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太空收集太阳能不再是狂想

2018-11-05 09:23:39

太空收集太阳能不再是“狂想”

SPS-ALPHA系统由数千个薄而弯曲的类似镜子的组件构成,可以移动以便让所能收集的太阳能实现化。SPS-ALPHA内安装光伏板,将太阳能转化成微波。微波随后从这个“鸡尾酒杯”的底部传给地球。

将太阳能作为能源和动力,人类已经探索了近400年,利用的方式一种是光热转换,一种是光电转换。

其中光电转换就是在地面或其他开阔地铺设太阳能电池板,并通过控制器将太阳能直接转化成可利用的交流电或直流电,也可以先把电放入蓄电池储存起来再利用。

但通过这样的方式我们所得到的太阳能已经被大气层层层剥削,只剩太空中太阳辐射的1/10~1/5,尽管光电转化效率已经从初的10%提升到了40%左右,但地面太阳能发电的实际效果还是打了很多折扣。

因此,科学家们很早就将视野转向太空,如果能从太空直接收集太阳能,那么,太阳能的可用量将是地球上的数十亿倍。

满足人类1/3用电需求

美国宇航局(NASA)前工程师约翰曼金斯博士正在研制一种鸡尾酒杯形卫星,声称能够在2025年满足人类1/3的用电需求。这种卫星名为“SPS-ALPHA”(随机性大型相位阵列太阳能人造卫星),由美国宇航局委托曼金斯研制,旨在探索利用部署在太空中的太阳能电池板向地球传输能量的可能性。

曼金斯近在接受国外媒体采访时指出,如果资金到位,SPS-ALPHA早可在2025年发射升空。他说:“一个太阳能卫星阵列便可满足人类1/3的用电需求。虽然并非同时满足,但却能够满足任何一个市场的用电需求。”

根据曼金斯的设想,SPS-ALPHA将收集的太阳能转化成微波(波长小于1米大于等于1毫米的电磁波),而后传输给地球上的发电站,后者接收后将微波转换成电,终传输给消费者。这一系统由数千个薄而弯曲的类似镜子的组件构成,可以移动以便让所能收集的太阳能实现化。SPS-ALPHA内安装光伏板,将太阳能转化成微波。微波随后从这个“鸡尾酒杯”的底部传给地球。

哈尔滨工业大学电气学院副院长、智能测试及信息处理技术研究所所长朱春波在接受《中国科学报》采访时表示,从太空中直接收集太阳能的想法实际上在几十年前就有了,只是一直都没有成功实现。

自从20世纪60年代以来,人类就从科学角度论证了“基于太空的太阳能”(SBSP,Space-based Solar Power)的可行性,而从太空轨道往地面发射微波的概念也证实是可行的。

曼金斯认为,SPS-ALPHA的成本会低于其他一些方式,比如环绕地球的单一阵列。对于这个方案,他认为,如果能够取得成功,向地球远程传输具有经济可承受性的电量,可以达到10~1000兆瓦。

朱春波认为,如果这样的技术能够成功,他们所设想的结果是可以满足的。

高效利用太阳能

朱春波告诉《中国科学报》,地面上太阳光能量密度比较低,目前我们应用的太阳能板效率只有百分之十几到百分之二十,而光电转换效率又比较低。因此,我们在地面上能够利用到的太阳能是十分有限的。

在太空,理论上,在地球同步轨道上,99%的时间可以接受太阳能辐射,每平方米太阳能可以产生1336瓦热量。早在1968年,美国科学家彼得格拉赛(Peter Glaser)就首先提出了建造空间太阳能电站的构想。

此后,美国、日本等都提出了自己的国际空间太阳能电站构想。2011年,在中国空间太阳能电站发展技术全国研讨会上,专家也提出了我国空间太阳能电站的发展思路。

2012年,斯特拉斯克莱德大学的研究人员在太空测试过一种装置,可用于收集能量并以微波或者激光束的形式传回地球。这项测试是曼金斯领导的美国宇航局先进理念研究所的一项研究的组成部分。斯特莱斯克莱德大学扮演的角色是为这一项目的结构组件研发具有革新性的解决方案。

斯特莱斯克莱德大学的马斯米利亚诺瓦斯勒博士指出:“太空是收集太阳能的理想之地,拥有巨大优势。在太空中,你可以在一天中的任何时刻收集太阳能同时不会受到天气条件的制约。”

华南理工大学电力学院副院长张波也告诉《中国科学报》,与地面能源相比,从太空中获取太阳能,不仅强度高,由于其本身是无偿的,因而成本低。

在地面上建设太阳能电站需要很大的面积,与火力发电站相比,产生同样电量的太阳能电站所需占地面积可能是火力发电站占地面积的几十倍。此外,为了避免天气对太阳能利用的干扰,就需要庞大的蓄能系统。目前来说,这都是发展太阳能的瓶颈。[1][2]下一页无线传输是关键

