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中国要建空间太阳能电站,有哪些难点?

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发表于 2021-8-18 15:27 来自手机 | 显示全部楼层 |阅读模式
中国要建空间太阳能电站,有哪些难点?
责任编辑:吕栋
来源:观察者网      2021-08-18 14:11:07
【文/观察者网 吕栋 编辑/周远方】

鉴于电磁感应式的无线充电已无法勾起消费者好奇心,年初有手机厂商推出所谓“隔空充电”技术,通过空间定位和隔空能量传输,可实现数米半径内单设备5瓦“远距离充电”,并称之为划时代的“硬核科技”。



某硬件厂商的隔空充电技术

如果在数米范围内给手机进行“隔空充电”,被称之为“硬核科技”。那毫无疑问,在距离地面3.6万公里高度的地球同步轨道上,给高速公路上的电动汽车充电,只能被称为“科幻”了。



空间太阳能电站概念图

考虑到在太空中利用太阳能发电,效率高、持久、清洁,不受季节、昼夜变化影响,甚至还能作为深空探测能源系统的候选方案,中国部分科学家正在努力推动将这种科幻片中的情节变为现实。

今年6月,全国首个空间太阳能电站实验基地在“雾都”重庆开工建设,计划未来先在平流层建立起一个太阳能电站,试验收集太阳能并通过无线能量传输方式向地面提供持续电力的发电系统,该基地预计年底建成,明年开始相关实验。

与此同时,西安也在开展空间太阳能发电相关试验,当地正在建设全球首个空间太阳能电站地面验证中心,其团队带头人段宝岩此前曾负责500米口径球面射电望远镜(FAST)的总体设计。

尽管空间太阳能电站的设想最早由美国提出,但目前只有中国正在建设基地进行地面验证,而且重庆和西安两个基地也是在经过十几年的研讨和论证后才真正开工,凸显出空间太阳能电站的建设难度。

观察者网梳理发现,要真正建成被称为“太空三峡”的空间太阳能电站,目前还有诸多难题待解。

首先,大功率、远距离无线传能技术是必须跨越的难关,而且波束要指向规定的接收口径,让误差尽可能缩小;其次,比空间站重的多的电站组件,要被发射到3.6万公里高度的地球同步轨道上,并且完成在轨组装;第三;重型火箭密集发射将带来巨大的成本问题;第四,电站在太空中长期运行的安全问题,以及向地面传输辐射对生态、生物体会造成多大影响;此外,电站建设对新材料、高效能量转化器件、超大型航天器结构及控制技术等都提出挑战。

不过,虽然困难重重,但支持建设电站的科学家仍保持乐观。今年5月,中科院院士葛昌纯撰文指出,可控核聚变目前仍处于基础科学研究有待突破的阶段,而空间太阳能电站不存在基础科学问题,虽然工程规模巨大,但相关技术经过持续研发是能够在一定时间内取得重要突破的。空间太阳能电站的发展将极大地带动低成本运载、空间大规模建造等空间前沿技术的跨越式发展。



空间太阳能电站概念图 图片来源:《中国科学报》

“雾都”中的空间太阳能电站实验基地

自1969年世界上第一座太阳能发电站在法国建成,人类掌握太阳能发电技术已超过60年。但目前太阳能在地面的利用效率并不高,因为太阳辐射在穿越大气层时,可能遭遇云、雾、雨、雪等各种天气,能量密度波动较大,很不稳定。

例如,位于中国西南部的直辖市——重庆,受地理环境影响,年平均雾日为104天,素有“雾都”之称。而位于重庆西部的璧山区云雾山全年雾日多达204天,堪称“世界之最”。

在这样的地方进行太阳能发电,显然不是明智之举。

但很快,重庆将拥有一项关于“太阳能革命性技术”的实验设施。6月20日,重庆市政府网站发布消息称,全国首个空间太阳能电站实验基地在璧山区正式开工建设(下称:璧山基地),该基地将重点进行空间太阳能发电站、无线微波传能以及空间信息网等技术的前期演示模拟与验证等。

据重庆经信委介绍,璧山基地选址于璧山区福禄镇和平村,地形三面环山,所在地区具有气候湿润、无霜期长、日照多、云雾阴雨少等特点,可以保障实验顺利进行。



重庆市政府网站截图

空间太阳能电站的技术原理并不复杂,就是在地球轨道上建立一个电站收集太阳能,并通过无线能量传输方式向地面提供持续电力的发电系统。这种发电方式不受昼夜、天气、地区纬度等自然因素影响,其电能通过无线方式传输,延伸的无线输能、无线通信等相关技术还可广泛应用于军事和民用领域。

