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中國搶先建設太空太陽能發電站突破歷史
2022/06/23 22:42
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中國搶先建設太空太陽能發電站突破歷史

 


一、在太空建設太陽能發電站是人類的歷史突破

    海峽兩岸的科技發展差距愈來愈大,兩岸領導人的視野及胸襟相差也愈來愈大,《自然》網站發表的世界各國科研排名,台灣第21名慘輸給中國大陸的第2名,中國政府非常了解西方國家對氣候變遷改善的重視,因此在新能源轉變中大力發展太陽能及風力發電等可再生能源,這兩項清潔能源都取得世界第一的好成績。在太陽能光伏產業,中國已佔據全球的統治地位。產業鏈最上游的矽料產能佔到全世界的2/3,矽片佔到97%以上。電池片的產能佔到80%多,組件的產能占到了全世界3/4以上。但是太陽能在地面的利用率其實並不高,易受到天氣、時段等影響,同時能量密度變化巨大,很不穩定,但太空中的太陽能卻非常充裕。如果人類能在太空中建造太陽能發電站,則電動汽車將可隨時隨地充電非常方便,這是能源使用的大突破,而中國早已展開太空太陽能發電站的研發。如果在3.6萬公里高度的地球同步軌道上建設太陽能電站,太陽光不會被大氣削弱,也不受季節、晝夜變化影響,99%的時間內可穩定接收太陽輻射,且其強度是地面的6倍以上。與化石能源相比,太空太陽能是一種高效、持久、清潔的能源。太空太陽能電站可以無線方式將電能穩定傳輸到地面電網。太空太陽能發電站還可為宇宙飛船供電,使航天器擺脫巨大的太陽能板。中國自2008年起就將太空太陽能發電站研發工作納入國家先期研究規劃。近年來,提出了平台非聚光型、二次對稱聚光型、多旋轉關節以及球型能量收集陣列等空間太陽能電站方案,同時在無線能量傳輸等關鍵技術方面取得了重要的進步。2019年,中國首個空間太陽能電站實驗基地在重慶啟動建設,名為“逐日工程”的空間太陽能電站系統項目也在西安電子科技大學啟動。

    自1969年世界上第一座太陽能發電站在法國建成,人類掌握太陽能發電技術已超過60年。但目前因為太陽輻射在穿越大氣層時,可能遭遇雲、霧、雨、雪等各種天氣,能量密度波動較大,很不穩定。中國在重慶西部建設了首個空間太陽能電站實驗基,該基地將重點進行空間太陽能發電站、無線微波傳能以及空間信息網等技術的模擬及驗證。與此同時,在重慶700公里之外的西安,中國工程院院士、西安電子科技大學教授段寶岩團隊也在開展空間太陽能發電相關試驗,他們正在建設全球首個空間太陽能電站地面驗證中心。段寶岩被外界視為中國天線方面的頂尖專家,此前曾負責500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)的總體設計。中科院院士葛昌純指出,中國可再生能源開發規模居世界首位,但由於可再生能源的不穩定性,實際發電量占比僅為23.6%。但太陽光在太空中不會被大氣減弱,也不受季節、晝夜變化影響,可以通過無線能量傳輸方式向地面提供連續、穩定的清潔能源。2014年,國家層面組織專家開展「太空發電站發展規劃及關鍵技術體系」論證工作,並提出中國空間太陽能電站發展路線圖:第一階段是在2030年左右建設兆瓦級空間太陽能試驗電站,實現應急供電並開展科學研究;第二階段是在2050年前具備建設吉瓦級商業化空間太陽能電站的能力,滿足國家可持續發展對能源安全的戰略需求。

   據報導,英國政府也在考慮一項160億英鎊的在太空建造太陽能發電站的提議。天基太陽能發電站涉及太陽能發電衛星——配備太陽能電池板的巨大航天器。這些面板發電通過高頻無線電波傳輸到地球。地面天線將無線電波轉換為電能輸送到電網。軌道上的天基太陽能發電站每天24小時被太陽照射可持續發電。預計到 2050 年,全球能源需求將增長近 50%,太空太陽能電可能是幫助滿足世界能源的關鍵之一。天基太陽能發電站基於模塊化設計,太陽能電池板的重量被認為是一個早期的挑戰。但這已通過開發超輕型太陽能電池得到解決。如果我們成功地建造了一個天基太陽能發電站,它的運行也面臨著一些實際挑戰。太陽能電池板可能會被太空碎片損壞。此外,太空中的面板不受地球大氣層的保護。暴露在更強烈的太陽輻射下意味著它們的降解速度將比地球上的更快,這將降低它們能夠產生的能量。無線電力傳輸的效率是另一個問題。遠距離傳輸能量很困難的,只有一小部分收集的太陽能會到達地球。美國的太空太陽能發電項目正在開發高效太陽能電池以及優化用於太空的轉換和傳輸系統。美國海軍研究實驗室於 2020 年在太空測試了太陽能組件和電力轉換系統。同時,中國宣布其璧山太空太陽能站取得進展,目標是到 2035 年擁有一個正常運行的系統。隨著技術的進步,太空發射和製造成本將穩步下降。太空太陽能能否幫助我們到 2050 年實現淨零排放仍有待觀察。

二、空間太陽能電站的難點

 

