太陽(yáng)能太空電站從理想走入現(xiàn)實(shí)
2011/10/28 9:39:07
電源在線網(wǎng)
在科技高速發(fā)展的今天，對(duì)太空的探索也越發(fā)激進(jìn)。然而，當(dāng)新聞傳出美國(guó)一顆相當(dāng)于大巴車(chē)體積的失控衛(wèi)星，與地球進(jìn)行了親密接觸，引起全球恐慌。
時(shí)隔6天，中國(guó)的“天宮一號(hào)”被精準(zhǔn)送入到預(yù)定軌道。眾所周知，飛船、衛(wèi)星等航天器在太空中飛行主要依靠電池提供動(dòng)力，而這個(gè)電力供給主要來(lái)自太陽(yáng)能電池帆翼。
為什么要開(kāi)發(fā)太空太陽(yáng)能電力
據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)向地球表面輻射的能量非常巨大，每平方米可接收1336瓦的能量，而由于受到地球大氣云層的反射和吸收，中微小懸浮顆粒的散射，不同的季節(jié)和晝夜更替等因素影響，落到地表的太陽(yáng)光能量每平方米只有125瓦至375瓦。
大氣云層對(duì)太陽(yáng)光的反射和吸收
如果將太陽(yáng)能電池板發(fā)射到空中，并組建成空間電站。那樣，電池板在所有的時(shí)間里都能接收來(lái)自太陽(yáng)的輻射，提高了電站的利用效率，從而降低了光伏發(fā)電的成本。因?yàn)楫?dāng)今地面太陽(yáng)能電站備受詬病的其中一個(gè)原因就是發(fā)電成本昂貴。
四十多年前，美國(guó)科學(xué)家彼得·格拉瑟首次提出了這種“太空太陽(yáng)能電站”的設(shè)想，乍聽(tīng)起來(lái)，很有些小說(shuō)中的科幻景象。但經(jīng)過(guò)美國(guó)國(guó)家宇航局隨后幾十年的探索、分析和總結(jié)，2007年10月，美國(guó)國(guó)家安全太空辦公室悄然推出了一份建造太空電站可行性研究的中期評(píng)估報(bào)告，該評(píng)估報(bào)告的關(guān)鍵點(diǎn)在于其“可行性”，難道那個(gè)看似天方夜譚的想法如今真的要成為現(xiàn)實(shí)了？
進(jìn)入21世紀(jì)，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，科學(xué)家建議：將之前提出的建設(shè)“太空太陽(yáng)能電站”的構(gòu)想付諸實(shí)際，測(cè)算顯示：這樣一個(gè)電站的面積將達(dá)幾平方公里。
太陽(yáng)能太空電站的工作原理
據(jù)了解，“天宮一號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用了折疊式砷化鎵太陽(yáng)能電池板，共計(jì)5片，可供實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而太空電站的原理與“天宮一號(hào)”太陽(yáng)能電池的工作原理相比，技術(shù)上要復(fù)雜得多。設(shè)計(jì)原理為：將其放置在地球同步軌道上，隨地球同步自轉(zhuǎn)，通過(guò)安裝在太陽(yáng)能電池板上的微波轉(zhuǎn)換器，將太陽(yáng)能電池獲取的電力轉(zhuǎn)換成選定頻率的微波束，徑直傳向地球表面上的網(wǎng)格整流天線接收器，再將其轉(zhuǎn)換成電能。
實(shí)驗(yàn)證明，頻率為5.8千兆赫的微波轉(zhuǎn)換器在將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l的過(guò)程中，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到80%以上；與之對(duì)應(yīng)，地面上的整流天線（將射頻微波轉(zhuǎn)化為電能）轉(zhuǎn)換效率也能高于80%,這一關(guān)鍵技術(shù)為太空電站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展提供了重要的技術(shù)保證。
不過(guò)巨大的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)不會(huì)傷及人類(lèi)、飛機(jī)和衛(wèi)星呢？實(shí)驗(yàn)證明：波長(zhǎng)為12.24厘米的電磁波可以輕松穿透地球大氣層，只要強(qiáng)度適當(dāng)，對(duì)生命體不會(huì)有傷害。
挑戰(zhàn)無(wú)處不在
計(jì)算顯示：一個(gè)吉瓦級(jí)的太空電站，需要運(yùn)送至少幾平方公里面積大小的太陽(yáng)能電池板到太空中去（如未來(lái)的電池效率會(huì)大幅提升，面積會(huì)減少），加上支架、微波轉(zhuǎn)換器、聚光器等器件，需要具有足夠運(yùn)載能力的火箭作為支持，而據(jù)現(xiàn)有火箭的運(yùn)載能力估算，建造如此規(guī)模的太空電站每年要發(fā)射上千次之多，耗資比在地面上建設(shè)相同裝機(jī)的太陽(yáng)能電站要貴百倍以上，這無(wú)疑是最大的瓶頸。
另外，在太空中組裝龐大的空間太陽(yáng)能電站，需要多少名宇航員？多久建造完成呢？相信這些數(shù)字都將令人瞠目。
還有運(yùn)行問(wèn)題。空間太陽(yáng)能電站在運(yùn)行過(guò)程中需定期對(duì)波束、組件等關(guān)鍵部件進(jìn)行安全檢測(cè)、維修，還要避免其他太空垃圾對(duì)其干擾，因?yàn)殡娬疽坏┙ǔ桑灰獾狡渌淖矒簦蠊y以估算，所以維護(hù)成本非常之高。
其實(shí)，所有的挑戰(zhàn)最后都是要?dú)w根于資金支持這塊，只要有了強(qiáng)有力的財(cái)政后備和技術(shù)支持，一切都可以迎刃而解。盡管挑戰(zhàn)無(wú)處不在，但人類(lèi)也沒(méi)有停下對(duì)太空電站建設(shè)的步伐，日本、美國(guó)、中國(guó)和歐洲一些國(guó)家都在努力中。
誰(shuí)在躍躍欲試
近二十年來(lái)，由于主要石油生產(chǎn)國(guó)的政局不穩(wěn)，傳統(tǒng)能源日益短缺，核電質(zhì)疑頻頻，因此美國(guó)、日本、歐盟、俄羅斯等國(guó)都將視線轉(zhuǎn)向了外太空，紛紛提出自己的國(guó)際空間太陽(yáng)能電站構(gòu)想。
