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中国太阳能

 
太空太阳能电站人类获取能源的新途径

 

所属栏目:能源专题 加入时间:2008年10月8日11:11

    太空太阳能电站是利用卫星技术,在太空把太阳能转化成电能,然后以某种方式传回地球供人类使用的系统。一旦建成,就成为一种“取之不尽”的洁净能源。我国“神七”的“太空漫步”试验,从长远来看,太空行走是我国从太空获取能源的关键技术步骤。 

    太空太阳能电站 

    是人类获取能源的主要方向 

    “公元2307年,化石燃料已经枯竭,人类开始使用大规模太空太阳能发电系统作为新的能量来源,但是从中受惠的只不过是一部分大国以及它们的盟国……”这是日本著名科幻小说《机动战士高达》中的开篇语。 

    在军事领域,太阳能对军用航天器具有不可替代的作用。以应用卫星为主的航天系统在通信、导航定位、预警、军事气象等诸多方面都有着不可替代的作用,在未来战争中更将成为决定胜负的举足轻重的因素。然而,这些担负军事任务的航天器(卫星、飞船、空间站、航天飞机等航天器)不可须臾离开电能来维持其正常工作。由于航天器本身自带的电池迟早要耗尽,因此太阳能就成为航天器得以正常工作的不可缺少的能源。美国国家安全太空办公室(NSSO)则对太空太阳能的军事用途感兴趣。太空发电站传输回地球的微波束较为集中,因此如果给战场上的士兵配发接收天线,他们就能随时用微波对设备充电。另外,太空太阳能也能为边远地区的军事基地提供便利。而在这些地区,传统供电方式每度电的成本在1美元以上。 

    在宇宙空间,太阳光线不会被大气减弱,太阳光的辐射能量十分稳定。因而在静止轨道上建设的太阳能电站,一年有99%的时间是白天,其利用效率比在地面上要高出6~15倍。再有太空太阳能电站的发电系统相对来说比地面简单,而且在无重量、高真空的宇宙环境中,对设备构件的强度要求也不太高。 

    随着全球变暖和能源短缺问题日益紧迫,向太空要能源愈发迫切。美国五角大楼在2007年10月的报告中则明确指出,和“向下钻取能源”一样,“向上钻取能源”的工作必须立即着手开始。 

    国外发达国家重视开发太空太阳能 

    随着科学技术的进步,在外太空进行试验发电的国家有美、日、法、德、俄和乌克兰等,其中大多采用微波传送方式,只有德国采用激光传送。而今,欧洲国家在非洲留尼汪岛建造的一座10万千瓦试验型微波输电装置,已于2003年向当地村庄送电;而日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000,其2050年结束试验进入规模运行,该项目已排入日本航天计划。 

    太空太阳能发电站的想法最初在1968年由美国麻省里特咨询公司的工程师彼特·格拉泽提出。虽然太空发电站的大规模建设有望一举解决温室气体排放和能源短缺问题,但美国在20世纪70年代进行了初步研究后还是放弃了这种想法,因为其建设成本高得惊人。即使在今天,仅将一颗这样的太阳能卫星送进太空就需要1万亿美元,而在太空建发电站至少需要十几颗这样的卫星。高昂的成本,让人类不得不望而却步。 

    虽然在太空建设发电站的计划暂时搁置,但人类探索太空太阳能的脚步却从未停止。美国太空太阳能专家约翰·曼金斯说,近年来太阳能领域的三大技术突破可使太阳能卫星的大小和成本降到可接受的水平,现在曼金斯的可控能源技术公司则是太空太阳能领域研发的领头羊。

他解释说,首先与20世纪70年代相比,如今的太阳能电池的效率提高了4倍,因此所需的电池板的面积可大大缩小。其次,微波传送技术也大大提高,利用固定装置就能使微波光束实现精确指向,而不再需要旋转天线。因此可以用体积小、组装简便的模块天线替代原来1公里长的天线。最后,机器人可以替代宇航员在太空中完成组装工作。2007年10月,美国五角大楼国家安全太空办公室(NSSO)悄然推出一份研究报告,建议美国政府在未来10年投入100亿美元建造一颗能将10兆瓦太阳能传回地球的试验卫星,并为下一步私人参与开发此技术提供经济激励。这就是被称为太空太阳能发电站的研究项目。由美国国家航空和航天局与国家能源部建造的世界上第一座太阳能发电站,最近将在太空组装,不久将开始向地面供电。根据美国科学家预测,到2025年,美国有可能在太空建造100座太阳能电站,将会满足美国全国30%的电力。 
    20世纪80年代,日本也已展开太空太阳能相关研究。而日本宇宙航空研究开发机构与日本经产省共同资助1200万美元的太空太阳能十年计划也即将结束第一阶段的研究。日本采取的激光传输,利用静止轨道上的反射镜将收集到的太阳光转换为激光,再传输到地面。由于激光与太阳光不同,不易发散,因此能够进行远距离传输。而在地面,日本科学家准备使用光电转换装置将接收到的激光转换为电力,直接用来分解海水制造氢气。在微波传输方面,日本科学家希望将位于静止轨道上的太阳能电池发出的电力转换为微波传输到地面,在地面再将接收到的微波重新转换为电力。为了使微波能更高效地在大气中传输,他们准备使用不受云、雨等气象条件影响的频宽带,目前备选的有专门用于产业、科学和医疗领域的2.45GHz带和5.8GHz带。 

