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中國計(jì)劃2030年建太陽能空間發(fā)電站
日期:2020-06-01   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:zhangchi_zrm 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:
“空間太陽能發(fā)電” ,就是在太空軌道上布置巨大的太陽能電池陣列,把太陽光轉(zhuǎn)換為電能,再通過微波或者激光的形式,把電能傳輸回地球,最后輸送到電網(wǎng)中。一項(xiàng)十分前沿的能源技術(shù),一旦實(shí)現(xiàn)將改寫現(xiàn)有的能源格局。我國的目標(biāo):2008 年,中國將空間太陽能電站研發(fā)工作納入國家先期研究規(guī)劃,力爭在 2030 年開始建設(shè)兆瓦級空間太陽能試驗(yàn)電站,2050 年前具備建設(shè)吉瓦級商業(yè)空間太陽能電站的能力。




美國在上周末發(fā)射了可重復(fù)使用軌道試驗(yàn)飛行器 X-37B。這次飛行,將執(zhí)行一個(gè)可能對人類開發(fā)新能源至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:在太空中利用太陽能發(fā)電,向地面?zhèn)骰啬芰浚w行器本身也可不依賴自身攜帶的能源)。

這正是 “空間太陽能發(fā)電” 的概念。

簡而言之,就是在太空軌道上布置巨大的太陽能電池陣列,把太陽光轉(zhuǎn)換為電能,再通過微波或者激光的形式,把電能傳輸回地球,通過地表的天線接收、整流,最后輸送到電網(wǎng)中。

毫無疑問,這是一項(xiàng)十分前沿的能源技術(shù),一旦實(shí)現(xiàn)將改寫現(xiàn)有的能源格局。

“人類的終極能源解決方案現(xiàn)在主要有兩個(gè)路徑,一是人造太陽,即可控核聚變,另外則是建設(shè)太陽能空間電站,畢竟人類在地面上利用太陽能這種量大質(zhì)優(yōu)的清潔能源已經(jīng)接近極致。

人類的持續(xù)發(fā)展需要清潔電力,現(xiàn)在使用的煤炭、石油是不可持續(xù)的,而且污染比較大,而目前主要新能源例如風(fēng)能和地面太陽能等不能同時(shí)保證質(zhì)和量這兩點(diǎn)要求。地面太陽能發(fā)電受晝夜、天氣等影響較大,而在地球軌道可以實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)太陽能發(fā)電,不過在軌道上產(chǎn)生的電力只能通過無線傳輸方式傳回地球??梢哉f,無線輸電技術(shù)決定了未來應(yīng)用空間太陽能清潔電力的發(fā)展。”在接受 DeepTech 采訪時(shí),中國空間技術(shù)研究院王立研究員如此介紹。

目前,中國空間技術(shù)研究院正在推進(jìn)太陽能空間電站項(xiàng)目的研究,王立研究員正是該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一。

頗具科幻色彩的硬核能源技術(shù)

早在 1941 年,科幻小說作家阿西莫夫就曾提出過類似的設(shè)想。1968 年,皮特 · 格拉澤(Peter Glaser)進(jìn)一步提出了太陽能發(fā)電衛(wèi)星的概念,并為此申請了專利。之后的幾十年,經(jīng)過美國、日本、俄羅斯、歐洲、中國等多國的持續(xù)研發(fā),空間太陽能發(fā)電的技術(shù)原理和理論可行性已經(jīng)得到了充分的論證。

與地面上的常規(guī)太陽能電站相比,空間太陽能電站有以下幾個(gè)理論上的優(yōu)勢,甚至可以實(shí)現(xiàn)一些我們一直以來夢寐以求的愿望:

理論效率高


在地表利用太陽能發(fā)電,很大一部分的太陽能都消耗在了太陽光到達(dá)地球表面的路上。據(jù)估算,地球大氣可以反射或者吸收 55-60% 的太陽光。而如果把太陽能電池放到太空中,太陽光穿越宇宙空間直達(dá)空間太陽能電站,是沒有這個(gè)損耗的。

不過,空間太陽能發(fā)電也有自己的功率損失,例如在地表的接收端,把微波或者激光轉(zhuǎn)化為電能的效率,還遠(yuǎn)不到 100%。

可在夜間發(fā)電


常規(guī)的太陽能電站,中午陽光直射時(shí)發(fā)電量最高,晨昏時(shí)發(fā)電量最低,夜晚就為零了。但太空中就不一樣了。運(yùn)行在軌道上的空間太陽能電站,99% 的時(shí)間里都不會被地球的影子擋住太陽光,可以一天 24 小時(shí)持續(xù)發(fā)電。而且,通過調(diào)整電池板的姿態(tài),將其永遠(yuǎn)維持在正對著太陽的角度,可以讓空間太陽能電站持續(xù)保持最高發(fā)電輸出。

