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直接向太阳“拿取”能源,将发电站搬进太空

作者:标准集团 添加时间:2022-03-30 14:12

  自二十世纪六十年代以来,人们就从科学的角度论证了太空太阳能发电技术的可行性,并且从太空轨道往地面发射微波的概念也证实是可行的。许多国家都在为减少碳足迹而努力,并逐渐转向可再生资源。人们想要获得文明的发展和持久的绿色能源,就不得不将手伸向太空了。近日,英国政府正考虑投资160亿英镑,建设空间太阳能电站。

  到2050年,全球能源需求预计将增长近50%,但在新型清洁能源中,核能因其具有高风险性从而争议不断,风能、水能的稳定性又会受到季节和地理位置的影响,而太阳能由于具有总量巨大,且具有取之不尽的优势,空间太阳能可能是帮助满足世界能源部门不断增长的需求和应对全球气温上升的关键。

  太空太阳能电站是基于太空太阳能发电技术发展起来的。利用卫星在太空中把太阳能聚集起来,然后把能量集中射向地面,再转变成电能供人类使用。为此,有必要将配备太阳能电池板的巨大航天器送入轨道。这些面板通过发电并使用高频无线电波将其发送到位于地球上的特殊接收器,在此过程中它们就已经将波转换为电能。

  早在2010年8月,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,12位院士和百余位相关领域专家提出了我国空间太阳能电站发展路线图。根据路线图,2030年开始我国将建设兆瓦级小型空间太阳能试验电站,到2050年具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力。其中第一阶段又具体分三步,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。

  空间太阳能电站是一个非常庞大的系统工程,其重量、尺度方面远超现有航天设施,因此人们将其称为航天和能源领域的“曼哈顿工程”。例如,即使一个小型的兆瓦级空间太阳能电站的重量,就比现在的国际空间站要大,再考虑到发射所需要的大型运输火箭、在轨组装难度等。

  而目前,建造空间太阳能发电站需要解决的问题,太阳能电池板的重量就是其一,不过这一问题已经通过开发超轻太阳能电池得到了解决,这种超轻太阳能电池是美国加州理工学院的研究人员提出的一个模块化发电站的设计,该发电站由数千块超轻型太阳能电池瓦组成,是迄今为止最轻的集成多功能原型机,能够收集阳光,将其转换成射频电能,然后以受控光束无线传输这种能量。如何把所有的组件运送到太空,也同样是个巨大的难题。目前美国太空探索技术公司一类的公司正在努力改变这种状况,其研制出的火箭可重复使用,功能更强大的“星舰”火箭也即将进入关键的试飞阶段,有望大大降低空间发电成本。

  然而,仅仅组装一个太阳能发电站就需要多次发射航天飞机。从长远来看,太空太阳能发电的目的是减少碳排放,但太空发射也会产生大量的碳排放和成本。并且即便成功建造了一个空间太阳能电站,其运行也面临若干实际挑战,例如太空碎片可能会破坏太阳能电池板。同样,从太阳能卫星向地面传输能量难度很大,科学家们需要提高无线能量传输的效率,按照现有技术,收集到的太阳能只有一小部分可到达地球。

  尽管空间太阳能电站还存在着上述问题,其实现可能性也有待观察,但研究建设空间太阳能电站更重要的意义是可带动整个航天领域空间技术的全面进步,如在轨大型结构制造能力、人类利用空间能力以及具有非常多应用场景的微波/激光传输能力。所以我们有理由相信,随着各国空间技术的发展,总有一天,我们将能够从太空获得能源资源,造福社会。