葛昌纯院士:让空间太阳能助力“一带一路”

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空间太阳能发电站的终极目标是在任何时间,能向地球上任何地点直接供电。除此之外,其潜在应用价值主要有:作为大型空间能源基地,为空间活动提供动力;作为无线能源可以转化为热能直接用于重点地区的冰雪消融,以及促进植物生长等。

空间太阳能发电的示意图

目前,由中国提出的“一带一路”经济合作倡议已经得到了国际范围的广泛认同和积极响应,推进“一带一路”建设离不开新型能源的发展。要为“一带一路”提供重要能源保障,建议将“空间太阳能发电及其关键材料与关键技术的研究”列为国家“十三五”计划的重大科技专项。

你敢想吗?太空建个发电站

“一带一路”呼唤能源革新

将无比巨大的太阳能电池阵放置在地球轨道上,组成太阳能发电站,太阳能发电装置将太阳能转化成为电能。1968年美国科学家彼得·格拉赛首先提出了建造空间太阳能电站的构想,其基本思路是:将无比巨大的太阳能电池阵放置在地球轨道上,组成太阳能发电站,将取之不尽、用之不竭的太阳能转化成数千兆瓦级的电能,然后将电能转化成微波能,并利用微波或无线技术传输到地球。

2015年3月28日,国家发展改革委、外交部、商务部联合发布了《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》,该行动的重点合作内容就包括积极推动水电、核电、风电、太阳能等清洁、可再生能源合作。由此可见,“一带一路”作为重要的新型经济合作模式,它的发展和推动离不开能源领域的合作和发展。

能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式,并利用天线向地面发送能束。有资料称,从理论上说,在阳光充足的地球静止轨道上,每平方米太阳能能产生1336瓦热量,如果在地球静止轨道上部署一条宽度为1000米的太阳能电池阵环带,假定其转换效率为100%,那么,它在一年中接收到的太阳辐射通量差不多等于目前地球上已知可开采石油储量所包含的能量总和。

众所周知,能源问题一直是影响社会发展的基础问题。据估计,包括化石能源在内的所有能源大约仅能供人类使用二三百年。能源短缺以及大量使用化石燃料造成严重环境污染的问题会严重地制约人类社会经济的发展及国家的安全。

地面接收系统接收空间太阳能电站发射来的能束,再通过转换装置将其转换成为电能。整个过程经历了太阳能-电能-微波-电能的能量转变过程。空间太阳能电站的建造和运行过程还需要包括大型的运载系统,空间运输系统,及复杂的后勤保障系统。

因此,积极发展水电、核电、风电、太阳能等清洁、可再生能源已经成为世界各国首要的发展目标。目前,作为一劳永逸地解决人类能源危机的终极能源,人们公认的只有两个:其一,是在地面上建立核聚变发电站;其二,是在空间建立太阳能发电站。特别是当建立核聚变发电站能否在50年内实现核聚变能发电商业化尚存在着争论的情况下,空间太阳能发电站(Space
Solar Power
Station,SPSS)在技术上有可能在20~30年内实现商业化的预测对人们有巨大的吸引力。

我国空间太阳能电站发展“四步走”设想

1968年,美国的Peter
Glaser博士提出了建立空间太阳能发电站的大胆设想,为人类解决能源与环境问题指出了一个重要方向。虽然目前SSPS计划还没有实现,但是人们已经越来越深刻认识到,现代社会必须由依赖化石燃料转变为依靠天然能源以保护地球环境,实现可持续发展。SPSS的基本构想是在地球同步静止轨道(位于赤道上空36000公里的圆形轨道)卫星上安装大面积太阳能电池,将太阳能转化为电能,然后通过微波技术将太阳能转换为微波,并传输到地面,通过地面接收装置再将微波束能转变为电能。此外,在地球同步轨道卫星上也可直接将太阳能转变成激光束,传输到地面,然后转变成电能或通过电解海水转变成氢作为能源。

目前,国内空间太阳能电站研究还处于刚刚起步的阶段。在中国空间技术研究院主办的空间太阳能电站发展技术全国研讨会上,与会专家提出了我国空间太阳能电站发展“路线图”。概括起来主要分为四个发展阶段:

SSPS的终极目标是在任何时间,能向地球上任何地点直接供电。除此之外,其潜在应用价值主要有:作为大型空间能源基地,为空间活动提供动力;作为无线能源可以转化为热能直接用于重点地区的冰雪消融,以及促进植物生长等。

