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中國(guó)將在太空中收集太陽(yáng)能建發(fā)電站 正處試驗(yàn)階段
發(fā)布時(shí)間：
2020-03-20
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據(jù)科技日?qǐng)?bào)3月6日?qǐng)?bào)道，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院載人飛船系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師張柏楠代表6日向科技日?qǐng)?bào)記者透露，航天五院“錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”團(tuán)隊(duì)已開(kāi)展太陽(yáng)能電站具體研究工作，目前正處于研究試驗(yàn)階段。
空間太陽(yáng)能電站是指在太空中將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式傳輸?shù)降孛?，或是直接將太?yáng)光反射到地面、在地面進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)。目前美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)都在開(kāi)展研究。張柏楠對(duì)其發(fā)展應(yīng)用前景十分看好。
“該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是綠色環(huán)保。”張柏楠說(shuō)，“在太空中收集太陽(yáng)能，對(duì)地球環(huán)境的影響很小，而且完全不依賴(lài)地球資源。”
同時(shí)空間電站的發(fā)電效率遠(yuǎn)高于地面太陽(yáng)能。太空里可以連續(xù)接收太陽(yáng)能，不受季節(jié)、晝夜變化等的影響，接收的能量密度高，是地面平均光照功率的7至12倍；同時(shí)可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛?，基本不受大氣影響?/strong>
目前，世界各國(guó)已設(shè)計(jì)出幾十種概念方案，五院團(tuán)隊(duì)提出的“多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽(yáng)能電站”方案，獲得了2015年世界太陽(yáng)能衛(wèi)星設(shè)計(jì)競(jìng)賽第一名。
張柏楠認(rèn)為，空間電站在技術(shù)原理上已沒(méi)有太大問(wèn)題。太陽(yáng)能帆板在衛(wèi)星上廣泛應(yīng)用，而且近年來(lái)，太陽(yáng)能電池發(fā)電效率、微波轉(zhuǎn)化效率等技術(shù)取得了很大進(jìn)步，為該系統(tǒng)的研發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。但要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)電量要求將很高，至少是兆瓦、G瓦量級(jí)，太陽(yáng)能電池板也可能要用平方公里來(lái)計(jì)算。
“有專(zhuān)家建議先建一臺(tái)兆瓦級(jí)規(guī)模的試驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)射到太空開(kāi)展實(shí)驗(yàn)?！睆埐嘎?。
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其實(shí)早在2011年7月，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)空間太陽(yáng)能電站研究還處于剛剛起步的階段。在中國(guó)空間技術(shù)研究院主辦的空間太陽(yáng)能電站發(fā)展技術(shù)全國(guó)研討會(huì)上，與會(huì)專(zhuān)家提出了我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展“路線(xiàn)圖”。當(dāng)時(shí)《光明日?qǐng)?bào)》刊文專(zhuān)門(mén)介紹了空間太陽(yáng)能電站的難題與挑戰(zhàn)，以及各國(guó)的研究、發(fā)展情況。原文如下：
你敢想嗎？太空建個(gè)發(fā)電站
1968年美國(guó)科學(xué)家彼得·格拉賽（Peter Glaser）首先提出了建造空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想，其基本思路是：將無(wú)比巨大的太陽(yáng)能電池陣放置在地球軌道上，組成太陽(yáng)能發(fā)電站，將取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成數(shù)千兆瓦級(jí)的電能，然后將電能轉(zhuǎn)化成微波能，并利用微波或無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳輸?shù)降厍颉?/strong>