开工两个月后,重庆璧山基地传出新消息。8月16日,中科院主管的《中国科学报》报道称,璧山基地预计年底完工,明年正式开始相关试验。该基地的技术负责人名叫杨士中,他同时是中国工程院院士、重庆大学通信与测控研究所所长。

对于建设空间太阳能发电站的好处,杨士中如数家珍。他曾向外界列举数据称,在日照充足的中国西北地区,一平方米的光伏电池可产生0.4千瓦电力,在“雾都”重庆,仅为0.1千瓦。而在距离地球表面约3.6万公里高度的地球同步轨道上,发电功率可高达10千瓦-14千瓦。

与此同时,在重庆700公里之外的西安,中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩团队也在开展空间太阳能发电相关试验,他们正在建设全球首个空间太阳能电站地面验证中心。段宝岩被外界视为中国天线方面的顶尖专家,此前曾负责500米口径球面射电望远镜(FAST)的总体设计。



位于璧山高新区的无线能量传输及环境影响科学工程项目效果图 璧山高新区供图

实验基地能够开工,肯定在科学界获得了支持。

今年5月11日,中国粉末冶金奠基人之一、中科院院士葛昌纯撰文指出,中国可再生能源开发规模居世界首位,但由于可再生能源的不稳定性,实际发电量占比仅为23.6%。在大规模储能技术取得重大突破之前,仅依靠地面可再生能源取代传统化石能源,提供持续稳定的能源供给还不现实。

他认为,太阳光在太空中不会被大气减弱,也不受季节、昼夜变化影响,可以通过无线能量传输方式向地面提供连续、稳定的清洁能源。而在太空建设太阳能电站是实现太阳能大规模稳定利用的重要方式,也将成为解决未来能源和环境问题的主要战略选择之一。

今年3月,全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩指出,空间太阳能电站发展的核心应用目标,是为地面提供大规模商业化的电力供给。如果中国建成空间太阳能电站,电动汽车或能随时随地充电,不再有“断粮”之忧。

而中国航天科技集团五院研究员王立认为,与化石能源相比,空间太阳能是一种高效、持久、清洁的能源。在宇宙运行的空间太阳能电站可以大规模收集、转化太阳能,并以无线方式将电能稳定传输到地面电网,发电量与地面核电站相当。





中科院官网截图

“远距离无线传能技术”是难关

发电效率高、持久、清洁,不受季节、昼夜变化影响,甚至还能作为深空探测能源系统的候选方案,使航天器摆脱巨大的太阳能电池翼......空间太阳能发电这种“颠覆性技术”,国内十几年前便已展开讨论。

2006年,中国航天科技集团公司组织空间太阳能电站概念研讨会;2011年,王希季、闵桂荣、周炳琨、梁思礼和龙乐豪等多位院士专家提出“发展空间太阳能电站从根本上解决能源和气候变化危机的建议”。

2014年,国家层面组织专家开展“太空发电站发展规划及关键技术体系”论证工作,并提出中国空间太阳能电站发展路线图:

第一阶段是在2030年左右建设兆瓦级空间太阳能试验电站,实现应急供电并开展科学研究;第二阶段是在2050年前具备建设吉瓦级商业化空间太阳能电站的能力,满足国家可持续发展对能源安全的战略需求。其中第一阶段,又分三步走。首先进行关键技术的地面及浮空器试验验证;其次是进行高空超高压发电输电验证;最终进行空间无线传能试验。

经过十几年的讨论,技术原理早已不是问题,路线图也早就提出,为什么现在才开始建设实验基地?主要还是因为空间太阳能电站真正建设起来难度较高,投入成本巨大,因此是否应当发展空间太阳能电站在国内也存在很大争议。



空间太阳能电站概念图

空间太阳能电站的难点之一是无线传输能量技术。

“大功率空地能量传送?一个失误就是烧烤现场。”曾有网友如此评论道。

调侃归调侃。按照设计构想,中国空间太阳能电站将距地面3.6万公里,位于地球的同步轨道上,属于高轨道。而大多数卫星、空间站都在近地轨道上,例如国际空间站一般在距地表300多公里的轨道上运行。而空间太阳能电站的高度是空间站的100多倍。在这样的高度上进行能量传输,难度可想而知。

据《中国新闻周刊》报道,杨士中团队今年8月曾对外表示,太空电站的关键,在于将电从太空以无线的方式稳定地传输到地面电网,因此大功率、远距离无线传能技术的突破是一个必须跨越的难关,比如传输效率是否足够大,波束是否指向规定的接收口径,让误差尽可能缩小。这些技术都要先在浮空平台上做试验,为今后真正的空间太阳能电站打下基础。