第一阶段:2011年-2020年

SSPS的上述特点使其成为“一带一路”优先发展的清洁能源的重要选择之一。这主要体现在以下几个方面:首先,SSPS是一种绿色清洁能源,而且,由于空间太阳能无穷无尽,其也是一种可持续发展的新能源,符合“一带一路”的发展理念;其次,SSPS是一种空间可移动能源,可以为“一带一路”相关地区和国家提供全方位、移动式地面和空间能源服务;第三,SSPS是一种空间大型能源,它的构建可以为我们相关产业带来一场新的技术革命,进而有效地促进“一带一路”相关地区的经济发展。因此,在某种程度上看,空间太阳能电站的发展可以为“一带一路”的实施提供重要的能源保障。

充分分析空间太阳能电站的应用需求,开展空间太阳能电站系统方案详细设计和关键技术研究,进行关键技术验证。

让SSPS为“一带一路”保驾护航

重点验证无线能量传输技术、高效大功率太阳能发电技术、大型结构的展开组装技术和高压供配电系统,主要有地面大功率无线能量传输试验、地面大型结构展开及装配技术试验、地面对平流层飞艇无线能量传输试验、依托空间站的大型结构展开及装配技术试验等。

事实上,SSPS计划在上世纪末就已经引起中国科学家的注意。上世纪90年代,我国就开展了大量的论证和前期的研究工作,在总体设计、航天技术、材料技术、无线能量传输技术、空间组装技术等关键技术方面都取得了不少进展和阶段性的成果。

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目前看来,我国建立空间太阳能电站的机遇已经来临,已经具备建立空间太阳能电站的基础。首先,在太阳能电池技术方面,我国已经开始在推广太阳能光伏发电系统,到2010年,我国太阳能光伏发电总容量将达到40万千瓦,2020年将达到220万千瓦,我国已具备了太阳电池的技术基础与空间应用能力。其次,在空间技术基础方面,我国在人造卫星、载人航天和深空探测三个航天技术领域实现了新跨越,尤其是神舟载人飞船和标志深空探测能力的嫦娥一号的发射成功,使我国步入了世界航空航天技术领域的超级强国之列。而且,目前我国已有多种型号的长征系列运载火箭,输送的有效载荷也越来越大,已能承担国际上各种卫星的发射业务。因此,在地球同步轨道建立一个空间太阳能卫星电站已经可以规划和实施。第三,在无线电能传输技术基础方面,作为空间太阳能发电的主要关键技术,WPT(Wireless
Power
Transmission)在能量传输方面起重要作用。目前我国在微波传输和激光传输领域已取得显著成绩,尤其是在大功率激光发射器件和大功率微波天线方面。因此,在WPT技术上只要认真组织,对WPT在输能的功率、效率与精度控制等方面进行技术攻关,完全可以掌握应用于空间电站的WPT技术。

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空间太阳能发电已引起我国政府的高度重视。中国空间技术研究院等单位已经对空间太阳能电站总体方案进行了论证,北京科技大学等单位也已经对SSPS关键材料进行了论证和研发。但是,迄今为止,空间太阳能发电还没有被列为国家的重大项目和国际合作的重大项目。

空间太阳能发电站将是庞大无比的物体,质量达万吨级以上。

我们应该充分意识到空间太阳能电站在“一带一路”建设中的作用,应该大力加速空间太阳能电站建设,力争尽早把空间太阳能发电列为发展国民经济的重大长远项目和国家重大科技专项;尽快成立国家空间太阳能发电站推进委员会,协调各部委多渠道持续进行关键技术攻关;实行“政产学研用金”六结合,形成国家投入和市场推动的创新投资机制,主导成立国际合作机构推动空间太阳能发电站的国际化,为“一带一路”建设保驾护航。

第二阶段:2021年-2025年

88必发在线娱乐,(作者系中国科学院院士、北京科技大学教授,本报记者李晨阳整理)

利用我国的空间站平台,在航天员参与下,进行我国第一个低轨道空间太阳能电站系统研制,在2025年开展系统验证。重点验证大型结构的空间展开及装配,大型空间聚光系统及其控制,大功率电源管理系统,大型结构的姿态控制技术,无线能量传输技术,空间太阳能电站的运行维护管理等。

《中国科学报》 (2018-01-25 第5版 技术经济周刊)

