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太空太阳能拥有巨大潜力 建造成本极具挑战性  

来自惊鸿岂止一现   2012-12-24 10:22:47|  分类: 宇宙奥秘 |举报 |字号 订阅

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太空太阳能拥有巨大潜力 建造成本极具挑战性



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太空太阳能拥有巨大潜力 建造成本极具挑战性



 

太空太阳能拥有巨大潜力 建造成本极具挑战性
     来源:北京日报  


太空太阳能拥有巨大潜力建造成本极具挑战性

    日本无人太空试验自由飞行器研究院提供的太空太阳能发电系统模拟图。 东方IC图


  新闻背景

  新闻背景

  据新华社10日消息,日本京都大学日前宣布,其研究人员已建成一座太空太阳能发电实验设施。其用途主要验证通过无线方式远距离输送能量的可行性。

  而上月有消息称,由中科院院士王希季牵头、多名中科院和工程院院士参加完成的咨询评议报告——《空间太阳能电站技术发展预测和对策研究》已正式上报国家发改委,建议我国尽快开展太空电站的论证和设计,争取在2040年前建成商业性的太阳能空间电站。

  40多年前美国科学家提出了设想

  太空太阳能发电是指用火箭把太阳能电池板发射到太空,太阳能电池板在太空发电,再将产生的电能转换成微波或激光传回地面,并重新转换为电能。

  四十多年前,一个名叫彼得·格拉瑟的美国科学家首次提出了这种“太空太阳能电站”(下称“太空电站”)的设想。乍听起来,这很像科幻小说里的描述,但它确实是科学家为人类的未来寻找替代能源的又一大胆设想。

  美国国家航天局和能源部在随后的几十年,一直都为此进行着细水长流式的探索性研究和设计,至今已经累计投入了近亿美元。2007年10月,美国国家安全太空办公室悄然推出过一份建造太空电站可行性研究的中期评估报告。

  太空太阳能拥有巨大潜力

  根据计算,离地球1.5亿公里的太阳每小时向地球表面辐射的能量非常巨大,足以供全人类直接使用一年。若按每平方米地表面积计算,太阳光辐射能量应达到1000瓦。可惜由于受到地球大气特别是云层的反射和吸收、近地大气中微小悬浮颗粒的散射、不同季节变化等因素的影响,最后落到地表的太阳光能量,每平方米只有125瓦至375瓦。到了夜间,太阳辐射能完全消失,太阳能无法利用,尤为可惜。

  如果将太阳光伏电池板放在太空,每平方米太阳能电池板所接收到的太阳光能量将达到1336瓦。而且在太空里,99%以上的时间都有太阳辐射。

  经过几十年的技术进步和经济发展,再来重新审视彼得·格拉瑟提出的太空电站设想,通过以下几个层面的分析可以发现,虽然还存在着很大困难,但今天人类已经有希望实现这一设想。

  太阳能电池效率实验室中可达45%

  太空电站的关键部件之一当然是太阳能电池板。

  几十年前,人类只有硅基太阳能电池,转换效率只有10%左右。今天的太阳能电池种类多了,各种材料的薄膜电池相继诞生,而且光电转换效率逐步地提高至15%~20%。令人兴奋的是,实验室里已经研制出转换效率可达45%左右的薄膜电池,供给现在的空间实验室使用已没有问题。

  从产能方面考量,随着系统设计和制造技术的不断进步,有了最先进的制造设备,全球光伏电池的年生产能力已经达到甚至超过千兆瓦。特别是在新材料领域,那些依托纳米技术而诞生的增强型光伏系统已经出现,纳米电子学和集成电路产业将会促使未来的光伏电池板的性能更上一层楼。

  需要注意的是,外太空的太阳光谱与到达地球表面的太阳光谱不同。到达地面的太阳光中紫外线部分被大气层吸收了很多,而太空里太阳光谱中紫外线部分特别是真空紫外波段的含量高,所以要加紧研发适应太空环境的太阳能电池新材料,使其性能更优越。

