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中國將在太空中收集太陽能建發(fā)電站 正處試驗階段
發(fā)布時間：
2020-03-20
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據(jù)科技日報3月6日報道，中國航天科技集團(tuán)五院載人飛船系統(tǒng)總設(shè)計師張柏楠代表6日向科技日報記者透露，航天五院“錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室”團(tuán)隊已開展太陽能電站具體研究工作，目前正處于研究試驗階段。
空間太陽能電站是指在太空中將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過無線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛?，或是直接將太陽光反射到地面、在地面進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)。目前美國、俄羅斯、日本等國都在開展研究。張柏楠對其發(fā)展應(yīng)用前景十分看好。
“該系統(tǒng)最大的特點是綠色環(huán)保?！睆埌亻f，“在太空中收集太陽能，對地球環(huán)境的影響很小，而且完全不依賴地球資源?！?/strong>
同時空間電站的發(fā)電效率遠(yuǎn)高于地面太陽能。太空里可以連續(xù)接收太陽能，不受季節(jié)、晝夜變化等的影響，接收的能量密度高，是地面平均光照功率的7至12倍；同時可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛妫静皇艽髿庥绊憽?/strong>
目前，世界各國已設(shè)計出幾十種概念方案，五院團(tuán)隊提出的“多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站”方案，獲得了2015年世界太陽能衛(wèi)星設(shè)計競賽第一名。
張柏楠認(rèn)為，空間電站在技術(shù)原理上已沒有太大問題。太陽能帆板在衛(wèi)星上廣泛應(yīng)用，而且近年來，太陽能電池發(fā)電效率、微波轉(zhuǎn)化效率等技術(shù)取得了很大進(jìn)步，為該系統(tǒng)的研發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。但要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，對發(fā)電量要求將很高，至少是兆瓦、G瓦量級，太陽能電池板也可能要用平方公里來計算。
“有專家建議先建一臺兆瓦級規(guī)模的試驗系統(tǒng)，發(fā)射到太空開展實驗?！睆埐嘎?。
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其實早在2011年7月，當(dāng)時國內(nèi)空間太陽能電站研究還處于剛剛起步的階段。在中國空間技術(shù)研究院主辦的空間太陽能電站發(fā)展技術(shù)全國研討會上，與會專家提出了我國空間太陽能電站發(fā)展“路線圖”。當(dāng)時《光明日報》刊文專門介紹了空間太陽能電站的難題與挑戰(zhàn)，以及各國的研究、發(fā)展情況。原文如下：
你敢想嗎？太空建個發(fā)電站
1968年美國科學(xué)家彼得·格拉賽（Peter Glaser）首先提出了建造空間太陽能電站的構(gòu)想，其基本思路是：將無比巨大的太陽能電池陣放置在地球軌道上，組成太陽能發(fā)電站，將取之不盡、用之不竭的太陽能轉(zhuǎn)化成數(shù)千兆瓦級的電能，然后將電能轉(zhuǎn)化成微波能，并利用微波或無線技術(shù)傳輸?shù)降厍颉?/strong>
能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波或激光等形式（激光也可以直接通過太陽能轉(zhuǎn)化），并利用天線向地面發(fā)送能束。有資料稱，從理論上說，在陽光充足的地球靜止軌道上，每平方米太陽能能產(chǎn)生1336瓦熱量，如果在地球靜止軌道上部署一條寬度為1000米的太陽能電池陣環(huán)帶，假定其轉(zhuǎn)換效率為100%，那么，它在一年中接收到的太陽輻射通量差不多等于目前地球上已知可開采石油儲量所包含的能量總和。
地面接收系統(tǒng)接收空間太陽能電站發(fā)射來的能束，再通過轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能。整個過程經(jīng)歷了太陽能-電能-微波（激光）-電能的能量轉(zhuǎn)變過程。空間太陽能電站的建造和運行過程還需要包括大型的運載系統(tǒng)，空間運輸系統(tǒng)，及復(fù)雜的后勤保障系統(tǒng)。
我國空間太陽能電站發(fā)展“四步走”設(shè)想
第一階段：2011年-2020年
充分分析空間太陽能電站的應(yīng)用需求，開展空間太陽能電站系統(tǒng)方案詳細(xì)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗證。
重點驗證無線能量傳輸技術(shù)、高效大功率太陽能發(fā)電技術(shù)、大型結(jié)構(gòu)的展開組裝技術(shù)和高壓供配電系統(tǒng)，主要有地面大功率無線能量傳輸試驗、地面大型結(jié)構(gòu)展開及裝配技術(shù)試驗、地面對平流層飛艇無線能量傳輸試驗、依托空間站的大型結(jié)構(gòu)展開及裝配技術(shù)試驗等。
第二階段：2021年-2025年
利用我國的空間站平臺，在航天員參與下，進(jìn)行我國第一個低軌道空間太陽能電站系統(tǒng)研制，在2025年開展系統(tǒng)驗證。重點驗證大型結(jié)構(gòu)的空間展開及裝配，大型空間聚光系統(tǒng)及其控制，大功率電源管理系統(tǒng)，大型結(jié)構(gòu)的姿態(tài)控制技術(shù)，無線能量傳輸技術(shù)（激光、微波），空間太陽能電站的運行維護(hù)管理等。
