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那么，空間太陽能電站將如何建造?它有什么優(yōu)勢和缺點(diǎn)?今天我們就來深入了解一下。
空間太陽能電站概念圖
什么是空間太陽能電站
空間太陽能電站的概念最初來自科幻小說。美國科幻小說家艾薩克·阿西莫夫在1941年發(fā)表的短篇小說《理性》里，就提到一個從太陽收集能量，并用微波束將能量傳輸給不同行星的空間站。
1968年，美國航空航天工程師彼得·格拉澤首次在學(xué)術(shù)論文中提出了“太陽能衛(wèi)星系統(tǒng)”的概念，他當(dāng)時發(fā)表的論文標(biāo)題是《來自太陽的能量：它的未來》，刊登在1968年2月22日出版的《科學(xué)》雜志上。1973年，彼得·格拉澤還成功申請到了美國專利，標(biāo)題為《將太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能的方法和設(shè)備》，介紹了在太空中利用衛(wèi)星收集太陽輻射并轉(zhuǎn)化為微波能量傳輸?shù)降厍虻姆椒ā?br />
從那之后，美國、日本、歐洲和我國等國家和地區(qū)的科研機(jī)構(gòu)發(fā)展出了很多在太空中收集太陽能并傳輸?shù)降孛胬玫目茖W(xué)概念，國際上一般將這些概念統(tǒng)稱為“基于太空的太陽能電站”，或者叫“空間太陽能電站”。
一般來說，現(xiàn)有的空間太陽能電站概念包括3個要素：能量收集平臺，能量轉(zhuǎn)換和傳輸過程，能量接收與利用終端。
“能量收集平臺”就是在太空中收集太陽能的航天器，這些航天器可以是在各種軌道上的衛(wèi)星或空間站等。收集能量的手段除了我們大多數(shù)人直觀想到的太陽能電池板(光伏發(fā)電)之外，還有將太陽能直接轉(zhuǎn)為激光能量的技術(shù)路線。當(dāng)然，更直接的方法是，把太陽光用鏡面反射或聚焦到地球表面，類似于“人造月亮”。俄羅斯在20世紀(jì)90年代就開展過名為“旗幟”的一系列“人造月亮”實(shí)驗(yàn)，但效果不甚明顯，后來沒有繼續(xù)深入推進(jìn)研究。
“能量轉(zhuǎn)換和傳輸過程”也存在諸多技術(shù)路線，討論最多的是用微波或激光的方式，將在太空中收集的太陽光能量轉(zhuǎn)換成電磁波，然后傳到地球表面。目前，高指向精度的激光傳輸技術(shù)已經(jīng)被用于從衛(wèi)星到地面的激光通信，但是激光在大氣層中的傳輸容易受到云層和降水的影響。而利用微波傳送電力的手段相對更加成熟，2015年，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和三菱重工就先后宣布成功開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，其中三菱重工將10千瓦的電力通過天線傳到了500米之外，并且在接收裝置上把微波能量還原成電能，點(diǎn)亮了發(fā)光二極管。
“能量接收與利用終端”一般可以認(rèn)為是地面的接收裝置，當(dāng)然也可以是飛機(jī)、衛(wèi)星甚至月球上需要用電的其他終端。總體來看，地面的微波接收裝置(整流天線)周圍的安全是可控的，在地表可以建造圍欄等防止人員進(jìn)入，在飛機(jī)上可以安裝保護(hù)性的金屬外殼(法拉第籠)來防止乘客受到微波光束照射，此外還需要控制微波束的功率，防止對鳥類等動物造成傷害。也有研究者擔(dān)心長期用微波照射電離層會對大氣環(huán)境產(chǎn)生影響，但是還沒有看到顯著的影響分析。
空間太陽能電站的優(yōu)缺點(diǎn)
如果不考慮建設(shè)成本和技術(shù)成熟度問題，簡單來看，空間太陽能電站的優(yōu)勢包括以下三點(diǎn)：
一是空間太陽能屬于綠色清潔和可再生的能源。如果空間太陽能電站能夠成熟使用，可以克服化石能源帶來的各種問題，而且不像風(fēng)電、水電，對地理環(huán)境有特殊要求，也不像核電站需要消耗核燃料、有產(chǎn)生核污染的風(fēng)險。
二是能源利用效率高。2014年5月，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家司理佐佐木在美國電氣電子工程師學(xué)會《頻譜》雜志上發(fā)表的文章《太空中總是陽光明媚》對這一點(diǎn)進(jìn)行了很好的解讀。根據(jù)估算，地球大氣可以反射或者吸收55%—60%的太陽光，而且地面的光伏發(fā)電裝備還要面臨黑夜、陰天、冬季等光照條件不強(qiáng)的環(huán)境。而在太空中，通過調(diào)整太陽能電池板的姿態(tài)、設(shè)計(jì)合適的衛(wèi)星軌道，可以使空間太陽能電站幾乎一天24小時都持續(xù)發(fā)電。
三是可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離能量傳輸和調(diào)度?？臻g太陽能電站利用無線能量傳輸技術(shù)，可以快速將能量聚焦傳輸?shù)狡h(yuǎn)的環(huán)境，比如海上、沙漠中等缺乏電網(wǎng)設(shè)施的地區(qū)。不僅如此，還可以在飛機(jī)、衛(wèi)星、輪船、深空航天器甚至在其他星球上搭載接收微波能量的天線設(shè)備，讓這些移動平臺在需要時方便地接收來自太空的微波能量，實(shí)現(xiàn)“充電自由”。
但是，空間太陽能電站也面臨不少困難和挑戰(zhàn)，主要有以下三個方面：
一是裝備容易受損和老化。太空環(huán)境非常復(fù)雜，環(huán)境輻射強(qiáng)烈，溫度變化劇烈，所以發(fā)電光伏板在太空中的老化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在地球上的速度(有計(jì)算為比地球上老化快7倍左右)。此外，空間太陽能電站需要非常龐大的體積，特別是展開的光伏板或者反射鏡面等，因此更容易受到空間碎片的碰撞。
