什么是空间太阳能电站?

2019-01-24 10:40 北京日报

系绳式太阳能电站方案。

由大量太阳能电池阵组成的塔式空间太阳能电站设想图。

集成对称聚光系统空间太阳能电站设想图。

  来源:北京日报

  新闻背景

  最近,我国首个空间太阳能电站实验基地在重庆启动,该基地建成后开展的基础性实验和应用研究,将对我国今后建设空间太阳能电站产生重大意义。此外,空间太阳能电站系统项目的地面验证平台也将在西安落成,它用于对空间太阳能电站功能与效率进行系统验证。

  那么,什么是空间太阳能电站?为何要在太空建造太阳能电站?怎样建造空间太阳能电站呢?

  优势得天独厚

  目前,在地面用太阳能发电已经很普及了,主要是采用太阳能电池板把太阳能转换成电能。其实,在太空利用太阳能发电并不新鲜,因为目前大多数人造地球卫星、载人航天器和空间探测器都装有大大小小的太阳能电池翼,包括刚刚在月球背面着陆的嫦娥四号月球探测器也是如此。但是这些航天器的太阳能电池翼所发的电都是供航天器本身使用,而科学家想在太空建造的太阳能电站所发的电将主要用于地面的千家万户,为人类提供巨大清洁能源。

  太阳是地球和整个太阳系取之不尽、用之不竭的核心能源系统。但是在地面上的利用率却不高,因为在地面上利用太阳能会受到大气的吸收和散射、云雨的衰减以及季节、昼夜更替的影响而衰减很多,能量密度变化也巨大,很不稳定。

  不过,在太空中太阳能却非常充裕。比如,在地球上空3.6万千米的地球同步轨道,由于太阳光线不会被大气减弱,也不受季节、昼夜变化的影响,阴影期很短,99%的时间内可稳定接收太阳辐射,其强度是地面的6倍以上,且能实现空间向地面进行能量的定点传输,所以在太空建设太阳能电站,可有效利用此轨道上的太阳能,为人类提供优质的、巨大的、用之不竭的清洁能源。

  发展空间太阳能电站,可为地面提供商业化的、大规模的电力供给,解决人类长期对于稳定的可再生能源的需求问题。同时空间太阳能电站对于地面偏远地区供电、紧急供电、航天器供电和调节环境等方面具有重要的应用前景。同时,空间太阳能电站的发展也将为更为长远的月球太阳能电站的发展奠定基础。

  一旦能够攻克空间太阳能发电技术,就有望逐步解决人类社会面临的能源危机,获得取之不尽、用之不竭的可持续清洁能源。所以,空间太阳能电站被称为“能源领域的伟大变革”,中国、美国和日本等国的专家都在积极开展相关研究。

  就目前来看,空间太阳能电站是开发地月空间经济圈最直接有效可实现的方式,对比开发月球氦3的难度要小得多。

  面临巨大挑战

  空间太阳能电站是指在太空将太阳能转化为电能,再通过无线能量传输方式传到地面的电力系统,主要包括三大部分:太阳能发电装置、能量转换和发射装置,以及地面接收和转换装置。

  太阳能发电装置将太阳能转化成为电能;能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式(激光也可以直接通过太阳能转化),并利用发射装置向地面发送波束;地面接收系统接收空间传输的波束,通过转换装置将其转换成为电能接入电网。

  空间太阳能电站的技术原理现已没有太大问题。近年来,太阳能发电效率、微波转化效率以及相关的航天技术取得了很大进步,为未来空间太阳能电站的发展奠定了很好的基础。但空间太阳能电站作为一个非常宏大的空间系统,需要开展系统的研究工作,在许多技术方面都有待取得突破性进展。例如,要达到工业应用标准,对发电量要求将很高,至少是兆瓦量级,太阳能电池板也可能要用平方千米来计算。

  目前,一些国家的专家们已提出多种空间太阳能电站方案,这些方案各有千秋,对未来设计出实用的空间太阳能电站有较高的借鉴参考价值。

  迄今为止,人类发射到太空的最庞大物体“国际空间站”有400多吨,而一个工业级的太阳能发电站则有上千吨。我国有专家建议:将空间太阳能电站的建造材料直接发射到太空中,在太空建立“太空工厂”,通过3D技术将所需的组件打印出来,再通过太空机器人进行组装。这是目前的研究方向之一。

  空间太阳能电站规模巨大,质量可达万吨、尺度能到千米、发电功率为兆瓦级、寿命需要在30年以上,所以对于新型运载、新型材料、高效能量转化器件、超大型航天器结构及控制技术、在轨组装维护技术等提出了很大的技术挑战。

