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太空電站:解決人類能源危機的終極出路?

2021-08-05 10:13來源: 中國新聞周刊編輯:遙城
  太空電站:解決人類能源危機的終極出路?
  中國新聞周刊記者/霍思伊
  發于2021.8.2總第1006期《中國新聞周刊》
  有沒有一種“一勞永逸”的辦法,可以徹底解決人類的能源危機?
  地球上所有的能源都來自太陽,無論是煤炭、石油、天然氣等化石能源,還是水、風、太陽能等清潔能源,都與太陽有關。化石能源帶來大氣污染且很快將耗盡,風、光和水能并不穩定,實際發電量占比僅為23.6%。在大規模儲能技術取得重大突破之前,僅依靠可再生能源提供持續穩定的能源供給也不現實。
  那么,可不可以在太空建一座電站,直接吸收太陽能并轉化成電能,再傳輸到地球?這就是“空間太陽能電站”(簡稱“太空電站”)。中科院院士葛昌純于2021年5月撰文指出,空間太陽能電站與可控核聚變電站被認為是兩種最有可能的終極能源解決途徑。但可控核聚變目前仍處于基礎科學研究有待突破的階段,而空間太陽能電站不存在基礎科學問題,雖然工程規模巨大,但相關技術經過持續研發是能夠在一定時間內取得重要突破的。他預計,在本世紀下半葉,中國將會形成空間太陽能發電產業,成為中國能源基礎設施的重要組成部分。
  眼下,中國正朝著這一目標邁出第一步。2021年6月18日,在重慶市西邊的璧山區福祿鎮和平村,璧山空間太陽能電站實驗基地宣布正式開工建設。很快,一個50~300米高的浮空平臺將從璧山升起,這是一個中小規模的氣球陣,科學家們會嘗試先從這個高度往地球輸電,下一步則是平流層,距離地面有22公里。
  到太空去逐日
  太陽輻射在穿過地球大氣層時,可能遭遇云、霧、雨、雪等各種天氣現象,云層會反射大部分太陽光,因此長年多云的地區可接收到的太陽能總是不足,這就是大氣對太陽能的衰減作用。
  因此,和地面太陽能電站相比,太空電站的最大優勢是它的穩定性。中國工程院院士、重慶大學通信與測控研究所所長楊士中指出,由于大氣層衰減,地面太陽能電站可產生的電力有限,有很明顯的區域差異。比如,在日照充足的中國西北地區,一平方米的光伏電池可產生0.4千瓦電力,在霧都重慶,僅為0.1千瓦。但在距離地球表面約3.6萬公里高度的地球同步軌道上,發電功率可高達10千瓦~14千瓦。在太空中,既可以完美避開大氣層的衰減,也不受晝夜、季節影響,99%的時間內可以穩定地接收太陽輻射,可以全天候大規模發電,發電效率是地面的幾十倍。
  太空電站的遠距離無線能量傳輸載體有微波和激光兩種,相較而言,微波的能量傳輸效率更高,云層穿透損耗低,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。
  1968 年,美國彼得·格拉賽博士首次提出太空電站的構想。整個20世紀70年代,美國政府投入了約5000萬美元對此進行研究,直到1979年,設計出全世界第一個具體的概念方案,名為“1979-SPS基準系統”。在當時的全球石油危機大背景下,美國宇航局(NASA)與能源部是以21世紀全美一半的發電量為目標進行設計,計劃在地球同步軌道上部署60個發電能力各為5GW(百萬千瓦)的太空電站,整個系統算下來共需要2500億美元。
  方案一出,就引發巨大爭議。美國國家研究委員會和國會評價委員會的評審認為,該方案技術上可行,但經濟上無法實現。此后數年,由于難度大、效率低、成本高,美國對此的研究曾一度停滯。但從2007年起,美國國防部國家安全空間辦公室成立了空間太陽能電站研究組,認為太空電站可以為遠程基地供電,在軍事上有很大的潛在需求。