能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波或激光等形式（激光也可以直接通過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化），并利用天線(xiàn)向地面發(fā)送能束。有資料稱(chēng)，從理論上說(shuō)，在陽(yáng)光充足的地球靜止軌道上，每平方米太陽(yáng)能能產(chǎn)生1336瓦熱量，如果在地球靜止軌道上部署一條寬度為1000米的太陽(yáng)能電池陣環(huán)帶，假定其轉(zhuǎn)換效率為100%，那么，它在一年中接收到的太陽(yáng)輻射通量差不多等于目前地球上已知可開(kāi)采石油儲(chǔ)量所包含的能量總和。
地面接收系統(tǒng)接收空間太陽(yáng)能電站發(fā)射來(lái)的能束，再通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能。整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了太陽(yáng)能-電能-微波（激光）-電能的能量轉(zhuǎn)變過(guò)程?？臻g太陽(yáng)能電站的建造和運(yùn)行過(guò)程還需要包括大型的運(yùn)載系統(tǒng)，空間運(yùn)輸系統(tǒng)，及復(fù)雜的后勤保障系統(tǒng)。
我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展“四步走”設(shè)想
第一階段：2011年-2020年
充分分析空間太陽(yáng)能電站的應(yīng)用需求，開(kāi)展空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)方案詳細(xì)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。
重點(diǎn)驗(yàn)證無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)、高效大功率太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、大型結(jié)構(gòu)的展開(kāi)組裝技術(shù)和高壓供配電系統(tǒng)，主要有地面大功率無(wú)線(xiàn)能量傳輸試驗(yàn)、地面大型結(jié)構(gòu)展開(kāi)及裝配技術(shù)試驗(yàn)、地面對(duì)平流層飛艇無(wú)線(xiàn)能量傳輸試驗(yàn)、依托空間站的大型結(jié)構(gòu)展開(kāi)及裝配技術(shù)試驗(yàn)等。
第二階段：2021年-2025年
利用我國(guó)的空間站平臺(tái)，在航天員參與下，進(jìn)行我國(guó)第一個(gè)低軌道空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)研制，在2025年開(kāi)展系統(tǒng)驗(yàn)證。重點(diǎn)驗(yàn)證大型結(jié)構(gòu)的空間展開(kāi)及裝配，大型空間聚光系統(tǒng)及其控制，大功率電源管理系統(tǒng)，大型結(jié)構(gòu)的姿態(tài)控制技術(shù)，無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)（激光、微波），空間太陽(yáng)能電站的運(yùn)行維護(hù)管理等。
第三階段：2026年-2040年
在低軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上更為可行的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)方案和關(guān)鍵技術(shù)，突破軌道間大功率電推進(jìn)技術(shù)，研制地球同步軌道驗(yàn)證系統(tǒng)，大約在2030年左右發(fā)射，進(jìn)行空間-地面、空間-空間無(wú)線(xiàn)能量傳輸，開(kāi)展系統(tǒng)驗(yàn)證，為商業(yè)系統(tǒng)的研制提供重要的運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行壽命10年。初步考慮該系統(tǒng)在低軌進(jìn)行自主空間組裝，并利用空間站和航天員進(jìn)行部分組裝工作，同時(shí)解決空間裝配中出現(xiàn)的問(wèn)題，組裝測(cè)試完畢后，整體運(yùn)送到地球同步軌道。
第四階段：2036年-2050年
結(jié)合驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，結(jié)合技術(shù)發(fā)展，研制我國(guó)第一個(gè)商業(yè)化空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能電站商業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行壽命30年以上。
空間太陽(yáng)能電站面臨的巨大挑戰(zhàn)