目前,空间太阳能电站的远距离无线能量传输载体有微波和激光两种解决方案。相较而言,微波的能量传输效率更高,云层穿透损耗低,安全性较好,且技术相对成熟,因此现行方案多以微波传输为主。



长征八号火箭发射

空间太阳能电站的难点之二,是如何将电站组件发射到3.6万公里高度的地球同步轨道上。目前,人类最大的航天器——国际空间站重400多吨,而一个工业级空间太阳能发电站重达上千吨。因此,专家们也将空间太阳能电站称为航天与能源领域的“曼哈顿工程”。

2019年6月,由国防科技工业局主管的中国航天基金会发文指出,中国目前在研的长征9号重型运载火箭起飞推力达5873吨,最大起飞重量4137吨,能将140吨有效载荷送入近地轨道,同时具备50吨级地球同步轨道运力。以空间太阳能电站最小构型计算也需要发射至少140次,而且需要在两年周期内完成在轨组装,任务要求在一个月内至少发射六次重型火箭,不论是发射难度还是发射成本都无法接受。



中国航天基金会官方微信截图

不仅如此,还要考虑到空间太阳能电站的在轨组装难度。目前,空间站由几个舱段构成,组装时操作太空机械臂就可以实现,接口的控制也不须考虑过多。而太空电站需要组装大量的模块,组装时再采用空间自主交会对接方式将十分麻烦。

长期运行的安全性也是重要问题。首先是设备在太空中的运行安全问题,其次是微波辐射下对生态、大气、生物体等的影响问题。8月17日,《南华早报》援引北京交通大学一个研究小组去年的一项研究,称居民无法居住在距离1吉瓦空间太阳能电站地面接收站5公里范围内。

另外,不得不考虑的还有空间太阳能电站的成本问题。中国三峡水电站的总装机容量是2250万千瓦,截至2019年完工时,累计完成投资1849亿元。而被称作“太空三峡”的空间太阳能电站,按路线图2050年前具备吉瓦级(百万千瓦)发电能力,被传总投资约3000亿元,但真正投资数额目前还无法得知。

不过,中国航天基金会发文称,长征9号的运载能力有望大幅提升,我国在立项阶段就设定了三种型号,分别为拓展型,增强型和热核型,其中热核型为核动力推进装置,能将运载能力直接翻倍,空间太阳能电站的发射次数也减为70次左右,未来再加上火箭回收技术,其发射成本将会大幅下降。

在部分科学家看来,虽然“太空三峡”投入成本巨大,但收益也十分可观。中科院院士葛昌纯撰文称,空间太阳能电站的发展将极大地带动低成本运载、空间大规模建造等空间前沿技术的跨越式发展,为中国进一步和平利用太空、开发空间资源开辟新的空间,推动航天强国梦早日实现。



空间太阳能电站概念图

“太空三峡”实验基地迈出第一步

随着璧山基地开工,中国探索空间太阳能发电技术也算是迈出实质性一步。

官方信息显示,璧山基地项目首期投资约1亿元,总占地面积约200亩。该基地的开工,也标志着重庆重大科技基础设施项目——无线能量传输及环境影响科学工程项目正式开建,该项目总投资约26亿元。

按照设想,空间太阳能电站所发的电,将通过微波传输送回地球。建设璧山基地,就是为了微波传输的前期演示模拟和验证。

据重庆经信委介绍,璧山基地选在一个山凹中建设,在周围的山顶上搭建起四座铁塔,用钢索将发送升空的航空气球和地面连接,进行微波传输的实验。目前航空气球已准备就绪,只待基地建成就可以开始一系列实验工作。



图为璧山空间太阳能实验基地项目鸟瞰图  图片来源:重庆经信委官微

而据《中国科学报》报道,杨士中团队考虑到目前的技术水平及条件受限,直接在3.6万公里的同步轨道做试验还不现实,将先在平流层建立起一个简单的太阳能电站。根据其计划,第一步先将气球放到300米低空开展试验;下一步再让气球升到2千米高空;最后,才会将气球平台升入平流层中。

在组件发射方面,中国科学院院士、中国航天科技集团科技委主任包为民透露,璧山基地将使用太空制造技术。太空制造不仅包括太空组装技术,还包括太空3D打印技术。在太空3D打印技术的加持下,材料能做到极度轻量化,才可能实现利用火箭将它们送往太空。

从目前进度来看,璧山基地有所延期。据重庆经信委介绍,按照2018年的最初规划,2019-2020年为璧山基地建设期,2021-2025年将建设中小规模平流层太阳能电站并实现并网发电;2025年后开始大规模空间太阳能电站系统相关工作。

