空間太陽能電站的構想正在逐步變?yōu)楝F實。在近日召開的2021年空間技術和平利用(健康)國際研討會空間動力和地面能源論壇上,與會專家一致認為,空間太陽能電站有可能為應對世界能源危機提供一種環(huán)保的解決方案,再過10-15年,空間太陽能相關技術研究將會取得突破。
當前,空間太陽能電站研究主要聚焦在哪些領域,空間太陽能電站建設還需要破除哪些障礙?
全球研發(fā)提速
空間太陽能電站是上世紀60年代,美國科學家提出的一項太陽能利用方案:通過衛(wèi)星從太空捕集太陽能、轉換成微波能量,以一種安全、穩(wěn)定的無線能量傳輸方式傳到地面站,通過地面站把接收的微波能量轉化為電能后接入電網。
經過50多年的發(fā)展,空間太陽能電站離我們越來越近。國際宇航科學院秘書長讓·米歇爾·康坦告訴記者:“為了實現不受季節(jié)、晝夜變化等影響的太陽能發(fā)電,我們進行了很多研發(fā)和測試,研究如何使用地球之外的清潔能源。目前,空間太陽能電站概念已經在現實中得到了重要發(fā)展?!?/span>
記者采訪獲悉,空間太陽能發(fā)電技術(SPS)吸引了中國、美國、日本、韓國、英國、俄羅斯、法國、澳大利亞、歐空局等國家和組織的興趣。美國在上世紀70年代提出第一個空間太陽能電站系統(tǒng)方案概念——1979SPS基準系統(tǒng),2012年提出了“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽能電站”;日本將發(fā)展空間太陽能電站正式列入宇宙基本計劃,在微波無線能量傳輸技術領域的研究世界領先,規(guī)劃在2050年后建設商業(yè)化空間太陽能電站;英國進行技術及經濟性評估后,于今年9月正式發(fā)布了《國家空間戰(zhàn)略》,明確提出應當發(fā)展空間太陽能電站,為英國提供一種潛在的零排放能源。
“中國在空間太陽能發(fā)電技術相關研究中提出了創(chuàng)新的多旋轉關節(jié)以及球型能量收集陣列等空間太陽能電站方案,同時在無線能量傳輸等關鍵技術方面取得了重要的進步。如今我們研究的薄膜太陽能電池可應用在空間太陽能發(fā)電技術當中,發(fā)電效率可達30%?!睋袊詈綄W會空間太陽能專業(yè)委員會主任委員李明介紹,目前,我國正在建設兩個實驗基地,一個是2018年開始在重慶建立的“空間太陽能電站實驗基地”,預計2022年7月完成基礎設施建設;另一個實驗基地是在西安建立的“空間太陽能電站全鏈路地面演示驗證系統(tǒng)”。
我國空間太陽能電站研究實現了從“跟跑”到“并跑”。按照我國專家提出的空間太陽能電站發(fā)展建議,2025年,我國將開展中小規(guī)模浮空器能量傳輸試驗,此后將逐漸開展空間太陽能電站關鍵技術在軌驗證工作,2035年開始建設兆瓦級空間太陽能試驗電站。
挑戰(zhàn)大于機遇
在業(yè)內人士看來,隨著可重復運載技術的發(fā)展大幅降低發(fā)射成本,空間太陽能電站先進方案設計和關鍵硬件技術取得突破,制約空間太陽能電站發(fā)展的技術經濟障礙有望克服,“不過,目前挑戰(zhàn)仍大于機遇?!?/span>
“美國和世界其它地區(qū)都在研究可重復使用的低成本發(fā)射裝置,未來的成本可降低90%,遠低于傳統(tǒng)的運載火箭。此外,隨著技術的發(fā)展,未來航天器硬件成本也有望降低90%。這些研究表明,過去一直阻礙空間太陽能電站事業(yè)的成本障礙基本消除?!眹H宇航科學院十年空間太陽能評估主席、國際宇航聯合會空間能源委員會主席約翰·曼金斯表示。
“技術上的挑戰(zhàn)主要來自三個方面。”李明告訴記者,“一是無線能量傳輸。地球同步軌道對地面進行無線能量傳輸要求高功率、高效率和高精度。我們已在地面上做了很多實驗,目前的能量傳輸精度可達到約0.1度,但仍然還有很長的路要走,因為實際要求是0.0005度。二是空間高功率發(fā)電及電力傳輸管理,在空間開展高壓、高功率、遠距離的傳輸,對現有的技術來說均是巨大的挑戰(zhàn)。三是電站的組裝與控制。由于空間太陽能電站不能直接發(fā)射,需要把模塊發(fā)射到軌道,在太空中進行部署和組裝?!?/span>
在業(yè)內人士看來,效率是空間太陽能電站應用最核心的問題,總效率必須要達到10%以上,才具備實用價值。提升三個環(huán)節(jié)的效率是未來研究的關鍵:一是太陽能轉化成電能再轉化為微波;二是微波從36000公里的高度傳輸到地面,這中間有一些空間傳輸的損失;三是地面電站接收微波后,轉化成直流電。提升這三個環(huán)節(jié)的效率,是未來研究的關鍵。
標準尚待制定
業(yè)內人士認為,除了技術和經濟性以外,空間太陽能電站的發(fā)展還涉及到許多政策、法律和標準問題?!翱臻g太陽能電站采用的頻率如何確定,允許的微波功率密度是多少,如何考慮無線能量傳輸的安全性以及不對其他設施造成干擾,空間太陽能電站的軌道參數以及互聯方式等諸多標準尚需明確?!庇鳩razer-Nash咨詢公司太空業(yè)務負責人、空間能源倡議聯合主席馬丁·索爾陶表示。
另外,如何保證空間太陽能電站不會產生太空垃圾,報廢時間如何確定,報廢后怎么來處理等,均需國際標準化組織制訂標準。
為了達到零碳排放的目標,世界對于發(fā)展新型清潔能源的需求日益迫切,隨著航天技術的快速進步,空間太陽能電站作為一種新型太陽能大規(guī)模開發(fā)方式正在迎來良好的發(fā)展機遇,未來10-20年,將成為關鍵技術突破和實現應用的重要時期。
(文章來源:中國能源報)