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那么，空間太陽(yáng)能電站將如何建造？它有什么優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)？今天我們就來(lái)深入了解一下。
空間太陽(yáng)能電站概念圖
什么是空間太陽(yáng)能電站
空間太陽(yáng)能電站的概念最初來(lái)自科幻小說(shuō)。美國(guó)科幻小說(shuō)家艾薩克·阿西莫夫在1941年發(fā)表的短篇小說(shuō)《理性》里，就提到一個(gè)從太陽(yáng)收集能量，并用微波束將能量傳輸給不同行星的空間站。
1968年，美國(guó)航空航天工程師彼得·格拉澤首次在學(xué)術(shù)論文中提出了“太陽(yáng)能衛(wèi)星系統(tǒng)”的概念，他當(dāng)時(shí)發(fā)表的論文標(biāo)題是《來(lái)自太陽(yáng)的能量：它的未來(lái)》，刊登在1968年2月22日出版的《科學(xué)》雜志上。1973年，彼得·格拉澤還成功申請(qǐng)到了美國(guó)專(zhuān)利，標(biāo)題為《將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換為電能的方法和設(shè)備》，介紹了在太空中利用衛(wèi)星收集太陽(yáng)輻射并轉(zhuǎn)化為微波能量傳輸?shù)降厍虻姆椒ā?br />
從那之后，美國(guó)、日本、歐洲和我國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的科研機(jī)構(gòu)發(fā)展出了很多在太空中收集太陽(yáng)能并傳輸?shù)降孛胬玫目茖W(xué)概念，國(guó)際上一般將這些概念統(tǒng)稱為“基于太空的太陽(yáng)能電站”，或者叫“空間太陽(yáng)能電站”。
一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的空間太陽(yáng)能電站概念包括3個(gè)要素：能量收集平臺(tái)，能量轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程，能量接收與利用終端。
“能量收集平臺(tái)”就是在太空中收集太陽(yáng)能的航天器，這些航天器可以是在各種軌道上的衛(wèi)星或空間站等。收集能量的手段除了我們大多數(shù)人直觀想到的太陽(yáng)能電池板（光伏發(fā)電）之外，還有將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)為激光能量的技術(shù)路線。當(dāng)然，更直接的方法是，把太陽(yáng)光用鏡面反射或聚焦到地球表面，類(lèi)似于“人造月亮”。俄羅斯在20世紀(jì)90年代就開(kāi)展過(guò)名為“旗幟”的一系列“人造月亮”實(shí)驗(yàn)，但效果不甚明顯，后來(lái)沒(méi)有繼續(xù)深入推進(jìn)研究。
“能量轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程”也存在諸多技術(shù)路線，討論最多的是用微波或激光的方式，將在太空中收集的太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)換成電磁波，然后傳到地球表面。目前，高指向精度的激光傳輸技術(shù)已經(jīng)被用于從衛(wèi)星到地面的激光通信，但是激光在大氣層中的傳輸容易受到云層和降水的影響。而利用微波傳送電力的手段相對(duì)更加成熟，2015年，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和三菱重工就先后宣布成功開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，其中三菱重工將10千瓦的電力通過(guò)天線傳到了500米之外，并且在接收裝置上把微波能量還原成電能，點(diǎn)亮了發(fā)光二極管。
“能量接收與利用終端”一般可以認(rèn)為是地面的接收裝置，當(dāng)然也可以是飛機(jī)、衛(wèi)星甚至月球上需要用電的其他終端?？傮w來(lái)看，地面的微波接收裝置（整流天線）周?chē)陌踩强煽氐?，在地表可以建造圍欄等防止人員進(jìn)入，在飛機(jī)上可以安裝保護(hù)性的金屬外殼（法拉第籠）來(lái)防止乘客受到微波光束照射，此外還需要控制微波束的功率，防止對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)等動(dòng)物造成傷害。也有研究者擔(dān)心長(zhǎng)期用微波照射電離層會(huì)對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生影響，但是還沒(méi)有看到顯著的影響分析。
空間太陽(yáng)能電站的優(yōu)缺點(diǎn)
如果不考慮建設(shè)成本和技術(shù)成熟度問(wèn)題，簡(jiǎn)單來(lái)看，空間太陽(yáng)能電站的優(yōu)勢(shì)包括以下三點(diǎn)：