不過(guò)，當(dāng)前建設(shè)空間太陽(yáng)能電站首先是技術(shù)難題，對(duì)于現(xiàn)有的航天器技術(shù)提出了很大挑戰(zhàn)：規(guī)模大，質(zhì)量達(dá)到萬(wàn)噸以上，比目前的衛(wèi)星高出4個(gè)數(shù)量級(jí)，需要采用新材料和新型運(yùn)載技術(shù)；面積達(dá)到數(shù)平方公里以上，比目前的衛(wèi)星高出6個(gè)數(shù)量級(jí)，需要采用特殊的結(jié)構(gòu)、空間組裝和姿態(tài)控制技術(shù)；功率大，發(fā)電功率為吉瓦，比目前的衛(wèi)星高出6個(gè)數(shù)量級(jí)，需要特別的電源管理和熱控技術(shù)；壽命長(zhǎng)，至少達(dá)到30年以上，比目前的衛(wèi)星高出一倍以上，需要新材料和在軌維護(hù)技術(shù)；效率高，需要先進(jìn)的空間太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化技術(shù)和微波轉(zhuǎn)化傳輸技術(shù)。
其次是成本問(wèn)題。有專(zhuān)家估算，建設(shè)一個(gè)天基太陽(yáng)能發(fā)電站需要耗資3000億至10000億美元。因此，成本問(wèn)題可能是制約空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的主要因素。在新概念、新技術(shù)和大規(guī)模商業(yè)化之前，收入難以補(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的建造和運(yùn)行成本。
再次是環(huán)境影響。雖然空間太陽(yáng)能電站功率很大，但由于微波能量傳輸距離遠(yuǎn)（36000公里），根據(jù)微波能量傳輸特性，實(shí)際接收天線(xiàn)的能量密度比較低。
最后是運(yùn)行問(wèn)題?？臻g太陽(yáng)能電站運(yùn)行中還有許多問(wèn)題，其中包括需采取相應(yīng)措施對(duì)波束進(jìn)行安全控制問(wèn)題、對(duì)于飛行器的影響、空間碎片可能對(duì)空間太陽(yáng)能電站造成局部損害、易攻擊性、可能成為空間垃圾等。此外，還有軌道和頻率、產(chǎn)能、發(fā)射能力等問(wèn)題。
域外方案
美國(guó)：1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)，這是第一個(gè)比較完整的空間太陽(yáng)能電站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，由美國(guó)在1979年完成，以全美國(guó)一半的發(fā)電量為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)方案為在地球靜止軌道上布置60個(gè)發(fā)電能力各為5吉瓦的發(fā)電衛(wèi)星。
集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)：NASA在20世紀(jì)90年代末的SERT研究計(jì)劃中提出的方案。采用了位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽(yáng)能反射到兩個(gè)位于中央的光伏陣列。聚光器面向太陽(yáng)，桅桿、電池陣、發(fā)射陣作為一體，旋轉(zhuǎn)對(duì)地。聚光器與桅桿間相互旋轉(zhuǎn)以應(yīng)對(duì)每天的軌道變化和季節(jié)變化。
日本：分布式繩系衛(wèi)星系統(tǒng)，為減小單個(gè)模塊的復(fù)雜性和重量，日本科學(xué)家提出了分布式繩系衛(wèi)星的概念。其基本單元由尺寸為100米×95米的單元板和衛(wèi)星平臺(tái)組成，單元板和衛(wèi)星平臺(tái)間采用四根2千米~10千米的繩系懸掛在一起。單元板是由太陽(yáng)能電池、微波轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線(xiàn)組成的夾層結(jié)構(gòu)板，共包含3800個(gè)模塊。每個(gè)單元板的總重約為42.5噸，微波能量傳輸功率為2.1兆瓦。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個(gè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方案的模塊化設(shè)計(jì)思想非常清晰，有利于系統(tǒng)的組裝、維護(hù)。但系統(tǒng)的質(zhì)量仍顯巨大，特別是利用效率較低?！ W洲：太陽(yáng)帆塔，歐洲在1998年“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)研究”計(jì)劃中提出了歐洲太陽(yáng)帆塔的概念。該方案基于美國(guó)提出的太陽(yáng)塔概念，并采用許多新技術(shù)。其中最主要的是采了可展開(kāi)的輕型結(jié)構(gòu)——太陽(yáng)帆。其可以大大降低系統(tǒng)的總重量、減小系統(tǒng)的裝配難度。其中一塊太陽(yáng)帆電池陣為一個(gè)模塊，尺寸為150米×150米，發(fā)射入軌后自動(dòng)展開(kāi)，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過(guò)電推力器轉(zhuǎn)移至地球同步軌道。由于該方案采用梯度穩(wěn)定方式實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)對(duì)地球定向，所以太陽(yáng)帆板無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)對(duì)日定向。
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