  2011年,國際宇航科學院(IAA)發布了首份對太空電站可行性和前景分析的國際評估報告,報告的主要撰寫人之一、曾在NASA負責太空項目多年的約翰·曼金斯在報告發布會上自信地說:“最終,學院的判斷是空間太陽能電站不僅在技術上是可行的,并且在未來30年內也會在經濟上可行。
  日本在微波無線能量傳輸技術的研究上一直處于世界領先水平,因此在發展太空電站上有天然優勢,是第一個將開發商業化太空電站正式列入國家航天計劃的國家。2017年,日本公布了最新的發展路線圖,要在2050年建成商業化太空電站。
  然而目前,除日本2015年3月在兵庫縣進行過一次無線供受電系統實驗外,在全世界范圍內,只有中國真正進入地面驗證階段,而其他國家還停留在概念構想階段。
  楊士中是璧山項目的技術負責人。他對《中國新聞周刊》指出,太空電站的關鍵,在于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,比如傳輸效率是否足夠大,波束是否指向規定的接收口徑,讓誤差盡可能縮小。這些技術都要先在浮空平臺上做試驗,為今后真正的太空電站打下基礎。璧山項目占地約200畝,總投資約26億元,目前到位投資為1億元。
  “我們每次發射一顆新的衛星,都要先在高空的氣球或飛機上測試,也借此把一些技術問題、科學問題研究明白,然后再用火箭把衛星打上去,璧山實驗的作用也是如此。”楊士中解釋道。
  與此同時,在西安電子科技大學的校園內,由該校教授、中國工程院院士段寶巖組成的團隊正在進行最后的調試。段寶巖是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。和璧山浮空平臺的功能類似,西電在校內架起了一個75米高的支撐試驗塔。
  段寶巖對《中國新聞周刊》介紹,試驗塔上安裝了聚光鏡、光電轉換系統和發射天線,可以在50~60米的高度上向地面進行無線傳輸,目前已經基本建成。這就是西電“逐日工程”的一部分,它在2018年12月,與璧山項目同時啟動。
  航天與能源領域的曼哈頓工程
  中國對太空電站的正式研討始自2006年。當年7月,中國航天科技集團公司組織進行了一場概念研討會。曾參加會議的中國空間技術研究院(五院)的一位太空電站專家對《中國新聞周刊》回憶說,最早是國內的一家民營企業、來自山西的普蘭德電力技術有限公司注意到了這件事,向國防科工局提交了相關提議。領導層很重視,將其交給中國航天科技集團作初步研究和評估,很快,就有了上述研討會。
  經過前期多次的調研與論證,2014年,中國太空電站的發展規劃及路線圖出爐,分為兩大步和三小步:在2030年左右先建設一個兆瓦級(1兆瓦)的小型太空電站,到2050年再擴展升級到GW(百萬千瓦)級,也就是兆瓦級的1000倍。
  構想中的太空電站距離地面的高度達到3.6萬公里,位于地球的同步軌道(GEO)上,屬于高軌道。而大多數衛星、空間站都在近地軌道上,比如國際空間站一般在距地表300多公里的軌道上飛行,太空電站的高度是空間站的100多倍。在這樣絕無僅有的高度上進行能量傳輸,挑戰非常大。
  前述五院專家指出,空間太陽能電站是一個非常龐大的系統工程,其重量、尺度方面遠超現有航天設施,因此人們將其稱為航天與能源領域的“曼哈頓工程”。一個小型的兆瓦級電站的重量,就已經比現在大多數的國際空間站要大,還要考慮到在軌組裝的難度,和空間站的建設相比,根本不是一個量級。一個空間站也就由幾個艙段構成,在組裝時太空機械臂就可以實現,接口的控制也不須考慮過多。但太空電站需要組裝大量的模塊,組裝時不能再采用現在的空間自主交會對接方式,未來,需要設想一套新的空間組裝系統,盡可能讓接口簡化,也需要大量的空間機器人參與。
