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“太空光伏”或成真 英国政府拟斥资1300亿在太空建造太阳能电站

作者:
来源:
北京日报
2022/06/07 18:35
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【摘要】:
英国政府正在考虑一项提议——在太空中建造一座太阳能发电站,成本大约160亿英镑(约合1300亿人民币)。我国国家航天局副局长吴艳华日前在接受媒体采访时表示,我国也在论证是否要建设大型的空间太阳能电站。

据英国《泰晤士报》等媒体报道,为了实现2050年净零排放的目标,英国政府正在考虑一项提议——在太空中建造一座太阳能发电站,成本大约160亿英镑(约合1300亿人民币)。我国国家航天局副局长吴艳华日前在接受媒体采访时表示,我国也在论证是否要建设大型的空间太阳能电站。

那么,空间太阳能电站将如何建造?它有什么优势和缺点?今天我们就来深入了解一下。

空间太阳能电站概念图

什么是空间太阳能电站

空间太阳能电站的概念最初来自科幻小说。美国科幻小说家艾萨克·阿西莫夫在1941年发表的短篇小说《理性》里,就提到一个从太阳收集能量,并用微波束将能量传输给不同行星的空间站。

1968年,美国航空航天工程师彼得·格拉泽首次在学术论文中提出了“太阳能卫星系统”的概念,他当时发表的论文标题是《来自太阳的能量:它的未来》,刊登在1968年2月22日出版的《科学》杂志上。1973年,彼得·格拉泽还成功申请到了美国专利,标题为《将太阳辐射转换为电能的方法和设备》,介绍了在太空中利用卫星收集太阳辐射并转化为微波能量传输到地球的方法。

从那之后,美国、日本、欧洲和我国等国家和地区的科研机构发展出了很多在太空中收集太阳能并传输到地面利用的科学概念,国际上一般将这些概念统称为“基于太空的太阳能电站”,或者叫“空间太阳能电站”。

一般来说,现有的空间太阳能电站概念包括3个要素:能量收集平台,能量转换和传输过程,能量接收与利用终端。

“能量收集平台”就是在太空中收集太阳能的航天器,这些航天器可以是在各种轨道上的卫星或空间站等。收集能量的手段除了我们大多数人直观想到的太阳能电池板(光伏发电)之外,还有将太阳能直接转为激光能量的技术路线。当然,更直接的方法是,把太阳光用镜面反射或聚焦到地球表面,类似于“人造月亮”。俄罗斯在20世纪90年代就开展过名为“旗帜”的一系列“人造月亮”实验,但效果不甚明显,后来没有继续深入推进研究。

“能量转换和传输过程”也存在诸多技术路线,讨论最多的是用微波或激光的方式,将在太空中收集的太阳光能量转换成电磁波,然后传到地球表面。目前,高指向精度的激光传输技术已经被用于从卫星到地面的激光通信,但是激光在大气层中的传输容易受到云层和降水的影响。而利用微波传送电力的手段相对更加成熟,2015年,日本宇宙航空研究开发机构和三菱重工就先后宣布成功开展了相关实验,其中三菱重工将10千瓦的电力通过天线传到了500米之外,并且在接收装置上把微波能量还原成电能,点亮了发光二极管。

“能量接收与利用终端”一般可以认为是地面的接收装置,当然也可以是飞机、卫星甚至月球上需要用电的其他终端。总体来看,地面的微波接收装置(整流天线)周围的安全是可控的,在地表可以建造围栏等防止人员进入,在飞机上可以安装保护性的金属外壳(法拉第笼)来防止乘客受到微波光束照射,此外还需要控制微波束的功率,防止对鸟类等动物造成伤害。也有研究者担心长期用微波照射电离层会对大气环境产生影响,但是还没有看到显著的影响分析。

空间太阳能电站的优缺点

如果不考虑建设成本和技术成熟度问题,简单来看,空间太阳能电站的优势包括以下三点:

一是空间太阳能属于绿色清洁和可再生的能源。如果空间太阳能电站能够成熟使用,可以克服化石能源带来的各种问题,而且不像风电、水电,对地理环境有特殊要求,也不像核电站需要消耗核燃料、有产生核污染的风险。

二是能源利用效率高。2014年5月,日本宇宙航空研究开发机构的科学家司理佐佐木在美国电气电子工程师学会《频谱》杂志上发表的文章《太空中总是阳光明媚》对这一点进行了很好的解读。根据估算,地球大气可以反射或者吸收55%—60%的太阳光,而且地面的光伏发电装备还要面临黑夜、阴天、冬季等光照条件不强的环境。而在太空中,通过调整太阳能电池板的姿态、设计合适的卫星轨道,可以使空间太阳能电站几乎一天24小时都持续发电。

