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中国有望建造全球第一个太空供电局
2017-12-07来源:界面新闻
         韩沁珂


图片来源:视觉中国

          在不久的将来,你所用的电或可能来自宇宙供电局。

        日前,中国航天科技集团公司五院科技委主任李明研究员向《科技日报》表示,“经过十余年持续研究,中国在空间太阳能电站方面已经大幅缩小了与国际先进国家的水平,进入世界前列。如能保持并进一步加大研发力度,中国有望成为世界首个建成有实用价值空间太阳能电站的国家。”

        空间太阳能电站即一种用来收集、转化空间太阳能,并以无线电波的形式将电能传输到地面电网的发电系统。该类电站的发电功率可达1-5GW,发电量与地面核电站相当。


空间太阳能示意图图片来源:JAXA

        与地面电站相比,空间太阳能电站的太阳能电池板可以直接接触太阳光而不受大气阻隔,据日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)估算,位于太空中的太阳能电池板所接受的太阳光强度为地面上的1.4倍。同时,空间太阳能电站可以摆脱昼夜和天气影响,实现24小时不间断供电。最关键的是,该电站不受电网限制,可以通过无线电波直接向有用电需求的地区供电。

        早在1968年,美国工程师彼特·格拉斯就提出了空间太阳能电站概念。在格拉斯的设想中,人们用火箭将总面积约50平方公里的太阳能电池板阵列送入地球同步轨道,并在太空中完成组装工作。电站建成后,电池板将通过不断调整角度以确保电池板时刻面对太阳。


美国国家航空航天局(NASA)在上世纪90年代的技术基础上构想的空间太阳能发电站图片来源:JAXA

        在过去的50年间,包括美国、日本、俄罗斯、欧盟和中国等多个国家的研究人员一直在论证空间太阳能发电技术的可行性,并试图解决一系列建造空间太阳能电站必须面对的难题,例如,如何进行无线电波传输和接收,如何确保无线电波传输的准确性,如何使空间电站发出无线电波与地面的网格状天线保持同步。


NASA在2011年提出的空间太阳能发电站构想示意图图片来源:JAXA

        2008年,美国和日本两国的科研人员取得了突破,他们在夏威夷两座相距90英里的海岛上,成功实现了微波级能量的无线远距传输,这个距离相当于从太空轨道传送能量到地面所要穿透的大气层厚度。

        去年年底,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)也成功完成了能量传输模拟实验,研究人员从高约200米的塔顶向地面上一个直径仅为1厘米的圆形目标发射高能量激光束,并成功击中目标。该实验的成功证实了无线电波的管理和控制是可行的。

        另外,JAXA计划在明年实现无线电波电能输送的太空测试,即用一个小卫星在地球低轨道向地面的微波接收器发送几个千瓦的能量。JAXA方面表示,希望在2021年实现100kW的传输,到2028年实现200MW传输。


JAXA用于能量传输模拟实验的高塔图片来源:JAXA

        随着无线电波传输与接收技术取得突破,包括轻质建材、全自动计算机系统在内的卫星技术的提升,以及太阳能电池板光电转换效率的提高,空间太阳能电站成为现实。

        目前,日本政府已经发起了太阳能电站项目,由JAXA主导。按照JAXA在2014年公布的规划,日本计划耗资2万亿日元(约合210亿美元),在地球静止轨道上建造年装机规模约1GW的商业空间太阳能电站,该项目预计将在2030年完成。

        2011年,专家对于空间太阳能电站预估造价还在3000亿-10000亿美元左右。

        同时,曾在JAXA任职的教授佐佐木(Suzumu Sazaki)还表示,日本计划在东京湾海港建造一个3公里长的人造岛屿。这座岛屿将布设50亿个天线,用于传输和接收来自空间太阳能电站的微波能量并将其转换成电能。


JAXA提出的空间太阳能电站构想示意图图片来源:JAXA

        就中国而言,自2008年起将空间太阳能电站研发工作纳入国家先期研究规划。近年来,提出了平台非聚光型、二次对称聚光型、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。

        除了技术,空间太阳能电站的建设、运营还需要巨额的投资、广阔的市场以及环境、政策等因素配合,综合多方因素,各国纷纷把目光投向中国,认为中国应该在该领域发挥重要的牵引作用。中国航天科技集团公司五院研究员王立曾对《科技日报》表示,“在航天领域,中国载人航天、深空探测、重型运载火箭、空间站等技术与国际先进水平相比,还存在较大的差距。”

        但同时,王立也表示“要建设航天强国,除了在上述方面要缩小差距,还应寻找其他战略制高点。选项有限,但现在正有这样一个机遇摆在面前。”他认为,应该通过国家立项的方式,将中国正在进行空间超高压发电输电、高效无线能量传输、超大型空间结构在轨装配等关键技术研究的机构和高校集合起来,从而推动研发进度。
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