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中國專家談太空太陽能發(fā)電

來源：中國科學報 | 0評論 | 5215查看 | 2013-09-07 11:21:00

　　SPS-ALPHA系統(tǒng)由數(shù)千個薄而彎曲的類似鏡子的組件構(gòu)成，可以移動以便讓所能收集的太陽能實現(xiàn)最大化。SPS-ALPHA內(nèi)安裝光伏板，將太陽能轉(zhuǎn)化成微波。微波隨后從這個“雞尾酒杯”的底部傳給地球。

　　將太陽能作為能源和動力，人類已經(jīng)探索了近400年，利用的方式一種是光熱轉(zhuǎn)換，一種是光電轉(zhuǎn)換。

　　其中光電轉(zhuǎn)換就是在地面或其他開闊地鋪設(shè)太陽能電池板，并通過控制器將太陽能直接轉(zhuǎn)化成可利用的交流電或直流電，也可以先把電放入蓄電池儲存起來再利用。

　　但通過這樣的方式我們所得到的太陽能已經(jīng)被大氣層層層剝削，只剩太空中太陽輻射的1/10～1/5，盡管光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)從最初的10%提升到了40%左右，但地面太陽能發(fā)電的實際效果還是打了很多折扣。

　　因此，科學家們很早就將視野轉(zhuǎn)向太空，如果能從太空直接收集太陽能，那么，太陽能的可用量將是地球上的數(shù)十億倍。

　　滿足人類1/3用電需求

　　美國宇航局（NASA）前工程師約翰·曼金斯博士正在研制一種雞尾酒杯形衛(wèi)星，聲稱能夠在2025年滿足人類1/3的用電需求。這種衛(wèi)星名為“SPS－ALPHA”（隨機性大型相位陣列太陽能人造衛(wèi)星），由美國宇航局委托曼金斯研制，旨在探索利用部署在太空中的太陽能電池板向地球傳輸能量的可能性。

　　曼金斯最近在接受國外媒體采訪時指出，如果資金到位，SPS－ALPHA最早可在2025年發(fā)射升空。他說：“一個太陽能衛(wèi)星陣列便可滿足人類1/3的用電需求。雖然并非同時滿足，但卻能夠滿足任何一個市場的用電需求?！?/div>

　　根據(jù)曼金斯的設(shè)想，SPS－ALPHA將收集的太陽能轉(zhuǎn)化成微波（波長小于1米大于等于1毫米的電磁波），而后傳輸給地球上的發(fā)電站，后者接收后將微波轉(zhuǎn)換成電，最終傳輸給消費者。這一系統(tǒng)由數(shù)千個薄而彎曲的類似鏡子的組件構(gòu)成，可以移動以便讓所能收集的太陽能實現(xiàn)最大化。SPS－ALPHA內(nèi)安裝光伏板，將太陽能轉(zhuǎn)化成微波。微波隨后從這個“雞尾酒杯”的底部傳給地球。

　　哈爾濱工業(yè)大學電氣學院副院長、智能測試及信息處理技術(shù)研究所所長朱春波在接受《中國科學報》記者采訪時表示，從太空中直接收集太陽能的想法實際上在幾十年前就有了，只是一直都沒有成功實現(xiàn)。

　　自從20世紀60年代以來，人類就從科學角度論證了“基于太空的太陽能”（SBSP，Space－basedSolarPower）的可行性，而從太空軌道往地面發(fā)射微波的概念也證實是可行的。

　　曼金斯認為，SPS－ALPHA的成本會低于其他一些方式，比如環(huán)繞地球的單一陣列。對于這個方案，他認為，如果能夠取得成功，向地球遠程傳輸具有經(jīng)濟可承受性的電量，可以達到10～1000兆瓦。

　　朱春波認為，如果這樣的技術(shù)能夠成功，他們所設(shè)想的結(jié)果是可以滿足的。

　　高效利用太陽能

　　朱春波告訴《中國科學報》記者，地面上太陽光能量密度比較低，目前我們應用的太陽能板效率只有百分之十幾到百分之二十，而光電轉(zhuǎn)換效率又比較低。因此，我們在地面上能夠利用到的太陽能是十分有限的。

　　在太空，理論上，在地球同步軌道上，99%的時間可以接受太陽能輻射，每平方米太陽能可以產(chǎn)生1336瓦熱量。早在1968年，美國科學家彼得·格拉賽(PeterGlaser)就首先提出了建造空間太陽能電站的構(gòu)想。

　　此后，美國、日本等都提出了自己的國際空間太陽能電站構(gòu)想。2011年，在中國空間太陽能電站發(fā)展技術(shù)全國研討會上，專家也提出了我國空間太陽能電站的發(fā)展思路。

　　2012年，斯特拉斯克萊德大學的研究人員在太空測試過一種裝置，可用于收集能量并以微波或者激光束的形式傳回地球。這項測試是曼金斯領(lǐng)導的美國宇航局先進理念研究所的一項研究的組成部分。斯特萊斯克萊德大學扮演的角色是為這一項目的結(jié)構(gòu)組件研發(fā)具有革新性的解決方案。