三是可实现超远距离能量传输和调度。空间太阳能电站利用无线能量传输技术,可以快速将能量聚焦传输到偏远的环境,比如海上、沙漠中等缺乏电网设施的地区。不仅如此,还可以在飞机、卫星、轮船、深空航天器甚至在其他星球上搭载接收微波能量的天线设备,让这些移动平台在需要时方便地接收来自太空的微波能量,实现“充电自由”。

但是,空间太阳能电站也面临不少困难和挑战,主要有以下三个方面:

一是装备容易受损和老化。太空环境非常复杂,环境辐射强烈,温度变化剧烈,所以发电光伏板在太空中的老化速度远远超过在地球上的速度(有计算为比地球上老化快7倍左右)。此外,空间太阳能电站需要非常庞大的体积,特别是展开的光伏板或者反射镜面等,因此更容易受到空间碎片的碰撞。

二是难以组装、建设和维修。在地面维护和更换太阳能电池板是非常简单的事,但是在太空中往往需要通过遥控机器人来实现空间太阳能电站的组装和维修。此前美国曾经多次通过航天员的太空行走,实现对哈勃空间望远镜(轨道高度在570千米左右)的维修,但是如果在地球同步轨道(3.6万千米)建设和维修空间太阳能电站,其难度和风险都远远超出以往的太空维修任务。

三是微波传输可能干扰通信波段。目前,典型的无线能量传输设计是利用在1到10GHz频率范围内的微波,例如常用的2.45GHz(微波炉的常用频率)或5.8GHz微波,因为该频段是大气微波传输的窗口,微波能量损耗最小。但是蓝牙、无线网络(WiFi)以及一些特殊的微波通信频率也在这个范围内,还有一些天文观测可能也会针对这个频段,这样就可能产生频谱干扰问题,需要通过管理协调。

空间太阳能电站地面接收装置概念图

在工程和经济方面的可行性

冷战时期,美国对空间太阳能电站建设做过许多详细计算,结论是在经济上不可行,远不如发展核电站等性价比高。但是近年来,情况发生了变化:一是航天发射的成本降低了,比如美国太空探索技术公司(SpaceX)的可重复使用火箭技术带来的效果等。二是航天材料技术、微电子技术等飞速进步,让建设空间太阳能电站所需要的材料重量减轻了,卫星支撑结构、天线、镜面、电池板都更加轻薄,还出现了很多轻量化的创新设计,比如薄膜电池等。三是近年来随着气候变化问题日益严峻,各国面临脱碳的现实需求,因此发展新的能源技术的战略需求进一步增强了。所以,从需求拉动、技术推动两个方面来看,空间太阳能电站近年来热度又有了上升趋势。

关于可行性问题,2021年9月,英国政府网站上发布了由英国商业、能源和工业战略部委托弗雷泽-纳什咨询公司完成的一项研究报告,总体结论是,空间太阳能发电在技术上是可行的,到21世纪40年代,用卫星星座构建空间太阳能发电系统,可以满足英国大部分的能源需求。该报告通过计算认为,在2040年建设5个空间太阳能并网发电站,平均发电成本可以降低至50英镑/兆瓦时,具有很强的市场竞争力。但是,为了达到这一目标,需要163亿英镑的开发成本,以及10亿英镑的系统生命周期运行成本。而且考虑到开发相关技术会面临巨大的时间成本和风险,私营企业难以承受,因此需要由国家公共资金来提供资助。这也是《泰晤士报》等媒体报道说英国政府正在考虑投资160亿英镑来建设太空发电站的信息来源。

我国空间太阳能电站研究进展

根据葛昌纯院士2021年发表在《中国科学报》上的文章介绍,在国家有关部门支持下,我国从“十一五”正式开始空间太阳能电站研究,目前在系统设计和关键技术方面已经取得了部分重要成果。

2010年,我国12位院士和百余位相关领域专家曾在中国空间技术研究院举办的空间太阳能电站技术研讨会上发布了我国空间太阳能电站发展路线图,提出到2030年建设兆瓦级小型空间太阳能试验电站的“三步走”计划:首先开展关键技术的地面及浮空器试验验证,其次开展高空超高压发电输电验证,最终开展空间无线传能试验。该路线图还提出了到2050年具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站能力的目标。

另据《中国科学报》2021年8月16日报道,重庆科学城正在建设“璧山空间太阳能电站实验基地”,将重点进行空间太阳能发电站、无线微波传能以及空间信息网等技术的前期演示模拟与验证。

可以想见,未来如果相关技术进一步成熟,我国从国家层面以更大的力度推进空间太阳能技术的发展是完全有可能的。

(图片来源:veer图库) 

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