将太阳能发电站搬上太空,以微波形式传回地球,这会是终极能源?

原标题:将太阳能发电站搬上太空,以微波形式传回地球,这会是终极能源?

煤炭石油资源的有限性,以及各国对减少碳排放的共识,使得地球上几乎每个国家都在争先恐后地寻求能源变革的方式。但随着可再生能源变得越来越流行,我们意识到它并非没有缺陷。太阳能和风力发电场导致栖息地丧失,一定程度上扰乱生态环境系统,甚至影响天气。那么,我们该如何解决呢?

我们中国的解决方案之一是将太阳能发电站送入轨道,全天候收集强大的太阳能,然后将其无线传输回地球

据悉,由西安电子科技大学段宝彦院士领导的“逐日”团队宣布,“天基太阳能”(space-based solar power,SBSP)发电站的地面验证系统已于本月初通过验收,也意味着距离我们从天际取得能源的方式又近了一步。

想象变成现实?滚滚电能天上来!

俗语有说,想象力往往是创新科技之母。1941年,科幻小说艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)发表了短篇小说《理性》,他在书中首次描述了人类可以在太空中收集太阳能并进行无线传输的概念。随后在1968 年,美国航空工程师彼得·格拉斯(Peter Glaser)将这个概念具体化,首次提出了“太空太阳能电站(space solar power station,SSPS)”详细计划,也就是当今中日美英等国如火如荼研究的“天基太阳能”发电技术。

在格拉斯的设想中,他设计了一个面积达50平方公里的太阳能电池板阵列,预计每块电池板能产生上千瓦的能量。然后利用火箭将这些电池板送入地球同步轨道,再由宇航员在太空中组装,最后由长达1公里的微波天线将太阳能传回地球。

这个“太空太阳能”设想在 1970 年代引起了相当大的关注,而且当时光伏电池、卫星技术和无线电力传输等技术都已基本实现。

如果仔细想想,将太阳能发电站送入太空是有道理的。在地球上,大气、云层和夜幕降临都阻碍了太阳能电池板,大大降低了它们的能量输出。因为太空中没有臭氧层,所以光线也更强大,具有更多的高能紫外线。卫星在太阳下的时间也更长。例如,地球同步轨道上的卫星(当卫星以与地球自转相同的速度运行时,卫星在天空中看起来是静止的)每天只会在地球的阴影中停留 14.4 分钟,所有这些加起来使太空中的太阳能电池板产生的功率是地球上的 40 倍。

但太空太阳能发电站的好处不仅限于提高效率。

首先,太空太阳能减少了栖息地的丧失,因为不需要腾出一大片的荒野来建造太阳能发电站。毕竟地球各地的栖息地已经在与破碎化和生物多样性急剧下降作斗争,因此这对于太空太阳能发电来说是一个相当大的优势。

另外地球上的太阳能发电站需要超大尺寸并配备大型电池才能发挥作用。这是因为由于云和夜间,它们不会始终以峰值输出运行。因此,为了全天持续生产 10 兆瓦的电力,太阳能发电场的总额定输出功率需要在 25 兆瓦至 30 兆瓦左右,并且需要与数兆瓦时的巨型电池配对。这样一来,它就可以在日照高峰时段产生超过所需的产量,将其储存起来,然后在光线较暗的时候释放出来。

但这里会有一个问题。太阳能电池板和电池在制造过程中会产生大量二氧化碳,尽管它的危害可能远小于化石燃料,但这种二氧化碳对环境的影响对地球来说仍然很重要。更重要的是,获取太阳能电池板和电池原材料所需的密集采矿对环境产生了巨大影响,例如重金属的排放会污染地下水位和造成大量栖息地丧失。

然而,太空太阳能电站几乎恒定的输出和增加 40 倍的总功率意味着我们需要更少的太阳能电池板,几乎不需要电池。所以它的碳排放和生态影响会小得多。

从本质上,太空太阳能电站是一颗卫星,主要由太阳能电池板组成,将电能传送到地球上的一个收集站。相对地面上的太阳能发电站,不需要安装和维护大规模的基础设施,也不占用土地,只需发射另一颗卫星并在需要电源的地方安装接收器。

因此,太空太阳能似乎是完美的能源解决方案。

如果太空太阳能这么好,为什么至今没有建成呢?

主要有两个原因。从历史上看,将这样一个发电站送入轨道的成本是天文数字,使其在商业上不可行。NASA曾在1974 年主导过相关研究,太空太阳能发电在技术上是可行的,但当时的成本估计表明,高昂的发射成本、卫星维护费用以及未知的安全风险使得设备达到第一千瓦时的成本可能高达一万亿美元。

即使现在有了可重复使用的运载火箭,发射一个太空太阳能发电站的成本依然不低。按照目前一块一平方米的太阳能电池板重10斤计算,最终建成的太空太阳能发电站仍将重约 2000 吨。这里可以参考一下英国构思的于2040年落成的太空太阳能发电站计划方案,成本逾 160 亿英镑,其中有90亿英镑是发射成本。

还有就是将太阳能传回地球的方式:激光或微波功率传输

激光似乎是一个好主意,因为它们可以有针对性且高效。但问题是大气会通过散射光线来阻碍它们,从而降低效率。云层也可以阻断传输,因此不可能获得几乎恒定的功率。相反,你可以看看微波能量传输。它们不会受到大气或云层的影响,这意味着它们不会受到恶劣天气的干扰,并且具有令人难以置信的高传输效率。有人说高达 98%,但是它们需要卫星携带真正巨大的天线,这些天线很难在卫星上进行包装和维护,而且这项技术还没有在太空中以高功率水平进行测试。这意味着,在实践中,效率可能要低得多。

天基太阳能发电,中国领先!

尽管“天基太阳能”发电技术理论自1968年问世后一直处于“空中楼阁”的状态,因其高昂的成本被搁置40多年。但它本身是一个集航天、能源、半导体等诸多领域技术项目,随着技术的进步,天基太阳能又被拎了出来。

NASA在2012年提出“SPS-ALPHA”技术,旨在采用1 颗由较小元件组成的天基卫星将电能传输回地球。随后印、俄、英、法等国科学家加入研究行列。2年后,中国科学家提出“OMEGA”计划,全称为“球形膜能量收集阵列(Orb-Shape Membrane Energy Gathering Array)”,属于天基太阳能发电计划的一部分。

据西安电子科技大学发布的声明,75 米高的“钢塔”(OMEGA地面验证系统)在本月上旬通过验收,其原理是吸收的阳光被光伏电池阵转化为直流电,然后经过振荡器等模块转化为微波,以无线传输形式发射到接收天线,最后接收天线将微波再次转换成直流电,供给设备。

由于OMEGA大幅推进研发的进度条,我国将提前两年(2028年)推出一个微型原型版本,以验证微波功率传输技术。这颗小卫星将搭载一个 10 千瓦的太阳能电池阵列,并在距离轨道400公里的高度运行。如果顺利,我们将在2030年发射一个1兆瓦的天基太阳能发电站到地球同步轨道(高度大约是35800公里)验证精确的能量传输技术。到2035年、2050年继续测试,希望天基太阳能发电站的能量达到10兆瓦和2吉瓦的输出。

结语:

坦白说,虽然太空太阳能的输出能量相比核聚变发电算不了什么,而且可能不一定能成,甚至10年后也未必实现高功率微波的远距离传输。但如果太空太阳能成功实现,那么它可能会改变地球能源游戏规则,并且改变我们在太空的未来。所以让我们祈祷这项卓越的技术能够实现……返回搜狐,查看更多

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