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中国空间太阳能电站已近在咫尺

2019-7-8 10:33| 发布者: admin| 查看: 187| 评论: 0

摘要: 刘慈欣在他的科幻小说《中国太阳》中构想了这样一个装置:一个在太空中的巨大镜子,能够通过反射太阳光调节区域气候。空间太阳能电站能与之十分类似。随着中国首个空间太阳能电站实验基地的落地,这一构想正在从科幻 ...

刘慈欣在他的科幻小说《中国太阳》中构想了这样一个装置:一个在太空中的巨大镜子,能够通过反射太阳光调节区域气候。空间太阳能电站能与之十分类似。随着中国首个空间太阳能电站实验基地的落地,这一构想正在从科幻作家的脑海中变为现实。

从科幻诞生的概念

空间太阳能电站(SPS),也称天基太阳能电站(SBSP),是指在空间将太阳能转化为电能,再通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统。1941年,科幻小说作家艾萨克·阿西莫夫发表了科幻小说短篇小说《理性》,其中一个空间站用微波光束把从太阳收集的能量传输到各个行星。SBSP(Space-based solar power)概念最初被称为卫星太阳能系统,于1968年11月格拉泽(Glaser)博士首次提出,,这一设想是建立在一个极其巨大的太阳能电池阵的基础上,由它来聚集大量的阳光,利用光电转换原理达到发电的目的。所产生的电能将以微波形式传输到地球上,然后通过天线接收经整流转变成电能,送入全国供电网。

空间太阳能电站在空间利用太阳能,不受季节、昼夜变化等的影响,接收的能量密度高,约为1353W/m2,是地面平均光照功率的7~12倍。同时,也基本不受大气的影响,可以稳定地将能量传输到地面,非常适合于太阳能的大规模开发利用。在地球同步轨道,99%的时间内可以稳定接收太阳辐射,向地面固定区域进行稳定的能量传输。

不仅如此,空间太阳能电站基于自身的大功率,以及能量多种方式传输的灵活性等特点,不仅成为未来持续稳定的电力来源,并且在电网调度、军事无线供电、气象科学研究、应急救灾、空间供电、行星探测等多个领域中具有重要的潜在应用。刘慈欣笔下的中国太阳的气候调节功能也有望通过空间太阳能电站实现。通过调节微波的频率,甚至可以调节、控制热带气旋的走向和强度,从而彻底解决东南沿海自古以来的台风问题。

各国的空间光伏竞赛

美国

1968年,美国格拉泽博士提出空间太阳能电站的构想后,美国国家航空航天局(NASA)与美国能源部已经在过去30年花费了8000万美元支持空间太阳能电站概念的研究,并且提出了第一个空间太阳能电站系统方案概念“1979SPS基准系统”,作为后续研究的基准和参考。2012年,在NASA创新概念项目支持下,约翰·曼金斯(JohnMankins)教授提出“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”(SPS-ALPHA)方案。2015年,美国诺格公司(Northrop Grumman)与加州理工大学签署一项3年总额1750万美元的空间太阳能电站技术研发合同,成为近年来空间太阳能电站领域最大的合同。虽然空间太阳能电站未被列入正式的美国国家发展计划,但得到了持续的关注和发展。

日本

日本在微波无线能量传输技术的研究和试验方面处于世界领先地位。2004年,日本正式将发展空间太阳能电站列入国家航天发展计划,2006年,日本东京大学和神户大学联合开展“风吕敷试验”(Furoshiki),进行了空间网状天线展开、测试微波能量传输波束控制及机器人爬行试验。在日本经产省和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的支持下,日本国家研究机构、企业和高校形成“官产学”联合研究的模式,并规划在2030年后建设商业化空间太阳能电站,总投资将超过210亿美元。其基本原理和美国类似,但日本科学家采用频率为2.45GHz和5.8GHz微波传送,这项技术在日本已经应用于工业和医疗设备。在北海道的研究基地,日本科学家用直径2.4m的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验。

“风吕敷试验”

