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2028年中國將興建太空太陽能發電站
2022/12/04 15:30
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2028年中國將興建太空太陽能發電站



一、在太空建設太陽能發電站是人類的歷史突破

   天基太陽能 (Space-based solar power, SBSP) 是指使用太陽能衛星(帶有太陽能電池板的巨大航天器)收集太陽能的軌道系統。太陽能被轉換成微波或激光,然後全天通過高頻無線電波無線傳輸到地球上的一個固定點。一旦到達地面,整流天線或整流天線會將電磁能轉換為電能,並將其輸送到電網供能源消費者使用。SBSP 的主要優勢是其非常高的能量收集,且不受天氣或一天中時間的影響,它可以為衛星和生活在全球偏遠社區和受災地區的人們提供清潔、可靠和高效的能源。根據俄羅斯衛星網報導,中國大陸計劃在2028年開始在太空建造世界上第一個太陽能發電站,中國將發射一顆衛星測試從太空到地面400公里的無線電力傳輸技術。該衛星將把太陽能轉化為微波或激光,並將能量光束定向到各種目標。據美國《太空新聞》報導,中國空間技術研究院計劃開展太空太陽能發電技術實驗,可能成為清潔能源劃時代的突破,也是中國在全世界擴大影響力的有力工具。中國將於2035年建設一座10MW的發電站,最終在2050年建成一個2GW的發電站。這個電站將有1公里寬的巨大太陽能電池板,這意味著需要具備在太空組裝大規模基礎設施的能力,中國能獨立建設空間站已具備組裝技術,依據南華早報報導,中國的天宮空間站在太陽能電站項目中發揮關鍵作用,為高壓電氣設備提供測試平台,助力超大型結構組裝。中國的空間站將加入從太空收集太陽能並將其以高能微波束的形式發送到地球的項目。中國的西安電子科技大學已經建成了一個空間太陽能發電站的地面驗證系統,據《太空新聞》報導,這一驗證系統突破並驗證了高效率聚光與光電轉換、微波轉換、微波發射與波形優化、微波波束指向測量與控制、微波接收與整流等多項關鍵技術。如果中國成功實現空間太陽能發電,它將獲得許多優勢:(1)中國將成為綠色能源技術的領導者(2)發展此類技術將使中國成為一流航天大國(3)空間太陽能相關產業將使中國在相關領域佔據主導地位。最後,空間太陽能發電站將成為“一帶一路”倡議的重要組成部分,該倡議旨在通過基礎設施投資將中國與大部分發展中國家聯繫起來。

   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。

二、中國集團宣布天基太陽能測試成功

   太空太陽能發電的觀念起源於航天工程師先驅彼得·格拉澤1968年的創新想法,就是收集太空中陽光能量並通過微波將其傳送到地球。全球各地的研究人員都在研究,而中國首先宣布天基太陽能測試成功。中國西安電子科技大學宣布,他們已經成功測試了一項技術,該技術將使太空太陽能發電廠能夠向地球傳輸能量,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”團隊於6月14日發表聲明稱,該團隊已設定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。研究小組表示他們在 6 月 5 日驗證了成功的測試,聲明稱“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。”,該驗證系統突破並驗證了高效聚光與光電轉換、微波轉換、微波發射與波形優化、微波束指向測控、微波接收與整流等多項關鍵技術,和智能機械結構設計。美國宇航局的SPS-ALPHA計畫也是一種利用太空太陽能發電的方法,如果成功可用數以萬計的小元素建造巨大的平台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 10 到 1000 兆瓦的電力。西安電子科技大學的示範電站通過捕獲陽光並將其轉換為微波束來工作。然後它通過空氣傳輸到地面接收站,在那裡它可以轉換回電能。儘管模型站的光束發送距離僅55米,但研究人員認為該技術可以擴展以將能量從軌道太陽能電池板發送到地球。自從1969年法國建成世界上第一座太陽能發電站,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,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%。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,可通過無線能量傳輸方式向地面提供連續、穩定的清潔能源。中國的太空太陽能電站將距地面3.6萬公里,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,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。事實上,太空太陽能電站的構想早在50多年前就已被提出,20世紀70年代,美國投入約5000萬美元對此進行研究,但美國認為該方案技術上可行,但經濟上無法實現。據NASA披露,X-37B將為美國空軍學院部署小型衛星,該衛星攜帶八個實驗項目,其中包括研究無線電力傳輸的實驗。

三、最新天基太陽能發電站進展

   中國的目標是2028年在低地強軌道(LEO)進行天基太陽能測試,2030年在地球靜止軌道(GEO)進行測試。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”。該衛星將能產生 10千瓦的電力,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2階段,發射到地球靜止軌道距地球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和傳輸、軌道組裝能力、波束控制精度和傳輸架構方面進行挑戰性的增長。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,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。在SBSP競爭中處於領先地位的是中國和美國,近來中國對 SBSP 的興趣日益濃厚,已成為該領域的領頭羊。中國已將SBSP 與實現中華民族偉大復興聯結起來。人類實現SBSP只是時間問題,未來將有可能開創清潔能源的新時代,協助深空探索計劃,並為月球基地和月球表面作業提供能源。SBSP可在電力短缺、停電或地方或國家能源基礎設施受到攻擊的情況下用作備用能源。

開發SBSP並非沒有技術,主要障礙是製造和運輸等方面的高成本,以及對輸電基礎設施進行大量投資的潛在需求。其他需要考慮的挑戰是無線電力傳輸的效率、太陽能電池板對空間碎片的脆弱性以及對環境和人類的影響。鑑於私營公司對該領域的興趣不斷增加以及技術進步,預計成本將下降。中國似乎正在以更快、更協調的步伐前進,中國已是全球清潔能源競賽的競爭者,並擁有雄心勃勃的太空計劃,如果它在美國和世界其他國家之前開發 SBSP,它可能會成為領先的太空大國。這可能導致SBSP成為中國“一帶一路”倡議的重要組成部分,北京向其他國家提供這種形式的清潔能源,同時提供促進經濟發展和互聯互通的機會。在更廣泛的背景下,對開發 SBSP 的興趣增加可能會將競爭的地緣政治領域擴展到太空。美國和中國在地球上日益激烈的競爭已經導致了在太空中實現科學和經濟霸權的競爭計劃,包括太空能源、採礦、製造和武器。或許更重要的是,由於爭奪軍事主導權,太空軍事化程度不斷提高。中國在2019年的白皮書強調了解放軍空軍在太空中日益重要的作用, 最近的一份報告指出,中國現在擁有協調太空戰爭的技術、硬件和知識。為了進一步支持太空雄心,中國已將其運營太空團隊規模增加了70%。中國希望在2027年前建立月球基地,美國計畫在2025年建立月球基地。SBSP在太控競賽中扮演很重要的腳色。

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