  “想象一下數千個模塊被發射到天上,先進入低軌,再推進到高軌,然后釋放,再組裝,整個過程的復雜程度肯定遠超我們的想象。”他說。
  根據路線圖,在建設兆瓦級的第一階段,具體分三步走,先進行關鍵技術的地面及浮空器試驗驗證,也就是璧山項目與西電的“逐日工程”正在進行的工作,其次是進行高空超高壓發電輸電驗證,最終進行空間無線傳能試驗。
  多位受訪專家對《中國新聞周刊》都表示,目前,日本、美國和中國等國都計劃在2050年前后實現“逐日”,但由于所需資金巨大,在第二階段,是否能按期完成計劃還有待觀察。
  “從技術本身而言,沒有卡脖子的制約要素,關鍵在于大家有沒有信心、愿不愿意去投入。如果加大投入的資金,也有可能提前完成計劃,但根據目前的進展來看,可能會延遲一些。”五院的專家這樣說。
  從APLHA到OMEGA
  在西電校園內,一座巨大的三角形塔平地而起,周圍的教學樓在其映襯下顯得格外“低矮”。在塔的中心,距離地面55米高的地方,有四個半球面的聚光裝置,每個直徑約6.7米,這是聚光式太空電站的核心。當太陽光射入球形反射面上后,會匯集到一個固定的聚光區,再打入光伏電池并產生直流電,隨后轉成微波,通過發射天線傳輸到地面。
  這是段寶巖團隊獨家設計的OMEGA方案在地面的全鏈路演示過程。
  自美國設計出“1979-SPS基準系統”之后,國際上已經提出了幾十個不同的太空電站概念方案,可以分為非聚光式和聚光式兩大類型。最早的1979方案是經典的非聚光式,即照射過來的太陽光即時被轉化成電能,再轉成微波發射出去,但這個過程中,最大的難點是如何同時實現“兩個定向”,即在轉動中,電池陣必須一直對著太陽,發射天線始終對地,就像衛星一樣。
  前述五院專家解釋說,由于太空電站的體量太過龐大,且結構復雜,這么大的質量,要讓它轉動起來滿足“兩個定向”,同時還要傳電,這對于總體控制系統的要求極高。
  近年來,聚光式太空電站成為國際上的研究熱點。2012 年,約翰·曼金斯提出了ALPHA方案,全稱是“任意相控陣空間太陽能電站”,整個結構被設計成一個“酒杯”,通過“酒杯”杯身內部弧形反射面的設計,使射入光集中到底部的三明治結構上,在這里,太陽能電池陣、電力傳輸與管理系統,以及微波發射天線三部分被集成為一體。現在,太陽電池陣和天線集成在一起的三明治結構始終對準地面,不用再轉動,只需要將聚光系統設計成可以調整的結構即可,但這一設計也將非常復雜。
  前述五院專家認為,聚光式方案目前雖然很熱,但綜合技術難度更大,相比之下,非聚光式方案更有現實可行性,只需要解決大功率導電旋轉關節的技術難題,對此,五院已布局展開相關研究。
  但在段寶巖看來,非聚光的最大問題是效率較低,因此,聚光式方案將會是未來的發展方向。今年內,他們團隊預計會完成OMEGA的地面驗證試驗,如果驗證通過,在傳輸效率和功質比上都有不錯的數據,下一步,就是考慮如何將它“升空”。
  中科院院士、“兩彈一星”元勛王希季曾有一個論斷:發展空間太陽能電站將帶來前所未有的、影響深遠的改造客觀世界的重大變革。在解決能源問題之外,多位專家指出,研發太空電站更重要的意義是可以帶動整個航天領域空間技術的全面進步,比如在軌大型結構制造能力、人類利用空間能力,以及具有非常多應用場景的微波傳輸能力。
  前述五院專家指出,小到空間站的建設,大到月球探測、火星移民,有充足的供電是基本條件。太空電站建成后,對人類開發太空也將起到巨大幫助。
  《中國新聞周刊》2021年第28期
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