規(guī)模大,甚至可以作為地球的“遮陽傘”

地球上的太陽能電站往往要受制于地形條件的限制,不可能無限制地大下去。但太空中則沒有這樣的限制,空間太陽能電站的總面積可以非常巨大。這樣一來,甚至可以替地表擋住一部分太陽光,減少來自太陽的能量輸入,進(jìn)而降低地球表面的溫度。相當(dāng)于用一把巨大的 “遮陽傘” 來緩解全球氣候變暖,幫助解決這個(gè) 21 世紀(jì)人類面臨的最棘手的問題。

超遠(yuǎn)距離電力調(diào)度

把電力從 “富裕” 的地區(qū)調(diào)度到 “短缺” 的地區(qū),一直是電網(wǎng)的重要工作。這方面最典型的代表,就是動(dòng)輒跨越神州大地的特高壓超遠(yuǎn)距離輸電線路,把西部的能源輸送到需要用電的東部。但空間太陽能電站,可以直接在太空中把微波或激光反射到最需要電力的地區(qū),而無需通過電網(wǎng)跨省、甚至跨國、跨洲調(diào)度,不用再受到電網(wǎng)傳輸能力的限制,甚至,可以把電力輸送到電網(wǎng)很難覆蓋到的地區(qū)。

干預(yù)臺風(fēng)走向

對,你沒有聽錯(cuò),就是那個(gè)人人聞之變色的臺風(fēng)。人類已經(jīng)可以干預(yù)降雨了,但對臺風(fēng)還是束手無策。空間太陽能電站卻有可能帶給人類這一超凡的能力。從太空中來這么一大股能量,是可以對地球大氣產(chǎn)生影響的。理論上,通過調(diào)節(jié)微波的頻率,空間太陽能電站可以對熱帶氣旋的走向和強(qiáng)度進(jìn)行干預(yù)和調(diào)節(jié)。一旦實(shí)現(xiàn),中國東南沿海的臺風(fēng)、美國西海岸的颶風(fēng),都將無法上岸肆虐。

不過,凡事有利就有弊??臻g太陽能電站提出不是一年兩年了,一直實(shí)現(xiàn)不了還是有原因的。

首先,成本高昂。

對于現(xiàn)有的技術(shù)水平而言,建設(shè)一個(gè)空間太陽能電站所需的成本是百億、千億級別的。不論是直接發(fā)射一個(gè)電站上去,還是發(fā)射一個(gè)“太空工廠“,利用 3D 打印等技術(shù)自行在太空中組裝出一個(gè)電站來,發(fā)射成本都太高了;而地面接收電能的裝置也十分巨大、復(fù)雜,成本同樣不容小覷。

其次,技術(shù)挑戰(zhàn)艱巨。

空間太陽能電站的每一個(gè)環(huán)節(jié),從電站的發(fā)射、控制、維護(hù),到電能的轉(zhuǎn)換、傳輸、接收,無不充滿技術(shù)挑戰(zhàn)。不過,各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)目前都在取得積極進(jìn)展。X-37B 的這次實(shí)驗(yàn)也是推進(jìn)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目。

第三,安全問題。

太空中滿是隕石、太空垃圾等不受控的飛行物,如果撞到電站,輕則降低發(fā)電量,重則直接報(bào)廢。發(fā)生碰撞也好,電站自己出現(xiàn)故障也罷,所可能產(chǎn)生的碎片都會變成新的太空垃圾,威脅其它在軌飛行器,比如衛(wèi)星、空間站的安全。

而來自地球表面的威脅則更加恐怖。只有少數(shù)國家才擁有的反衛(wèi)星武器先不提,無處不在的網(wǎng)絡(luò)攻擊隨時(shí)有可能黑了這么個(gè)重要的能源設(shè)施,把它變成一個(gè)太空武器。空間太陽能電站是可以干預(yù)臺風(fēng)走向的,萬一把傳輸方向從接收站改到敵國的城市,后果不堪設(shè)想。

就算正常運(yùn)行,其對于生態(tài)環(huán)境的影響也需要評估。根據(jù)設(shè)計(jì)建議,空間太陽能電站的微波輻射能量將僅為太陽輻射的 1/4(也就是說,如果人類和其它動(dòng)植物暴露在陽光下是安全的,那么這個(gè)空間太陽能發(fā)電站的微波也就是安全的),但畢竟總能量巨大,對于生態(tài)環(huán)境會不會造成嚴(yán)重的影響尚未可知。