一是空間太陽(yáng)能屬于綠色清潔和可再生的能源。如果空間太陽(yáng)能電站能夠成熟使用，可以克服化石能源帶來(lái)的各種問(wèn)題，而且不像風(fēng)電、水電，對(duì)地理環(huán)境有特殊要求，也不像核電站需要消耗核燃料、有產(chǎn)生核污染的風(fēng)險(xiǎn)。
二是能源利用效率高。2014年5月，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家司理佐佐木在美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)《頻譜》雜志上發(fā)表的文章《太空中總是陽(yáng)光明媚》對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了很好的解讀。根據(jù)估算，地球大氣可以反射或者吸收55%—60%的太陽(yáng)光，而且地面的光伏發(fā)電裝備還要面臨黑夜、陰天、冬季等光照條件不強(qiáng)的環(huán)境。而在太空中，通過(guò)調(diào)整太陽(yáng)能電池板的姿態(tài)、設(shè)計(jì)合適的衛(wèi)星軌道，可以使空間太陽(yáng)能電站幾乎一天24小時(shí)都持續(xù)發(fā)電。
三是可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離能量傳輸和調(diào)度?？臻g太陽(yáng)能電站利用無(wú)線能量傳輸技術(shù)，可以快速將能量聚焦傳輸?shù)狡h(yuǎn)的環(huán)境，比如海上、沙漠中等缺乏電網(wǎng)設(shè)施的地區(qū)。不僅如此，還可以在飛機(jī)、衛(wèi)星、輪船、深空航天器甚至在其他星球上搭載接收微波能量的天線設(shè)備，讓這些移動(dòng)平臺(tái)在需要時(shí)方便地接收來(lái)自太空的微波能量，實(shí)現(xiàn)“充電自由”。
但是，空間太陽(yáng)能電站也面臨不少困難和挑戰(zhàn)，主要有以下三個(gè)方面：
一是裝備容易受損和老化。太空環(huán)境非常復(fù)雜，環(huán)境輻射強(qiáng)烈，溫度變化劇烈，所以發(fā)電光伏板在太空中的老化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)在地球上的速度（有計(jì)算為比地球上老化快7倍左右）。此外，空間太陽(yáng)能電站需要非常龐大的體積，特別是展開(kāi)的光伏板或者反射鏡面等，因此更容易受到空間碎片的碰撞。
二是難以組裝、建設(shè)和維修。在地面維護(hù)和更換太陽(yáng)能電池板是非常簡(jiǎn)單的事，但是在太空中往往需要通過(guò)遙控機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能電站的組裝和維修。此前美國(guó)曾經(jīng)多次通過(guò)航天員的太空行走，實(shí)現(xiàn)對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（軌道高度在570千米左右）的維修，但是如果在地球同步軌道（3.6萬(wàn)千米）建設(shè)和維修空間太陽(yáng)能電站，其難度和風(fēng)險(xiǎn)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出以往的太空維修任務(wù)。
三是微波傳輸可能干擾通信波段。目前，典型的無(wú)線能量傳輸設(shè)計(jì)是利用在1到10GHz頻率范圍內(nèi)的微波，例如常用的2.45GHz（微波爐的常用頻率）或5.8GHz微波，因?yàn)樵擃l段是大氣微波傳輸?shù)拇翱?，微波能量損耗最小。但是藍(lán)牙、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（WiFi）以及一些特殊的微波通信頻率也在這個(gè)范圍內(nèi)，還有一些天文觀測(cè)可能也會(huì)針對(duì)這個(gè)頻段，這樣就可能產(chǎn)生頻譜干擾問(wèn)題，需要通過(guò)管理協(xié)調(diào)。
空間太陽(yáng)能電站地面接收裝置概念圖
在工程和經(jīng)濟(jì)方面的可行性
冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)對(duì)空間太陽(yáng)能電站建設(shè)做過(guò)許多詳細(xì)計(jì)算，結(jié)論是在經(jīng)濟(jì)上不可行，遠(yuǎn)不如發(fā)展核電站等性價(jià)比高。但是近年來(lái)，情況發(fā)生了變化：一是航天發(fā)射的成本降低了，比如美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的可重復(fù)使用火箭技術(shù)帶來(lái)的效果等。二是航天材料技術(shù)、微電子技術(shù)等飛速進(jìn)步，讓建設(shè)空間太陽(yáng)能電站所需要的材料重量減輕了，衛(wèi)星支撐結(jié)構(gòu)、天線、鏡面、電池板都更加輕薄，還出現(xiàn)了很多輕量化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如薄膜電池等。三是近年來(lái)隨著氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，各國(guó)面臨脫碳的現(xiàn)實(shí)需求，因此發(fā)展新的能源技術(shù)的戰(zhàn)略需求進(jìn)一步增強(qiáng)了。所以，從需求拉動(dòng)、技術(shù)推動(dòng)兩個(gè)方面來(lái)看，空間太陽(yáng)能電站近年來(lái)熱度又有了上升趨勢(shì)。
