太空太陽能的時(shí)代可能要來了！未來的星球大戰(zhàn)或?qū)目臻g太陽能電站打起

太空太陽能的時(shí)代可能要來了！科學(xué)家表示，這個長期的科幻夢想可能在未來十年左右成為現(xiàn)實(shí)。

1． 太空，無落日

光伏發(fā)電的一大障礙就是不連續(xù)。

無論是跟蹤式還是固定式光伏發(fā)電，電池板總是會受到日起日落、晝夜交替、陰晴云雨等影響。太空中光伏發(fā)電最大的好處就是光照強(qiáng)、無遮擋、全天候。

數(shù)十年來，通過功率發(fā)射衛(wèi)星在太空中進(jìn)行光伏發(fā)電的想法一直吸引著研究人員。如今隨著太陽能發(fā)電的廣泛普及，世界各地又開始新的關(guān)注無論是美國和中國，還是日本及歐洲，研究人員都在致力于將太空太陽能發(fā)電變成現(xiàn)實(shí)。你要理解的是這里所說的太空光伏，不是為了衛(wèi)星。

圖1Peter Glaser，太陽能衛(wèi)星概念最早提出者 圖片來源Arthur D． Little Inc．

2． 回顧大想法

無線電力傳輸?shù)南敕梢宰匪莸?9 世紀(jì)末，到 1968 年，美國太空先驅(qū)Peter Glaser 詳細(xì)闡述了太陽能衛(wèi)星的概念并獲得專利。他設(shè)計(jì)了一種使用太陽能電池從陽光中收集能量的新方法，并將能量通過微波發(fā)射到地球上的接收天線（“整流天線”），再將這些微波轉(zhuǎn)換為電能并提供給電網(wǎng)。

為了證明這一想法的可行性，在 1970 年代中期，美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首先成功進(jìn)行了數(shù)十千瓦的微波功率傳輸實(shí)驗(yàn)，從而證明將電能通過微波傳輸是可以實(shí)現(xiàn)的。

2008年，美國和日本在夏威夷兩座相距90英里的海島上，成功實(shí)現(xiàn)了微波級能量的無線遠(yuǎn)距傳輸，這個距離相當(dāng)于從太空軌道傳送能量到地面所要穿透的大氣層厚度。

此后美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室開展SSPIDR太空太陽能增量和示范研究項(xiàng)目，旨在將能量從太空傳輸?shù)降厍?。研究人員用幾個小規(guī)模飛行實(shí)驗(yàn)電池板構(gòu)建原型太陽能配電系統(tǒng)，探索空間發(fā)電及傳輸技術(shù)。

圖2太空太陽能增量和示范研究 （SSPIDR） （圖片來源空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）

在過去的十年中，研究人員取得了令人矚目的進(jìn)步，增加了在未來十年實(shí)現(xiàn)空間太陽能 （SSP – Space Solar Power） 的可能性。

關(guān)鍵是，在對氣候變化的關(guān)注下，各國都在致力于實(shí)現(xiàn)零碳排放，可再生能源是助力零碳排放的重要工具。研究人員表示，鑒于最近的這些進(jìn)展，應(yīng)該重新審視 SSP 作為可持續(xù)能源替代品的長期愿景。

然而實(shí)現(xiàn) SSP 的兩個最大障礙一直是發(fā)射成本和硬件成本，實(shí)現(xiàn)空間發(fā)電需要的衛(wèi)星數(shù)量和系統(tǒng)規(guī)模將是巨大的。

2021年4月，中國宇航學(xué)會空間太陽能電站專委會成立，同年，我國的首個空間太陽能電站在重慶市的璧山片區(qū)已經(jīng)開始建設(shè)，這一整個科學(xué)項(xiàng)目的投資是26億元，將在整個片區(qū)建立起非常完善的基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)會有相應(yīng)的試驗(yàn)場、調(diào)試空間、太空育種區(qū)域以及科教中心。

3． 當(dāng)下新機(jī)遇

最近，科學(xué)家正在將人造巨型星座變成現(xiàn)實(shí)。

SpaceX 提出了Starlink寬帶網(wǎng)絡(luò)，這是一項(xiàng)大規(guī)模生產(chǎn)衛(wèi)星的工作，現(xiàn)在每月生產(chǎn) 30 噸衛(wèi)星，而規(guī)劃是在五年內(nèi)制造 40，000 顆衛(wèi)星，并將其全部發(fā)射。

如果數(shù)萬顆衛(wèi)星能進(jìn)入太空，那將在太空形成一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，太空發(fā)電的低成本硬件路徑就可以成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)模塊化的空間光伏衛(wèi)星進(jìn)入批量生產(chǎn)，就能克服降低成本和降低硬件成本的障礙?！?/p>