   中國的太空太陽能電站將距地面3.6公里,位於地球的同步軌道上,屬於高軌道。在這樣的高度上進行能量傳輸,難度可想而知。太空電站的關鍵在於將電從太空以無線的方式穩定地傳輸到地面電網,因此大功率、遠距離無線傳能技術的突破是一個必須跨越的難關,這些技術都要先在浮空平台上做試驗。目前,空間太陽能電站的遠距離無線能量傳輸載體有微波和雷射兩種解決方案,微波的能量傳輸效率更高,雲層穿透損耗低,安全性較好,且技術相對成熟,因此現行方案多以微波傳輸為主。空間太陽能電站的第二個難點是如何將電站組件發射到3.6萬公里高度的地球同步軌道上。長期運行的安全性也是重要問題。首先是設備在太空中的運行安全問題,其次是微波輻射下對生態、大氣、生物體等的影響問題。隨著璧山基地開工,中國探索空間太陽能發電技術也算是邁出實質性一步。據《中國科學報》報導,考慮到目前的技術水平及條件受限,直接在3.6萬公里的同步軌道做試驗還不現實,將先在平流層建立起一個簡單的太陽能電站。根據其計劃,第一步先將氣球放到300米低空開展試驗;下一步再讓氣球升到2千米高空;最後,才會將氣球平台升入平流層中。在組件發射方面,璧山基地將使用太空製造技術。太空製造不僅包括太空組裝技術,還包括太空3D列印技術。在太空3D列印技術的加持下,材料能做到極度輕量化,才可能實現利用火箭將它們送往太空。

 

    事實上,太空太陽能電站的構想,早在50多年前就已被提出。整個20世紀70年代,美國政府投入約5000萬美元對此進行研究。但美國國家研究委員會和國會評價委員會評審認為,該方案技術上可行,但經濟上無法實現。但近年來,美國關於空間太陽能發電的想法逐漸復甦。據NASA披露,X-37B將為美國空軍學院部署小型FalconSAT-8衛星。該衛星攜帶八個實驗項目,其中包括為海軍研究實驗室進行的一項研究無線電力傳輸的實驗。報導指出,太空太陽能發電技術的潛在應用範圍已從電力供應擴展到軍事用途。其實日本在微波無線能量傳輸技術研究上一直處於世界領先水平,但目前在許多技術強國的發展路線圖中,日本已經落後,2015年,日本研究人員進行了55米距離的微波無線能量傳輸實驗,驗證了基於5.8GHz頻率、固態源和相控陣系統的傳輸,然而,日本的測試系統仍然不是一個完整的環節,缺乏從光到電的過程,日本的技術優勢集中在從發射天線到接收天線的鏈路上。而中國西安電科大建設的地面驗證系統是一個全鏈路的全系統系統,實現了從跟踪太陽、聚光、光電轉換、微波發射到微波接收和整流的全過程。

三、最新進展

   2022年6月14日中國西安電子科技大學宣布已經成功測試了使太空太陽能發電站能夠向地球傳輸能量的技術,類似於美國宇航局早些時候宣布並在過去十年中被其他團體研究的類似技術。由陝西省西安電子科技大學段寶艷領導的“每日工程”團隊稱已設定2028年在太空建設太陽能發電廠的目標。該項目是 OMEGA 或 Orb-Shape Membrane Energy Gathering Array 的一部分,這是一項於 2014 年首次宣布的基於太空的太陽能提案。該團隊稱“全球首個全鏈路、全系統空間太陽能電站地面驗證系統順利通過專家組驗收。”,太空太陽能發電廠的研究目前是世界的一個熱點,包括美國宇航局的 SPS-ALPHA,或通過任意大型相控陣項目的太陽能衛星。美國航天局在十年前宣布該項目時表示,SPS-ALPHA 是一種“應對太空太陽能挑戰的仿生方法”,如果成功有可能用數以萬計的小元素建造巨大的平台它可以通過無線電力傳輸向地球市場和太空任務提供遠程且經濟實惠的電力。中國西安電子科技大學稱已完成一個可以為太空太陽能鋪平道路的地面陣列的測試和檢查。西安電子科技大學的研究人員於今年6月5日成功測試了“世界上第一個全鏈路和全系統太陽能發電廠”。該工廠是一座75 米的鋼結構,位於西安電子科技大學南校區,配備了五個不同的子系統,旨在促進天基太陽能電池陣列的最終發展。理論上講,衛星可以連續收集來自太陽的光子,使用光伏電池將它們轉化為電能,然後將電能以微波的形式無線傳送回地面的接收器。

天基太陽能發電站可以迴避地球上太陽能收集的問題,但就像大多數基於太空的解決方案一樣,除了一些冒險的技術和安全障礙之外,主要問題是發射這些衛星和建造太空太陽能收集器的成本。作為天基太陽能發電站分階段開發的一部分,中國正計劃在未來十年內在不同軌道高度進行太陽能發電和傳輸測試。中國主要的國有航天器製造商中國空間技術研究院(CAST)計劃於 2028 年在近地軌道上進行“空間高壓傳輸和無線電力傳輸實驗” 第一階段測試。該衛星能夠產生10千瓦電力,並攜帶一個太陽能電池陣列、微波發射天線、一個低功率激光傳輸有效載荷、一個發射陣列,並在距軌道 400 公里的距離內進行電力傳輸測試。2030年將進入第 二 階段,發射到地球靜止軌道,需要在距地球 35,800 公里的距離上進行準確的能量傳輸。第二次任務將產生高達1兆瓦的功率,具有更大的傳輸陣列和中等功率的激光功率傳輸,並且需要在軌組裝。第3和第4階段,即 2035 年和 2050 年,每個階段都需要在發電量、軌道組裝能力、波束控制精度和傳輸架構方面進行極具挑戰性的測試。CAST 在 2021 年表示,它正在努力在 2022 年進行小規模發電測試,有可能在 2030 年左右建成兆瓦級發電設施。它正在重慶建設測試設施,以支持其天基太陽能研究。


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