關(guān)于可行性問(wèn)題，2021年9月，英國(guó)政府網(wǎng)站上發(fā)布了由英國(guó)商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部委托弗雷澤-納什咨詢公司完成的一項(xiàng)研究報(bào)告，總體結(jié)論是，空間太陽(yáng)能發(fā)電在技術(shù)上是可行的，到21世紀(jì)40年代，用衛(wèi)星星座構(gòu)建空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，可以滿足英國(guó)大部分的能源需求。該報(bào)告通過(guò)計(jì)算認(rèn)為，在2040年建設(shè)5個(gè)空間太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電站，平均發(fā)電成本可以降低至50英鎊/兆瓦時(shí)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但是，為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要163億英鎊的開(kāi)發(fā)成本，以及10億英鎊的系統(tǒng)生命周期運(yùn)行成本。而且考慮到開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)會(huì)面臨巨大的時(shí)間成本和風(fēng)險(xiǎn)，私營(yíng)企業(yè)難以承受，因此需要由國(guó)家公共資金來(lái)提供資助。這也是《泰晤士報(bào)》等媒體報(bào)道說(shuō)英國(guó)政府正在考慮投資160億英鎊來(lái)建設(shè)太空發(fā)電站的信息來(lái)源。
我國(guó)空間太陽(yáng)能電站研究進(jìn)展
根據(jù)葛昌純?cè)菏?021年發(fā)表在《中國(guó)科學(xué)報(bào)》上的文章介紹，在國(guó)家有關(guān)部門(mén)支持下，我國(guó)從“十一五”正式開(kāi)始空間太陽(yáng)能電站研究，目前在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)取得了部分重要成果。
2010年，我國(guó)12位院士和百余位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以谥袊?guó)空間技術(shù)研究院舉辦的空間太陽(yáng)能電站技術(shù)研討會(huì)上發(fā)布了我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展路線圖，提出到2030年建設(shè)兆瓦級(jí)小型空間太陽(yáng)能試驗(yàn)電站的“三步走”計(jì)劃：首先開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)的地面及浮空器試驗(yàn)驗(yàn)證，其次開(kāi)展高空超高壓發(fā)電輸電驗(yàn)證，最終開(kāi)展空間無(wú)線傳能試驗(yàn)。該路線圖還提出了到2050年具備建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)空間太陽(yáng)能電站能力的目標(biāo)。
另?yè)?jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2021年8月16日?qǐng)?bào)道，重慶科學(xué)城正在建設(shè)“璧山空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地”，將重點(diǎn)進(jìn)行空間太陽(yáng)能發(fā)電站、無(wú)線微波傳能以及空間信息網(wǎng)等技術(shù)的前期演示模擬與驗(yàn)證。
可以想見(jiàn)，未來(lái)如果相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步成熟，我國(guó)從國(guó)家層面以更大的力度推進(jìn)空間太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展是完全有可能的。
原標(biāo)題：斥資1300億在太空建造太陽(yáng)能發(fā)電站，劃算嗎？
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