除此之外在西安,中国工程院院士段宝岩团队正在进行最后的调试。该团队在西安电子科技大学校园内,架起一座75米高的支撑试验塔。在塔中心,距离地面55米高处有四个半球面的聚光装置,每个直径约6.7米。当太阳光射入球形反射面上后,会汇集到一个固定的聚光区,再通过太阳能电池产生直流电,随后转成微波,通过发射天线传输到地面。

考虑到路线图和技术难度,目前留给两个团队的时间并不算多。



西安电子科技大学校园内的试验塔

英美日俄等国均在研究

事实上,空间太阳能电站的构想,早在50多年前就已被提出。

1968年,美国航空航天工程师彼得·格拉塞(Peter Glaser)发表《来自太阳的能量:它的未来》一文,文中提出“太阳能发电卫星”(Solar Power Satellite,SPS)的概念。

格拉塞设想,先在太空建设一个太阳能发电站,再把电能转变成电磁能,通过无线传输发射到地面的接收站,接收站再将电磁能转变回电能,并提供给供电网。



彼得·格拉塞2014年去世

整个20世纪70年代,美国政府投入约5000万美元对此进行研究。直到1979年,设计出全世界第一个具体的概念方案,名为“1979-SPS基准系统”,该计划设想在地球同步轨道上部署60个发电能力各为5吉瓦的太空电站,整个系统算下来需要2500亿美元。

方案一出,引发巨大争议。美国国家研究委员会和国会评价委员会评审认为,该方案技术上可行,但经济上无法实现。此后数年,由于难度大、效率低、成本高,美国对此技术的研究曾一度停滞。

但近年来,美国关于空间太阳能发电的想法逐渐复苏。

据英国《每日邮报》报道,2019年11月5日,美国空军研究实验所宣布,将开发一套带有太阳能电池板的卫星系统,以便在其绕地球轨道飞行时获取太阳能。这些卫星收集的能量随后将被转化为无线电波,并传输到地球表面,在那里将被转化为可用的能源。

2020年5月,阿特拉斯-5型运载火箭(AtlasV)将X-37B太空飞机发射入轨。

据NASA披露,X-37B将为美国空军学院部署小型FalconSAT-8卫星。该卫星携带八个实验项目,其中包括为海军研究实验室进行的一项研究无线电力传输的实验。该实验内容是通过卫星的太阳能板产生电力,并将其作为微波辐射传输到地面。

2021年8月17日,香港《南华早报》报道称,美国空军计划在两到三年内发射卫星,以验证向地球传输能源的关键技术,这些能源将用于为无人机或偏远的军事哨所提供动力。

报道指出,空间太阳能发电技术的潜在应用范围已从电力供应扩展到军事用途。根据一些国防承包商的说法,这种能量束可以瞄准一个移动的威胁,比如高超音速导弹和飞机,或者导致整个城市的通信中断。



太空太阳能阵列结构示意图 图片来源:NASA

除美国外,英国、日本、俄罗斯等国也在研究空间太阳能发电的概念。

由于日本在微波无线能量传输技术研究上一直处于世界领先水平,其表现也最为积极。



日经中文网报道截图

1987年,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)成立太阳能发电卫星研究组;2005年,日本将空间太阳能电站列入国家航天长期发展规划;2009年,日本启动新的微波功率传输研究计划,验证100米距离上传输千瓦级功率的微波功率传输及波束控制技术;2017年,日本宣布要在2050年建成商业化太空电站。

“目前,日本已经实现了50米的微波传输,但这远远达不到空间太阳能电站的要求,我们希望能在璧山,在这个传输距离上有所突破。” 2018年12月,杨士中在接受重庆媒体采访时指出。



图片来源:日经中文网

目前,中国空间技术研究院研究员王立等人已分析提出空间太阳能电站发展需要的9项关键技术:

空间超大型可展开结构及控制技术、空间高效太阳能转化及超大发电阵技术、空间超大功率电力传输与管理技术、无线能量传输技术、轨道间转移技术及大功率电推进技术、空间复杂系统在轨组装及维护技术、大型运载器及高密度发射技术、电站系统运行控制及地面接收管理技术和电站发展的基础材料和器件研究。

四年前(2017年11月),中国航天科技集团公司五院科技委主任李明曾表示,我国在空间太阳能电站方面经过十余年持续研究,已经大幅缩小了与国际先进国家的水平,进入世界前列。如能保持并进一步加大研发力度,中国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。

从璧山基地正式开工来看,中国正按计划推进空间太阳能发电——这项将科幻变为现实的技术。

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发表于 2021-8-19 10:42 | 显示全部楼层
我认为这是太空定向能(激光)武器的能源基地。可以太空之间无线传播,太空中多点布局定向能武器。全天候战略值班!
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