太空还能建发电站?

苏南 中国能源报   2021-12-01

空间太阳能电站的构想正在逐步变为现实。在近日召开的2021年空间技术和平利用(健康)国际研讨会空间动力和地面能源论坛上,与会专家一致认为,空间太阳能电站有可能为应对世界能源危机提供一种环保的解决方案,再过10—15年,空间太阳能相关技术研究将会取得突破。


当前,空间太阳能电站研究主要聚焦在哪些领域,空间太阳能电站建设还需要破除哪些障碍?


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全球研发提速



空间太阳能电站是上世纪60年代,美国科学家提出的一项太阳能利用方案:通过卫星从太空捕集太阳能、转换成微波能量,以一种安全、稳定的无线能量传输方式传到地面站,通过地面站把接收的微波能量转化为电能后接入电网。


经过50多年的发展,空间太阳能电站离我们越来越近。国际宇航科学院秘书长让·米歇尔·康坦告诉记者:“为了实现不受季节、昼夜变化等影响的太阳能发电,我们进行了很多研发和测试,研究如何使用地球之外的清洁能源。目前,空间太阳能电站概念已经在现实中得到了重要发展。”


记者采访获悉,空间太阳能发电技术(SPS)吸引了中国、美国、日本、韩国、英国、俄罗斯、法国、澳大利亚、欧空局等国家和组织的兴趣。美国在上世纪70年代提出第一个空间太阳能电站系统方案概念——1979SPS基准系统,2012年提出了“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”;日本将发展空间太阳能电站正式列入宇宙基本计划,在微波无线能量传输技术领域的研究世界领先,规划在2050年后建设商业化空间太阳能电站;英国进行技术及经济性评估后,于今年9月正式发布了《国家空间战略》,明确提出应当发展空间太阳能电站,为英国提供一种潜在的零排放能源。


“中国在空间太阳能发电技术相关研究中提出了创新的多旋转关节以及球型能量收集阵列等空间太阳能电站方案,同时在无线能量传输等关键技术方面取得了重要的进步。如今我们研究的薄膜太阳能电池可应用在空间太阳能发电技术当中,发电效率可达30%。”据中国宇航学会空间太阳能专业委员会主任委员李明介绍,目前,我国正在建设两个实验基地,一个是2018年开始在重庆建立的“空间太阳能电站实验基地”,预计2022年7月完成基础设施建设;另一个实验基地是在西安建立的“空间太阳能电站全链路地面演示验证系统”。


我国空间太阳能电站研究实现了从“跟跑”到“并跑”。按照我国专家提出的空间太阳能电站发展建议,2025年,我国将开展中小规模浮空器能量传输试验,此后将逐渐开展空间太阳能电站关键技术在轨验证工作,2035年开始建设兆瓦级空间太阳能试验电站。



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挑战大于机遇



在业内人士看来,随着可重复运载技术的发展大幅降低发射成本,空间太阳能电站先进方案设计和关键硬件技术取得突破,制约空间太阳能电站发展的技术经济障碍有望克服,“不过,目前挑战仍大于机遇。”


“美国和世界其它地区都在研究可重复使用的低成本发射装置,未来的成本可降低90%,远低于传统的运载火箭。此外,随着技术的发展,未来航天器硬件成本也有望降低90%。这些研究表明,过去一直阻碍空间太阳能电站事业的成本障碍基本消除。”国际宇航科学院十年空间太阳能评估主席、国际宇航联合会空间能源委员会主席约翰·曼金斯表示。


“技术上的挑战主要来自三个方面。”李明告诉记者,“一是无线能量传输。地球同步轨道对地面进行无线能量传输要求高功率、高效率和高精度。我们已在地面上做了很多实验,目前的能量传输精度可达到约0.1度,但仍然还有很长的路要走,因为实际要求是0.0005度。二是空间高功率发电及电力传输管理,在空间开展高压、高功率、远距离的传输,对现有的技术来说均是巨大的挑战。三是电站的组装与控制。由于空间太阳能电站不能直接发射,需要把模块发射到轨道,在太空中进行部署和组装。”


在业内人士看来,效率是空间太阳能电站应用最核心的问题,总效率必须要达到10%以上,才具备实用价值。提升三个环节的效率是未来研究的关键:一是太阳能转化成电能再转化为微波;二是微波从36000公里的高度传输到地面,这中间有一些空间传输的损失;三是地面电站接收微波后,转化成直流电。提升这三个环节的效率,是未来研究的关键。



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标准尚待制定



业内人士认为,除了技术和经济性以外,空间太阳能电站的发展还涉及到许多政策、法律和标准问题。“空间太阳能电站采用的频率如何确定,允许的微波功率密度是多少,如何考虑无线能量传输的安全性以及不对其他设施造成干扰,空间太阳能电站的轨道参数以及互联方式等诸多标准尚需明确。”英国Frazer-Nash咨询公司太空业务负责人、空间能源倡议联合主席马丁·索尔陶表示。


另外,如何保证空间太阳能电站不会产生太空垃圾报废时间如何确定报废后怎么来处理等,均需国际标准化组织制订标准。


为了达到零碳排放的目标,世界对于发展新型清洁能源的需求日益迫切,随着航天技术的快速进步,空间太阳能电站作为一种新型太阳能大规模开发方式正在迎来良好的发展机遇,未来10—20年,将成为关键技术突破和实现应用的重要时期。


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