  整流天线实现高效率微波功率传输

  如何有效地将能量传回被大气层包围的地球表面供人类使用?科学家想到,要搞一个转换器,要么将电转换成具有衰减系数小的特定波长的激光束,要么转换成微波束传回地球。

  微波是一种看不见、摸不着的电磁辐射。用微波定向传输电能已被证实是可行的。设想中的太空电站就放置在地球同步轨道上,它跟随地球同步自转。通过安装在其上的微波发生器,将太阳能电池获取的电力转换成选定频率的、一定功率的微波束,径直奔向地球表面的指定地点并被地面的整流天线接收,转换成电能。

  需要注意的是,我们必须选择能较好地穿透大气层的那个波段,还要兼顾一定能量的微波辐射传输不能伤及人类、鸟类及所有生命体,也不能影响飞机等飞行器的安全飞行。实验得知,波长为12.24厘米的电磁辐射可以轻松地穿透地球大气层,只要强度适当,对生命体不会有伤害。

  今天,高效率微波功率传输这一关键技术已经取得相当大进展。已经知道,对于频率为5.8千兆赫的微波功率发生器,从直流电转变为射频的变换器效率可达到80%以上;与之对应,在地面上安装的、能把空间的微波能量转化为电能的“整流天线”效率也可优于80%,这就为太空电站的建设取得实质进展提供了重要的技术保证。

  不过,要使卫星发射出来的巨大微波束与地面的网格型天线一直保持同步,是一个尚未解决的技术难题。

  太空电站建造成本极具挑战性

  要建造一个百万千瓦级的太空电站,就要运输至少几平方公里面积的太阳能电池板,取决于未来使用的太阳电池的效率。如果设计方案需要,还要安装巨大的太阳光反射镜以便汇聚更多太阳光。电池板和聚光镜的框架结构材料必须既轻便又有足够强度、长短合适。此外,还要在太空安装巨大的微波功率发生和发射设备等。

  要想把这么多设备运上太空,具有更大运载能力的运载火箭技术还有待进一步提高,这也直接影响着运载成本。

  同时,要想在太空组装这么巨大的电站,需要研发一种适应在太空装配的、模块式的、灵活的柔性阵列架构(这有点儿像儿童玩积木游戏),以便将这个巨大无比的太空电站组装成功。成百上千吨物资在遥远的太空上要有条不紊地依次组装,需要用多少宇航员在太空生活多久来完成?这些问题都必须经过仔细考量。当然,今天的机器人技术已经很先进,利用机器人在太空完成部分安装工作,可以大大节省成本、降低风险,这也有待实验验证。

  但所有技术上的困难,似乎都比不上更为重要的资金成本的考量。根据现有运载火箭的运载能力估算,建造这样的太空电站每年要发射上千次之多,耗资相当巨大。建设一个太空电站比在地面建设相同级别的太阳能电站要贵百倍以上,这实际上已经成为一个巨大障碍。

  然而,尽管存在着种种挑战,太空电站仍然是一个有着巨大潜力的新能源获取方式。如果我们把想象力再解放一下,太空电站的电力还可以供向月球及其他任何人类可能到访的天体,那将是一幅非常美妙的图景。

  延伸阅读

  

  研发太空电站 日本走在前列

  近几年,石油生产国一直不稳定,核能发电的安全问题又备受质疑,能源问题再度凸显,促使美国、欧盟、日本、俄罗斯等又把目光投向太空。目前美国、日本、欧盟、俄罗斯等都提出了自己的国际空间太阳能电站的构想,预计投资数百亿美元,建立100万千瓦的商业性装机电站,在2030年至2040年投入使用。

  日本航天机构在研发太空电站方面态度十分积极。据报载,两年前日本一个由多家公司联合组建并得到政府支持的研究小组宣布,投资方出资210亿美元,准备在2030年前能在距地35800公里的地球同步轨道上建立一个巨大的太空太阳能发电站,并将电传回到地球,据称达到100万千瓦的规模,光是太阳能电池板总面积就达到4平方公里,使用寿命设计为30年,可供近30万户东京居民的用电需要。根据这个计划,在前4年的时间里将先行研发用微波将电能传回地球的技术。

  (作者为中国科学院原新技术开发局高级工程师、中国科学院老科学家科普演讲团成员)



 

 

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