第三階段：2026年-2040年
在低軌關(guān)鍵技術(shù)驗證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上更為可行的空間太陽能電站系統(tǒng)方案和關(guān)鍵技術(shù)，突破軌道間大功率電推進(jìn)技術(shù)，研制地球同步軌道驗證系統(tǒng)，大約在2030年左右發(fā)射，進(jìn)行空間-地面、空間-空間無線能量傳輸，開展系統(tǒng)驗證，為商業(yè)系統(tǒng)的研制提供重要的運行參數(shù)。系統(tǒng)運行壽命10年。初步考慮該系統(tǒng)在低軌進(jìn)行自主空間組裝，并利用空間站和航天員進(jìn)行部分組裝工作，同時解決空間裝配中出現(xiàn)的問題，組裝測試完畢后，整體運送到地球同步軌道。
第四階段：2036年-2050年
結(jié)合驗證系統(tǒng)的運行狀況，結(jié)合技術(shù)發(fā)展，研制我國第一個商業(yè)化空間太陽能電站系統(tǒng)，實現(xiàn)空間太陽能電站商業(yè)運行，運行壽命30年以上。
空間太陽能電站面臨的巨大挑戰(zhàn)
不過，當(dāng)前建設(shè)空間太陽能電站首先是技術(shù)難題，對于現(xiàn)有的航天器技術(shù)提出了很大挑戰(zhàn)：規(guī)模大，質(zhì)量達(dá)到萬噸以上，比目前的衛(wèi)星高出4個數(shù)量級，需要采用新材料和新型運載技術(shù)；面積達(dá)到數(shù)平方公里以上，比目前的衛(wèi)星高出6個數(shù)量級，需要采用特殊的結(jié)構(gòu)、空間組裝和姿態(tài)控制技術(shù)；功率大，發(fā)電功率為吉瓦，比目前的衛(wèi)星高出6個數(shù)量級，需要特別的電源管理和熱控技術(shù)；壽命長，至少達(dá)到30年以上，比目前的衛(wèi)星高出一倍以上，需要新材料和在軌維護(hù)技術(shù)；效率高，需要先進(jìn)的空間太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)和微波轉(zhuǎn)化傳輸技術(shù)。
其次是成本問題。有專家估算，建設(shè)一個天基太陽能發(fā)電站需要耗資3000億至10000億美元。因此，成本問題可能是制約空間太陽能電站發(fā)展的主要因素。在新概念、新技術(shù)和大規(guī)模商業(yè)化之前，收入難以補償整個系統(tǒng)的建造和運行成本。
再次是環(huán)境影響。雖然空間太陽能電站功率很大，但由于微波能量傳輸距離遠(yuǎn)（36000公里），根據(jù)微波能量傳輸特性，實際接收天線的能量密度比較低。
最后是運行問題?？臻g太陽能電站運行中還有許多問題，其中包括需采取相應(yīng)措施對波束進(jìn)行安全控制問題、對于飛行器的影響、空間碎片可能對空間太陽能電站造成局部損害、易攻擊性、可能成為空間垃圾等。此外，還有軌道和頻率、產(chǎn)能、發(fā)射能力等問題。
域外方案
美國：1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)，這是第一個比較完整的空間太陽能電站的系統(tǒng)設(shè)計方案，由美國在1979年完成，以全美國一半的發(fā)電量為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計。其設(shè)計方案為在地球靜止軌道上布置60個發(fā)電能力各為5吉瓦的發(fā)電衛(wèi)星。
集成對稱聚光系統(tǒng)：NASA在20世紀(jì)90年代末的SERT研究計劃中提出的方案。采用了位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽能反射到兩個位于中央的光伏陣列。聚光器面向太陽，桅桿、電池陣、發(fā)射陣作為一體，旋轉(zhuǎn)對地。聚光器與桅桿間相互旋轉(zhuǎn)以應(yīng)對每天的軌道變化和季節(jié)變化。
日本：分布式繩系衛(wèi)星系統(tǒng)，為減小單個模塊的復(fù)雜性和重量，日本科學(xué)家提出了分布式繩系衛(wèi)星的概念。其基本單元由尺寸為100米×95米的單元板和衛(wèi)星平臺組成，單元板和衛(wèi)星平臺間采用四根2千米~10千米的繩系懸掛在一起。單元板是由太陽能電池、微波轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線組成的夾層結(jié)構(gòu)板，共包含3800個模塊。每個單元板的總重約為42.5噸，微波能量傳輸功率為2.1兆瓦。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個系統(tǒng)。該設(shè)計方案的模塊化設(shè)計思想非常清晰，有利于系統(tǒng)的組裝、維護(hù)。但系統(tǒng)的質(zhì)量仍顯巨大，特別是利用效率較低?！ W洲：太陽帆塔，歐洲在1998年“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)研究”計劃中提出了歐洲太陽帆塔的概念。該方案基于美國提出的太陽塔概念，并采用許多新技術(shù)。其中最主要的是采了可展開的輕型結(jié)構(gòu)——太陽帆。其可以大大降低系統(tǒng)的總重量、減小系統(tǒng)的裝配難度。其中一塊太陽帆電池陣為一個模塊，尺寸為150米×150米，發(fā)射入軌后自動展開，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過電推力器轉(zhuǎn)移至地球同步軌道。由于該方案采用梯度穩(wěn)定方式實現(xiàn)發(fā)射天線對地球定向，所以太陽帆板無法實現(xiàn)持續(xù)對日定向。