    “这项研究的目的很明确,就是为化石燃料的枯竭和全球变暖这些人类共同面临的难题提供一个解决的方案。”这个项目的负责人JAXA高级任务研究中心的铃木拓明如是说。今后他们的研究重点将放在寻找可以高效地将阳光转换为激光的材料方面,目前最有可能被选用的是一种添加了钕和铬的钇铝石榴石晶体。 

    据称,在太空太阳能发电系统初步建成后,将采取微波和激光两种方式共同进行传输,微波系统包括薄膜集光镜、太阳能电池板、微波传送天线等设备,长度有数公里,重量至少1万吨。而激光系统至少需要在太空中设置100个,以形成阵列,总重达500吨,长度10公里。此外,在地面上还需要设置长度至少2公里的微波接收天线。日本计划在2030年之前把太阳能发电卫星发射到地球静止轨道上,通过这些卫星每年将100万千瓦(相当于一所大型核能发电站的发电量)的能量传输到地球。 

    日本的计划实施起来并不容易,除了技术之外,最主要的就是费用问题。建造这样规模的设施据估计至少需要几百亿美元。但随着技术的不断成熟,太空太阳能发电的费用也会降低,争取可将每度电的价格限制在7日元(约合0.448元人民币)。如果真能达到这个目标,太空太阳能发电的价格将与目前用其他方式发电的费用相当,确实非常经济,颇具吸引力。 

    中国具有开发太空太阳能的潜力 

    近年来,虽然我国在发展地面太阳能可再生能源方面做了大量的工作,但利用规模还十分有限,发展空间太阳能发电技术、解决太阳能的大规模利用问题才是我国发展的主要方向。 

    作为空间太阳能发电的主要关键技术,WPT(WirelessPowerTransmission)在能量传输方面起重要作用。

我国在雷达技术研究、应用方面具有一定基础,激光技术也已成熟。微波技术、激光技术在许多方面得到了应用,表明我国在WPT技术上已具有相当基础,如对WPT在输能的功率、效率与精度控制等方面进行技术攻关,应用于空间电站的WPT技术一定会很快成熟起来。 
    作为空间电站的能量转换器件——太阳能电池应具有较高的转换效率、重量体积比功率以及较强的抗辐照、抗衰退能力,同时要成本低、寿命长,便于安装。我国研制太阳能电池始于1958年,目前约有38个研究生产单位从事光伏研究与发展工作。生产能力超过5.5MW/年。另有两条空间用硅太阳能电池生产线,产品大部分是单晶硅太阳能电池组件。我国光伏发电首先应用于空间,已经发射的大多数卫星均采用硅太阳能电池供电。 

    目前我国实用性单晶硅电池效率可达15%,多晶硅电池超过10%,非晶硅电池也超过6%。砷化镓电池的实验室效率可达21%,批量生产可达18%。随着效率的提高,各种新工艺、新结构的出现,太阳能电池的比功率、抗辐照、抗衰退能力也将进一步提高。我国已具备了太阳能电池的技术基础与空间应用能力。 

    在空间技术基础方面,要建设太空太阳能电站,除发展载人航天、空间站技术外,应同时或首先研究空间遥控机器人技术。另外,为了降低太空太阳能电站的建设成本,应重点降低运输成本,提高有效载荷,同时研究其他各种运输技术,如电子推进器、磁悬浮火箭、可重复使用的运载器等。尽管就我国的目前空间技术水平相比还存在许多差距,但就空间工业基础来讲,我国已具备建设太空太阳能电站所需空间技术的潜能。

出处:中国太阳能
作者:中国太阳能
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