二是難以組裝、建設(shè)和維修。在地面維護(hù)和更換太陽能電池板是非常簡單的事，但是在太空中往往需要通過遙控機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)空間太陽能電站的組裝和維修。此前美國曾經(jīng)多次通過航天員的太空行走，實(shí)現(xiàn)對哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(軌道高度在570千米左右)的維修，但是如果在地球同步軌道(3.6萬千米)建設(shè)和維修空間太陽能電站，其難度和風(fēng)險都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出以往的太空維修任務(wù)。
三是微波傳輸可能干擾通信波段。目前，典型的無線能量傳輸設(shè)計(jì)是利用在1到10GHz頻率范圍內(nèi)的微波，例如常用的2.45GHz(微波爐的常用頻率)或5.8GHz微波，因?yàn)樵擃l段是大氣微波傳輸?shù)拇翱?，微波能量損耗最小。但是藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)(WiFi)以及一些特殊的微波通信頻率也在這個范圍內(nèi)，還有一些天文觀測可能也會針對這個頻段，這樣就可能產(chǎn)生頻譜干擾問題，需要通過管理協(xié)調(diào)。
空間太陽能電站地面接收裝置概念圖
在工程和經(jīng)濟(jì)方面的可行性
冷戰(zhàn)時期，美國對空間太陽能電站建設(shè)做過許多詳細(xì)計(jì)算，結(jié)論是在經(jīng)濟(jì)上不可行，遠(yuǎn)不如發(fā)展核電站等性價比高。但是近年來，情況發(fā)生了變化：一是航天發(fā)射的成本降低了，比如美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的可重復(fù)使用火箭技術(shù)帶來的效果等。二是航天材料技術(shù)、微電子技術(shù)等飛速進(jìn)步，讓建設(shè)空間太陽能電站所需要的材料重量減輕了，衛(wèi)星支撐結(jié)構(gòu)、天線、鏡面、電池板都更加輕薄，還出現(xiàn)了很多輕量化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如薄膜電池等。三是近年來隨著氣候變化問題日益嚴(yán)峻，各國面臨脫碳的現(xiàn)實(shí)需求，因此發(fā)展新的能源技術(shù)的戰(zhàn)略需求進(jìn)一步增強(qiáng)了。所以，從需求拉動、技術(shù)推動兩個方面來看，空間太陽能電站近年來熱度又有了上升趨勢。
關(guān)于可行性問題，2021年9月，英國政府網(wǎng)站上發(fā)布了由英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部委托弗雷澤-納什咨詢公司完成的一項(xiàng)研究報(bào)告，總體結(jié)論是，空間太陽能發(fā)電在技術(shù)上是可行的，到21世紀(jì)40年代，用衛(wèi)星星座構(gòu)建空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)，可以滿足英國大部分的能源需求。該報(bào)告通過計(jì)算認(rèn)為，在2040年建設(shè)5個空間太陽能并網(wǎng)發(fā)電站，平均發(fā)電成本可以降低至50英鎊/兆瓦時，具有很強(qiáng)的市場競爭力。但是，為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要163億英鎊的開發(fā)成本，以及10億英鎊的系統(tǒng)生命周期運(yùn)行成本。而且考慮到開發(fā)相關(guān)技術(shù)會面臨巨大的時間成本和風(fēng)險，私營企業(yè)難以承受，因此需要由國家公共資金來提供資助。這也是《泰晤士報(bào)》等媒體報(bào)道說英國政府正在考慮投資160億英鎊來建設(shè)太空發(fā)電站的信息來源。
我國空間太陽能電站研究進(jìn)展
根據(jù)葛昌純院士2021年發(fā)表在《中國科學(xué)報(bào)》上的文章介紹，在國家有關(guān)部門支持下，我國從“十一五”正式開始空間太陽能電站研究，目前在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)取得了部分重要成果。
2010年，我國12位院士和百余位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以谥袊臻g技術(shù)研究院舉辦的空間太陽能電站技術(shù)研討會上發(fā)布了我國空間太陽能電站發(fā)展路線圖，提出到2030年建設(shè)兆瓦級小型空間太陽能試驗(yàn)電站的“三步走”計(jì)劃：首先開展關(guān)鍵技術(shù)的地面及浮空器試驗(yàn)驗(yàn)證，其次開展高空超高壓發(fā)電輸電驗(yàn)證，最終開展空間無線傳能試驗(yàn)。該路線圖還提出了到2050年具備建設(shè)吉瓦級商業(yè)空間太陽能電站能力的目標(biāo)。
另據(jù)《中國科學(xué)報(bào)》2021年8月16日報(bào)道，重慶科學(xué)城正在建設(shè)“璧山空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地”，將重點(diǎn)進(jìn)行空間太陽能發(fā)電站、無線微波傳能以及空間信息網(wǎng)等技術(shù)的前期演示模擬與驗(yàn)證。
可以想見，未來如果相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步成熟，我國從國家層面以更大的力度推進(jìn)空間太陽能技術(shù)的發(fā)展是完全有可能的。
原標(biāo)題：“太空光伏”或成真 英國政府?dāng)M斥資1300億在太空建造太陽能電站
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