在科學(xué)家看來，空間發(fā)電的的經(jīng)濟(jì)性，一直以來從未如此可行，在未來十年內(nèi)很有可能進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。世界各國太空發(fā)射能力的進(jìn)步，2021年美國嘗試在太空中為空間站更換了一組老舊的太陽能電池板；中國的宇航員也出艙為天宮站的太陽翼進(jìn)行了在軌轉(zhuǎn)移，首次嘗試了空間太陽能發(fā)電板的組裝、維護(hù)和服務(wù)。

太陽能電池技術(shù)本身的增長，都讓空間太陽能發(fā)電從夢想到現(xiàn)實(shí)越來越近。中、美、歐等航天領(lǐng)先國家，對空間太陽能發(fā)電的技術(shù)研究正在加速，已準(zhǔn)備好迎接曙光。

據(jù)報(bào)道，中國太空光伏電站將安裝四部走設(shè)想向前推進(jìn)，第一階段2011 － 2020年進(jìn)行太空電站的驗(yàn)證與設(shè)計(jì)，第二階段2021年 － 2025年將建成第一個低軌道空間電站系統(tǒng)，第三階段2026 – 2040年的將發(fā)射太空電站系統(tǒng)并完成組裝，第四階段2036 － 2050年將正式實(shí)現(xiàn)電站商業(yè)運(yùn)營，設(shè)計(jì)壽命30年。

如果順利，中國光伏人將有幸在未來幾年內(nèi)見證中國低軌道空間太陽能電站系統(tǒng)的成功發(fā)射、安裝和運(yùn)行。

4． 未來天體電

在科學(xué)家看來，光伏行業(yè)的未來電從天上來。

美國航天研究所所長James Michael Snead創(chuàng)造了“天體電”一詞來描述空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生并傳輸?shù)碾娏Α?/p>

世界需要石油和天然氣的替代品，即將到來的“天體電時(shí)代”時(shí)，就可以幫助維持人類的工業(yè)生活水平。

科學(xué)家設(shè)想在22世紀(jì)期間，大約 20％ 的電力來自陸地核能和可再生能源，另外80％ 的電力將由“天體電”提供。

據(jù)英國一家領(lǐng)先系統(tǒng)、工程和技術(shù)公司稱，天基太陽能可以幫助英國到 2050 年實(shí)現(xiàn)凈零排放。

一般的想法是開發(fā)從地球發(fā)射并在地球靜止軌道上自主組裝的空間太陽能電站，但在科學(xué)家看來，建造所需的數(shù)千個 SSP 平臺需要進(jìn)行大量的太空工業(yè)化工作，預(yù)期到本世紀(jì)末將有超過 100 萬人在太空中參與。

5． 太空搶位戰(zhàn)

“正如過去 80 年來對中東石油的軍事、經(jīng)濟(jì)和外交控制對世界事件產(chǎn)生了重大影響一樣，對太空太陽能發(fā)電平臺的控制將在本世紀(jì)主導(dǎo)外層空間活動，”美國航天研究所所長Snead已經(jīng)從政治、外交和國家能源安全的角度考慮未來的空間太陽能發(fā)電。

Snead 認(rèn)為，如果 SSP 在本世紀(jì)晚些時(shí)候成為現(xiàn)實(shí)，那么美國軍方將被要求保護(hù)和捍衛(wèi)這些新的國家能源安全來源，就像它今天保護(hù)波斯灣的石油基礎(chǔ)設(shè)施一樣。

Snead 建議，首先美國需要搶占并建立在整個地月系統(tǒng)中運(yùn)行的“占星學(xué)”基礎(chǔ)設(shè)施。地球上空的太空面積就這么大，數(shù)萬顆衛(wèi)星的布局不只是布置在本國上空，像美國這樣的全球霸凌，必須具備像現(xiàn)在的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)一樣的空間太陽能發(fā)電基站，以供其全球軍事設(shè)施的用電需求。

在 2020 年 5 月發(fā)射的最新任務(wù)中，美國太空軍的機(jī)器人X－37B 太空飛機(jī)攜帶光伏射頻天線模塊飛行實(shí)驗(yàn) （PRAM－FX），旨在將太陽能轉(zhuǎn)化為射頻微波能量，評估陽光到微波轉(zhuǎn)換的性能。

此外，如果太空中到處都是太陽能發(fā)電空間站，必然會造成空間資源短缺、擁堵到相撞，并影響其它衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)營。

未來的星球大戰(zhàn)，或許就將從空間太陽能電站打起。

原創(chuàng)No．2131；轉(zhuǎn)載需連續(xù)授權(quán)