  长期运行的安全性也是需要特别重视的问题。尽管从系统设计的角度已经限制了波束密度可以满足安全性要求,但对长期微波辐射下的生态、大气、生物体等的影响问题仍需要开展长期的研究工作。

  简言之,空间太阳能电站需要解决三个关键问题:一是如何通过大型运载火箭将发电设备运送至地球同步轨道并组装发电;二是如何将电能传输到地面;三是如何保障设备运行安全和环境安全。目前这三个问题都还处在基础性探索中。

  应用无限可能

  空间太阳能电站发展的核心应用目标是为地面提供商业化的、大规模的电力供给,解决人类长期对于稳定的可再生能源的需求问题。其应用领域很多。空间太阳能电站对于地面偏远地区供电、紧急供电、航天器供电和调节环境等方面具有重要的应用前景。空间太阳能电站的发展也将为更为长远的月球太阳能电站的发展奠定基础。

  空间太阳能电站可以不间断地为地面提供清洁的可再生能源,为人类提供巨大的、无尽的清洁能源储备。假设在(空间)地球静止轨道上每0.5�间隔(间距约360千米)布置一个空间太阳能电站,每个空间太阳能电站的发电功率为5兆瓦,则可以为地面连续提供约36亿千瓦的电力。巨大的空间供电还可以用于地面的海水淡化、制氢等,从而可以用于其他清洁能源的利用。而且,空间太阳能电站作为一种大型的空间供电基础设施,覆盖面非常广,可以灵活地用于地面移动目标的供电和紧急情况下的供电,包括偏远地区、海岛和灾区等。

  空间太阳能电站也可实现对可视范围内的地轨、中轨和高轨道的航天器供电,使航天器不需要巨大太阳能电池翼,从而大大增加功率水平和控制精度,这对于未来的大功率通信卫星、高精度科学卫星等的发展具有重要价值。未来,还可以利用空间太阳能电站直接进行空间燃料生产以及进行空间加工制造,使得未来的空间工业发展变为可能。空间太阳能电站也能作为深空探测能源系统的候选方案。

  传统化石能源的利用引起了地球温度的升高,随之产生的台风和龙卷风等恶劣气象的频繁出现给人类带来巨大的灾难。将空间太阳能电站的巨大能量传输到龙卷风所在的区域,可以改变台风的温度分布,从而破坏龙卷风的形成过程。利用空间太阳能电站还能减缓大气雾霾,从而起到环境调节的作用。

  延伸阅读

  中国空间太阳能电站研究已进入世界前列

  2008年,我国将空间太阳能电站研发工作纳入国家先期研究规划。“十二五”以来,国内参与空间太阳能电站的研究团队在逐渐扩大。国防科工局支持了与空间太阳能电站相关的总体和关键技术研究工作,目前在总体规划、总体概念方案、微波无线能量传输技术等方面取得了一定的成果,同时也带动了大型空间结构、空间薄膜太阳能发电技术的发展。

  中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室研究团队通过比较国内外多种空间电站方案,重点研究了非聚光型和二次对称聚光型空间太阳能电站,提出了创新的多旋转关节空间太阳能电站方案。此方案得到国际该领域顶级专家的认同,并获2015年世界太阳能卫星设计竞赛第一名。

  我国在无线能量传输等关键技术方面也取得重大进步。无线能量传输包括微波和激光两种方式,目前研究以微波方式为主。

  2018年年底在重庆启动的空间太阳能电站实验基地项目,将在2021年至2025年建设中小规模平流层太阳能电站并实现并网发电;2025年后可开始大规模空间太阳能电站系统相关工作。空间太阳能电站是一个宏伟的工程,涉及到空间运输、姿态控制、微波技术、能量传输等许多重要的技术领域,每一步关键技术都需要有效、安全、可靠的模拟验证方案,实验基地将起到模拟验证和演示的作用。

  当前,我国在空间太阳能电站研究方面初步实现了从“跟跑”到“并跑”的转变,成为国际上推动空间太阳能电站发展的重要力量。我国专家已提出实现我国空间太阳能电站目标的技术路线图:2030年后建设兆瓦级试验空间太阳能电站,2050年后建设吉瓦级商业空间太阳能电站。目前,中国在空间太阳能电站方面的研究已进入世界前列,如能保持并进一步加大研发力度,中国将有望成为世界首个建成有实用价值空间太阳能电站的国家。

责编:陶文冬
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