因此,如何保證空間太陽能電站自身的安全,以及其所能影響到的環(huán)境的安全,都是巨大的挑戰(zhàn)。

盡管如此,世界各國還是對開發(fā)空間太陽能發(fā)電站充滿了興趣。

美國早在 1974 年就展開了相關(guān)研究,之后的八十年代和最近的十年,以美國軍方和航天局為代表的許多項(xiàng)目相繼展開。

這次 X-37B 的發(fā)射,將是這類實(shí)驗(yàn)首次在太空中進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)名為“光伏射頻天線模塊飛行實(shí)驗(yàn)(Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module Flight Experiment,PRAM-FX)”,計(jì)劃將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為頻率是 2.45GHz 的微波,記錄相關(guān)的數(shù)據(jù),并對設(shè)備效率進(jìn)行研究。日本的三菱重工在 2015 年開展實(shí)驗(yàn),將 10 千瓦的太陽能通過微波傳送到了 500 米以外的地方,證明了技術(shù)的可行性。俄羅斯和歐洲也有類似的計(jì)劃。

中國計(jì)劃在 2030 年建設(shè)太陽能空間發(fā)電站


X-37B 進(jìn)行的這一實(shí)驗(yàn)讓我們再次將目光聚焦到了人類在實(shí)現(xiàn) “空間太陽能發(fā)電” 上的進(jìn)度條。事實(shí)上,國內(nèi)早已啟動(dòng)相關(guān)的技術(shù)測試。

在這個(gè)領(lǐng)域,中國亦有著遠(yuǎn)大的目標(biāo):2008 年,中國將空間太陽能電站研發(fā)工作納入國家先期研究規(guī)劃,力爭在 2030 年開始建設(shè)兆瓦級空間太陽能試驗(yàn)電站,2050 年前具備建設(shè)吉瓦級商業(yè)空間太陽能電站的能力。

具體實(shí)施上,我國首個(gè)空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地已經(jīng)在 2018 年 12 月宣布于重慶啟動(dòng)建設(shè)。

王立表示,空間太陽能發(fā)電的核心技術(shù)——微波輸能——多年來已在全球科學(xué)家的努力下于實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證,且各國實(shí)力相當(dāng),現(xiàn)階段需要走出實(shí)驗(yàn)室在更大的室外空間進(jìn)行更多實(shí)戰(zhàn),包括對傳輸和接收效率的改善,微波對環(huán)境和人體帶來的具體影響等。而在重慶搭建的實(shí)驗(yàn)基地,有望成為該領(lǐng)域的重要實(shí)驗(yàn)場。

“希望能夠推動(dòng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺成為新的‘大科學(xué)裝置’,以吸引全球的技術(shù)專家共同加入研究”,王立說。

更多的技術(shù)解讀見以下專訪 QA 內(nèi)容:

DeepTech:美國空軍這次微波輸送電能的實(shí)驗(yàn)和國內(nèi)做太陽能空間發(fā)電站的技術(shù)是相同的嗎?

王立:雖然還不了解實(shí)驗(yàn)的技術(shù)細(xì)節(jié),但我認(rèn)為應(yīng)該是差不多的。微波傳送電能和激光傳送電能這兩種技術(shù)都有人在從事研究,它們的原理都是將電能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

在電氣工程誕生的一百多年里,電能都是通過電線傳播的?,F(xiàn)在大家接觸和使用的無線輸能通常是通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)的,也是現(xiàn)在研究進(jìn)展很快而且應(yīng)用最好的,例如日常生活中的手機(jī)無線充電。但是它只能在厘米級傳輸。麻省理工學(xué)院提出的磁耦合諧振原理可實(shí)現(xiàn)米級的無線傳能。

用衛(wèi)星往地面?zhèn)鬏旊娔芤话憔嚯x要達(dá)到幾百公里至 36000 公里。上述方法無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線輸能。要實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)距離無線能量傳輸則需要通過微波或者激光等。微波輸能是把電能通過微波器件轉(zhuǎn)化為微波,再天線定向發(fā)射電功率,并定點(diǎn)接收。這兩種技術(shù)差別還是比較大的。

DeepTech:微波輸能技術(shù)現(xiàn)在處于什么階段?

王立:我們認(rèn)為,微波輸能技術(shù)的核心問題是解決微波的空間傳輸(或能量捕獲)效率以及基礎(chǔ)微波器件的轉(zhuǎn)化效率,這包括微波源的轉(zhuǎn)化效率和接收整流器件的效率,前者涉及微波傳輸理論及天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)等非常復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)難題。

現(xiàn)在使用的微波源主要有兩種:一種是速調(diào)管、磁控管和行波管等電真空器件,它的高頻效率也不是太高;另外一種是固態(tài)半導(dǎo)體放大器,目前在 5.8GHz 的效率只有 50%-60%,但隨著材料和器件技術(shù)的發(fā)展,這種器件轉(zhuǎn)化效率的提高速度還是挺快的。

目前世界各研究機(jī)構(gòu)在微波輸能技術(shù)方面的差距不是很大。在通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新和新型天線設(shè)計(jì)提升微波空間傳輸方面,各個(gè)研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行研究。

DeepTech:中國的空間太陽能發(fā)電站規(guī)劃路線圖是什么?