第三阶段:2026年-2040年

在低轨关键技术验证的基础上,进一步研究经济上和技术上更为可行的空间太阳能电站系统方案和关键技术,突破轨道间大功率电推进技术,研制地球同步轨道验证系统,大约在2030年左右发射,进行空间-地面、空间-空间无线能量传输,开展系统验证,为商业系统的研制提供重要的运行参数。系统运行寿命10年。初步考虑该系统在低轨进行自主空间组装,并利用空间站和航天员进行部分组装工作,并解决空间装配中出现的问题,组装测试完毕后,整体运送到地球同步轨道。

第四阶段:2036年-2050年

结合验证系统的运行状况,结合技术发展,研制我国第一个商业化空间太阳能电站系统,实现空间太阳能电站商业运行,运行寿命30年以上。

空间太阳能电站面临的巨大挑战

目前建设空间太阳能电站首先是技术难题。空间太阳能电站是一个巨大的工程,对于现有的航天器技术提出了很大挑战:规模大,质量达到万吨以上,比目前的卫星高出4个数量级,需要采用新材料和新型运载技术;面积达到数平方公里以上,比目前的卫星高出6个数量级,需要采用特殊的结构、空间组装和姿态控制技术;功率大,发电功率为吉瓦,比目前的卫星高出6个数量级,需要特别的电源管理和热控技术;寿命长,至少达到30年以上,比目前的卫星高出一倍以上,需要新材料和在轨维护技术;效率高,需要先进的空间太阳能转化技术和微波转化传输技术。

其次是成本问题。有专家估算,建设一个天基太阳能发电站需要耗资3000亿至10000亿美元。因此,成本问题可能是制约空间太阳能电站发展的主要因素。在新概念、新技术和大规模商业化之前,收入难以补偿整个系统的建造和运行成本。[page]

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远距离能量传送也是一个巨大的技术课题

再次是环境影响。虽然空间太阳能电站功率很大,但由于微波能量传输距离远,根据微波能量传输特性,实际接收天线的能量密度比较低。

最后是运行问题。空间太阳能电站运行中还有许多问题,其中包括需采取相应措施对波束进行安全控制问题、对于飞行器的影响、空间碎片可能对空间太阳能电站造成局部损害、易攻击性、可能成为空间垃圾等。此外,还有轨道和频率、产能、发射能力等问题。

域外方案

美国 1979
SPS基准系统:
这是第一个比较完整的空间太阳能电站的系统设计方案,由美国在1979年完成,以全美国一半的发电量为目标进行设计。其设计方案为在地球静止轨道上布置60个发电能力各为5吉瓦的发电卫星。

集成对称聚光系统:NASA在20世纪90年代末的SERT研究计划中提出的方案。采用了位于桅杆两边的大型蚌壳状聚光器将太阳能反射到两个位于中央的光伏阵列。聚光器面向太阳,桅杆、电池阵、发射阵作为一体,旋转对地。聚光器与桅杆间相互旋转以应对每天的轨道变化和季节变化。

日本
分布式绳系卫星系统:
为减小单个模块的复杂性和重量,日本科学家提出了分布式绳系卫星的概念。其基本单元由尺寸为100米×95米的单元板和卫星平台组成,单元板和卫星平台间采用四根2千米~10千米的绳系悬挂在一起。单元板是由太阳能电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板,共包含3800个模块。每个单元板的总重约为42.5吨,微波能量传输功率为2.1兆瓦。由25块单元板组成子板,25块子板组成整个系统。该设计方案的模块化设计思想非常清晰,有利于系统的组装、维护。但系统的质量仍显巨大,特别是利用效率较低。

欧洲
太阳帆塔:
欧洲在1998年“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划中提出了欧洲太阳帆塔的概念。该方案基于美国提出的太阳塔概念,并采用许多新技术。其中最主要的是采用了可展开的轻型结构——太阳帆。其可以大大降低系统的总重量、减小系统的装配难度。其中每一块太阳帆电池阵为一个模块,尺寸为150米×150米,发射入轨后自动展开,在低地轨道进行系统组装,再通过电推力器转移至地球同步轨道。由于该方案采用梯度稳定方式实现发射天线对地球定向,所以太阳帆板无法实现持续对日定向。[page]

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空间太阳能发电站试验飞行器模拟图[page]

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空间太阳能发电站想象图[page]

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空间太阳能发电站想象图[page]

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空间太阳能发电装置想象图[page]

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地面太阳能发电站的巨大电池板[page]

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未来空间利用中,太阳能发电将是一项核心技术[page]

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