接受采访的专家均表示,空间太阳能电站从长远看是可行的,但是需要在三项技术上有所突破。

空间太阳能电站是一个巨型的发电站,如果将国际空间站作为对比,其在1993年开始实施建造,直到2011年底完成组装工作,总质量为420吨左右,花费了16个参与国超过1000亿美元的资金。而太阳能电站,光伏电池、微波转换装置、发射天线等装置将被装载到卫星平台上,该系统的质量将达到万吨级以上,组装时的运输成本就大得惊人。有预算显示,建设这样一个太阳能发电站需要耗资3000亿~10000亿美元。

“如果无法减轻系统质量,就不可能降低技术复杂性和建造成本。对于一个国家而言,这个工程项目的经济可行性几乎为零。”中国空间技术研究院研究员、《国际太空》杂志副主编庞之浩告诉《中国科学报》,由于近年来,太空电梯成为美国、日本等竞相研发的空间课题,一旦空间运输技术得到实质性的突破,运输成本大大降低,也许将为空间太阳能电站的建设提供很大的技术便利。

朱春波说,通过微波传输,在地面还需要一个拥有巨大接收天线的储能电站,占地至少几公里到几十公里,并且需要建在沙漠或海洋等无人区域,才能终通过储能电站传输给地面用户。

此外,张波认为,现实中阻挠这项技术进步的关键就在于无线传输的效率问题。这也是空间太阳能电站需要突破的第二项技术。

目前无线传输研究比较多的就是微波传输,第二种是近距离电磁感应,第三种是谐振。想要实现从太空到地面的传输,微波是理想的方式,因为它的传输距离远。近距离电磁感应的传输单位是毫米到厘米,而谐振的传输单位也只能到米。

微波的理想频率为2.45GH(千兆赫)或5.8GH,这两个波段都处于红外线与FM/AM无线电信号之间,容易穿透大气层。但是张波表示,微波的问题是传播效率低,大概只有10%左右。

曼金斯的研究团队也在考虑利用激光束将能量传回地球。朱春波认为,激光束从能量传递上确实有很多优势,不仅损耗小,而且能量集中,这样地面的接收站可以做得更小。但激光束是高密度能量,能够定向损毁目标,如果利用它来传输能量,就需要有能够接收这种高密度能量的技术。“这种高密度能量的接收端,我们还做不到。这涉及到材料的进步,它需要能够接收激光束的高密度能量并且转化为电能。”

除了技术方面的瓶颈,微波对环境的影响,恐怕也是太空向地面传输能量的一个障碍。朱春波说:“在微波的传输通道上,不能有生物存在。因此,接收微波的电站必须建在一个无人区,包括空中也要避开航空活动。条件十分苛刻。”

地球电辅助

美国研究人员的目标是打造一个卫星群,能够在将来的某一天为整座城市供电。初,这种微型卫星并不能取代电。它们的优势在于可以快速为灾区或者难以到达的偏远地区供电。

庞之浩认为,约翰曼金斯研制的这种鸡尾酒杯形太阳能卫星,从质量上来讲可能比科学家早年的设想要轻巧,如果不是大规模的部署成卫星群,而只是作为地球电的一种辅助的发电方式应该是可实现的。

张波告诉《中国科学报》,太阳能的能源是公用的,但不管谁占领了先机,后来者再发展就会有很大困难。但对于这种应用基础的研究,我国还不是很重视,因为有很多人觉得它很遥远。

就像在上世纪60年代,没有人能想像得到,玻璃可以传递信号。但是,现在光纤已经成为我们生活中必不可少的技术。“这得益于高锟解决了玻璃纤维如何高效传输信息的关键问题。”张波说,在人类出现之前,能量也在传输,现在无线传输的理论还没有被发现。“如果这个理论被发现,那么无线传输就会像今天的光纤一样,成为未来生活中不可缺少的一部分。”

张波表示,未来这种技术也很有可能用于军事,而一旦用于军事,首先掌握这种技术的国家就会占尽先机。比如,战斗机在空中执行任务,燃油耗尽就必须降落补充燃料,但是如果能直接通过无线传输,从太空获得太阳能并转化成电能,其续航能力将大大增加。而航母等水上舰艇,也可以大大减小动力荷载。

张波一再表示,从能源战略的角度讲,我国也不应该忽视无线传输的研究以及基于太空的太阳能利用。(马佳胡珉琦)

原标题:太空收集太阳能不再是“狂想”

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稿源:人民

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