王立:每個(gè)國家都有自己的空間太陽能發(fā)展路線圖,每隔一段時(shí)間都會更新路線圖。中國專家經(jīng)過論證提出的發(fā)展目標(biāo)是 2050 年建設(shè)商用大型的空間太陽能電站,這是一個(gè)遠(yuǎn)期目標(biāo),而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)要分為幾個(gè)階段,首先就是要有一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的電站。我們初步計(jì)劃是在 2030 年前后建設(shè)一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的小型太空發(fā)電站。

DeepTech:達(dá)成 2030 年目標(biāo)的成本?

王立:由于是實(shí)驗(yàn)性電站,所以它的造價(jià)要考慮研究投入和建設(shè)成本兩部分。我們目前提出的傳輸 MW 級電量的實(shí)驗(yàn)電站重量估算為 200 噸左右,這已經(jīng)是很大的規(guī)模了,可能比現(xiàn)在國際空間站都大。按現(xiàn)在的發(fā)射成本算的話,它的造價(jià)會比較大,應(yīng)該是千億數(shù)量級人民幣。

DeepTech:今年的重點(diǎn)工作是什么?

王立:我們正在和重慶的高校合作,搭建一個(gè)微波輸能的實(shí)驗(yàn)平臺。在兩個(gè)山體之間做微波的輸能實(shí)驗(yàn),來驗(yàn)證微波輸能的各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)效果,并研究微波輸能對環(huán)境的影響,進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)積累。重慶的實(shí)驗(yàn)平臺是永久性專用實(shí)施,基本上可以長期開展不同功率、不同頻率的微波輸能全系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),它應(yīng)該比其他地方的實(shí)驗(yàn)條件更好。

我們今年的計(jì)劃是開展一些不同目的的微波輸能演示實(shí)驗(yàn)。這只是第一階段,我們的長遠(yuǎn)目標(biāo)是把重慶實(shí)驗(yàn)基地建成國際級的微波輸能科研基地。目前還沒有國家做到這一點(diǎn),大多研究都是在實(shí)驗(yàn)室中或使用臨時(shí)性場地。

另外,建設(shè)重慶實(shí)驗(yàn)平臺也是為了給未來制定無線輸能標(biāo)準(zhǔn)做一些前期準(zhǔn)備。我們認(rèn)為,無線輸能技術(shù)會重塑現(xiàn)在的能源產(chǎn)業(yè),標(biāo)準(zhǔn)的制定需要早于技術(shù)的商業(yè)化實(shí)現(xiàn)。

DeepTech:對于普通人來說,可想象的微波輸能應(yīng)用場景是哪些?

王立:我們也做過相關(guān)論證,我們認(rèn)為個(gè)人用戶不是微波無線輸能的重點(diǎn),它更多針對的可能是物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)充電等應(yīng)用和特殊的高價(jià)值供電情況,如救災(zāi)、重要設(shè)施等。

從目前來看,我們認(rèn)為,如果 2030 年左右能實(shí)現(xiàn)空間太陽能電站發(fā)電,這些能量可能首先還不是用于供給地面的電力系統(tǒng),而更有意義的是用在支持科學(xué)研究方面,如干預(yù)臺風(fēng)颶風(fēng)研究等。事實(shí)上每一年的臺風(fēng)颶風(fēng)都給人類造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。

DeepTech:如何理解“人造太陽“與微波無線輸能這兩種清潔能源技術(shù)路線的關(guān)系?

王立:人類還在核聚變的理論突破的路上,但是空間太陽能發(fā)電沒有理論問題,它更多面臨的是技術(shù)和成本問題。

從實(shí)現(xiàn)上來說空間太陽能電站相對容易??臻g太陽能電站和人造太陽不是替代關(guān)系。空間太陽能電站帶來的最大變化就是無線輸能。無線輸能的影響面更大更寬,它涉及能源獲取和應(yīng)用問題,在人類的科技產(chǎn)業(yè)上會帶來很多變革機(jī)會。眾所周知,每一次能源技術(shù)的革命對人類文明的影響是非常顯著的。



原標(biāo)題:中國計(jì)劃2030年建太陽能空間發(fā)電站
 
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