美國(guó)1979年設(shè)計(jì)了一個(gè)“SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”方案，該方案為：在地球靜止軌道上布置60個(gè)發(fā)電衛(wèi)星，每個(gè)發(fā)電衛(wèi)星的發(fā)電能力各為5吉瓦。而十年后，NASA又在SERT研究計(jì)劃中提出了集成對(duì)稱(chēng)聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案采用了位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽(yáng)能反射到兩個(gè)位于中央的光伏陣列，聚光器與桅桿間相互旋轉(zhuǎn)以應(yīng)對(duì)每天的軌道變化和季節(jié)變化。方案看似都很具體，但是可行性有待改進(jìn)。
日本航天機(jī)構(gòu)在研發(fā)太空太陽(yáng)能電站方面十分積極。據(jù)報(bào)道，為減小單個(gè)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(tái)組成，單元板和衛(wèi)星平臺(tái)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(yáng)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(gè)模塊。每個(gè)單元板的總重約為42.5噸，微波能量傳輸功率為2.1兆瓦。
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(jì)劃中提出了歐洲太陽(yáng)帆塔概念，即采用可展開(kāi)的輕型結(jié)構(gòu)--太陽(yáng)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。其中每一塊太陽(yáng)帆電池陣為一個(gè)模塊，尺寸為150米×150米，發(fā)射入軌后自動(dòng)展開(kāi)，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過(guò)電推力器轉(zhuǎn)移至地球同步軌道，這看似是個(gè)很可行的辦法。
在發(fā)達(dá)國(guó)家忙碌著探索太空能源的同時(shí)，中國(guó)的科學(xué)家們也沒(méi)有停下腳步，由中科院院士王希季牽頭、多名中科院和工程院院士參加完成的咨詢(xún)?cè)u(píng)議報(bào)告--《空間太陽(yáng)能電站技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)和對(duì)策研究》已于日前正式上報(bào)國(guó)家發(fā)改委，建議我國(guó)盡快開(kāi)展太空電站的論證和設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取在2030年進(jìn)行并完成整個(gè)空間站的研制，最后在2040年實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能空間電站的商業(yè)化。
中國(guó)科學(xué)院院士，空間技術(shù)專(zhuān)家王希季曾表示，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用空間太陽(yáng)能，將極大地提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度和質(zhì)量，引起經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的飛躍，而導(dǎo)致新的技術(shù)革命，甚至產(chǎn)業(yè)革命。據(jù)了解，目前航天技術(shù)已經(jīng)被列入到國(guó)家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
粗放型發(fā)展，謹(jǐn)防“雪崩效應(yīng)”
1978年，NASA的天文學(xué)家唐納德·凱斯勒提出了“雪崩效應(yīng)”概念，即當(dāng)在近地軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的物體密度達(dá)到一定程度時(shí)，每一次碎片間的撞擊都會(huì)產(chǎn)生更多碎片，新的碎片又成為新的碰撞危險(xiǎn)源，無(wú)止境的惡性循環(huán)下去，成為“雪崩效應(yīng)”。目前繞著地球跑的太空垃圾已經(jīng)堆積到了“臨界點(diǎn)”，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的太空垃圾有16000多塊，重達(dá)6000噸，形成了一個(gè)太空“垃圾帶”.如果不幸落在人口密度較高的地區(qū)，后果不堪設(shè)想。
想象一下，如果一個(gè)面積達(dá)幾平方公里大的太陽(yáng)能空間電站應(yīng)該需要多少零部件？這些零部件如果有一天失去了控制，將會(huì)形成多少太空垃圾？其中的任何一個(gè)都有可能對(duì)處于軌道上的航天器和地球上的人類(lèi)構(gòu)成巨大威脅，這無(wú)異于是太空探索的噩夢(mèng)。
2001年，俄羅斯的和平號(hào)空間站在人為控制下墜入大海，但更多的太空垃圾卻在非控制狀態(tài)下墜落了地球；2010年9月份，中國(guó)的鑫諾六號(hào)火箭殘骸墜落貴州村舍內(nèi)，導(dǎo)致直徑60米內(nèi)的草木完全枯萎，險(xiǎn)些傷及村民；9月23日，美國(guó)一顆與大巴車(chē)大小相似的失控衛(wèi)星，回歸地球，引起全球恐慌，還有美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)、“飛馬座2”號(hào)衛(wèi)星、前蘇聯(lián)“禮炮-7”號(hào)空間都先后墜落了地球，并造成“肇事”。
英國(guó)南安普頓大學(xué)空間碎片專(zhuān)家休·劉易斯曾說(shuō)過(guò)，近兩年中可能出現(xiàn)報(bào)廢衛(wèi)星“扎堆回家”的高潮。這些重返地球懷抱的“孩子們”，讓地球人很是頭疼。所以，建造空間太陽(yáng)能電站，還是要慎行。<
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