　　斯特萊斯克萊德大學的馬斯米利亞諾·瓦斯勒博士指出：“太空是收集太陽能的理想之地，擁有巨大優(yōu)勢。在太空中，你可以在一天中的任何時刻收集太陽能同時不會受到天氣條件的制約?！?/div>

　　華南理工大學電力學院副院長張波也告訴《中國科學報》記者，與地面能源相比，從太空中獲取太陽能，不僅強度高，由于其本身是無償?shù)?，因而成本低?/div>

　　在地面上建設(shè)太陽能電站需要很大的面積，與火力發(fā)電站相比，產(chǎn)生同樣電量的太陽能電站所需占地面積可能是火力發(fā)電站占地面積的幾十倍。此外，為了避免天氣對太陽能利用的干擾，就需要龐大的蓄能系統(tǒng)。目前來說，這都是發(fā)展太陽能的瓶頸。

　　無線傳輸是關(guān)鍵

　　接受采訪的專家均表示，空間太陽能電站從長遠看是可行的，但是需要在三項技術(shù)上有所突破。

　　空間太陽能電站是一個巨型的發(fā)電站，如果將國際空間站作為對比，其在1993年開始實施建造，直到2011年底完成組裝工作，總質(zhì)量為420噸左右，花費了16個參與國超過1000億美元的資金。而太陽能電站，光伏電池、微波轉(zhuǎn)換裝置、發(fā)射天線等裝置將被裝載到衛(wèi)星平臺上，該系統(tǒng)的質(zhì)量將達到萬噸級以上，組裝時的運輸成本就大得驚人。有預算顯示，建設(shè)這樣一個太陽能發(fā)電站需要耗資3000億～10000億美元。

　　“如果無法減輕系統(tǒng)質(zhì)量，就不可能降低技術(shù)復雜性和建造成本。對于一個國家而言，這個工程項目的經(jīng)濟可行性幾乎為零?！敝袊臻g技術(shù)研究院研究員、《國際太空》雜志副主編龐之浩告訴《中國科學報》記者，由于近年來，太空電梯成為美國、日本等競相研發(fā)的空間課題，一旦空間運輸技術(shù)得到實質(zhì)性的突破，運輸成本大大降低，也許將為空間太陽能電站的建設(shè)提供很大的技術(shù)便利。

　　朱春波說，通過微波傳輸，在地面還需要一個擁有巨大接收天線的儲能電站，占地至少幾公里到幾十公里，并且需要建在沙漠或海洋等無人區(qū)域，才能最終通過儲能電站傳輸給地面用戶。

　　此外，張波認為，現(xiàn)實中阻撓這項技術(shù)進步的關(guān)鍵就在于無線傳輸?shù)男蕟栴}。這也是空間太陽能電站需要突破的第二項技術(shù)。

　　目前無線傳輸研究比較多的就是微波傳輸，第二種是近距離電磁感應，第三種是諧振。想要實現(xiàn)從太空到地面的傳輸，微波是最理想的方式，因為它的傳輸距離最遠。近距離電磁感應的傳輸單位是毫米到厘米，而諧振的傳輸單位也只能到米。

　　微波的理想頻率為2.45GH（千兆赫）或5.8GH，這兩個波段都處于紅外線與FM/AM無線電信號之間，最容易穿透大氣層。但是張波表示，微波最大的問題是傳播效率低，大概只有10%左右。

　　曼金斯的研究團隊也在考慮利用激光束將能量傳回地球。朱春波認為，激光束從能量傳遞上確實有很多優(yōu)勢，不僅損耗小，而且能量集中，這樣地面的接收站可以做得更小。但激光束是高密度能量，能夠定向損毀目標，如果利用它來傳輸能量，就需要有能夠接收這種高密度能量的技術(shù)?！斑@種高密度能量的接收端，我們還做不到。這涉及到材料的進步，它需要能夠接收激光束的高密度能量并且轉(zhuǎn)化為電能?！?/div>

　　除了技術(shù)方面的瓶頸，微波對環(huán)境的影響，恐怕也是太空向地面?zhèn)鬏斈芰康囊粋€障礙。朱春波說：“在微波的傳輸通道上，不能有生物存在。因此，接收微波的電站必須建在一個無人區(qū)，包括空中也要避開航空活動。條件十分苛刻?！?/div>

　　地球電網(wǎng)輔助

　　美國研究人員的終極目標是打造一個衛(wèi)星群，能夠在將來的某一天為整座城市供電。最初，這種微型衛(wèi)星并不能取代電網(wǎng)。它們的優(yōu)勢在于可以快速為災區(qū)或者難以到達的偏遠地區(qū)供電。

　　龐之浩認為，約翰·曼金斯研制的這種雞尾酒杯形太陽能衛(wèi)星，從質(zhì)量上來講可能比科學家早年的設(shè)想要輕巧，如果不是大規(guī)模的部署成衛(wèi)星群，而只是作為地球電網(wǎng)的一種輔助的發(fā)電方式應該是可實現(xiàn)的。

　　張波告訴《中國科學報》記者，太陽能的能源是公用的，但不管誰占領(lǐng)了先機，后來者再發(fā)展就會有很大困難。但對于這種應用基礎(chǔ)的研究，我國還

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