其他地区

俄罗斯、欧洲航天局(ESA)、国际无线电科学联盟和国际宇航科学院等研究机构也在近年开展了空间太阳能电站的专题技术研究。2012年,以国际宇航科学院发电委员会成员为主的研究团队完成了《空间太阳能电站—第一次国际评估:机遇、问题及可能的发展途径》报告。该报告分析了空间太阳能电站在未来几十年对于快速增长的丰富的可再生能源方面可能扮演的角色,并且评估了与空间太阳能电站概念相关的技术成熟度和技术风险,最终形成了一个可能引导这一远景概念实现的合理的国际路线图。欧洲航天局、加拿大、俄罗斯等国及相关国际组织在该领域真正的投入较少,但非常关注该领域的发展。

欧洲航天局的“太阳帆塔”概念图

中国:从陪跑到领跑。认真践行一个50年的计划

“中国人真正擅长的一件事就是长期思考,与美国的思维不同,他们能把计划和问题规划长达50年之久。”

-马克霍普金斯,国家航天学会董事会

就像流浪地球里一样,中国正在持之以恒的推进这项为期50年的“科幻”计划。我国自20世纪末开展空间太阳能电站方案及技术研究。中国空间技术研究院在国家民用航天预研项目支持下,提出了平台非聚光型空间太阳能电站方案、二次对称聚光型空间太阳能电站方案和多旋转关节空间太阳能电站方案。

2013年底,国家国防科工局联合国家发改委、科技部、工业和信息化部、原总装备部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员会等部委,组织开展了空间太阳能电站发展规划及关键技术体系论证工作,系统阐述了我国开展空间太阳能电站项目研究的意义和必要性,提出了分两个阶段进行空间太阳能电站研发的总体规划和技术路线。建议将兆瓦级电站方案及全系统仿真作为实现规划中期目标的基础,同时加大对空间太阳能电站核心关键样机研制和试验验证的投入力度,拓宽支持渠道。

2018年12月6日,我国首个空间太阳能电站实验基地正式落户重庆璧山。

该项目以空间能源技术发展前沿为引导,开展微波输能、测控与通信等方向的基础研究和应用研究。计划在2020年前投资2亿进行空间太阳能电站实验基地及研发平台建设,2025年左右实现中小规模平流层太阳能电站及并网发电,2025年后开展大规模空间太阳能电站系统应用工作。下一步将是在2030年开始建设兆瓦级空间太阳能试验电站。2050年后建设吉瓦级商业空间太阳能电站。中国有望成为世界首个建成有实用价值空间太阳能电站的国家。


空间太阳能电站关键技术发展建议

当然,在实现这一个宏大目标的路上,仍然有许多的困难需要克服。空间太阳能电站作为一个巨大的空间系统,其主要技术特点是面积大、质量大、功率大,其发展所面临的核心问题和关键技术包括以下几个方面。

空间超大型可展开结构及控制技术

主结构用于支撑整个空间太阳能电站,考虑到姿态和轨道调整的要求,主结构应保持足够的刚度。同时,还要充分考虑在轨组装和在轨维护的需要。

空间高效太阳能转化及超大发电阵技术

提高系统的效率、降低质量,以及提高电压和使用寿命是空间太阳能发电技术的关键。需要发展高效率、空间环境适应性好的薄膜太阳电池,同时需要发展在轨展开的超大面积的柔性太阳电池阵。为了减小电力损耗,需要发展高压太阳电池阵技术。

空间超大功率电力传输与管理技术

作为一个超大功率的空间系统,空间太阳能电站系统需要长达数十km的电力传输电缆,为了减小损耗,需要采用超高电压。同时需要发展超大功率高效电压变换技术以及超大功率导电旋转关节技术等。

无线能量传输技术

功率高、效率高、传输距离远和高精度方向控制是无线能量传输的主要技术特点,超过30年的寿命要求也对无线能量传输技术提出了很高的要求。

轨道间转移技术及大功率电推进技术

为了降低运输到GEO的成本,初步考虑采用重型运载将载荷运输到LEO,利用可在LEO 和GEO 间进行往返运输的轨道转移器将载荷运输到GEO。为了减少燃料消耗,需要发展大功率电推进系统,利用多个电推力器的组合实现大型电推进轨道转移器。

空间复杂系统在轨组装及维护技术

空间太阳能电站作为一个宏大的长寿命系统,必须发展功能强大的在轨组装及维护技术,实现大规模的、复杂的在轨组装、在轨维护和燃料补给等。

大型运载器及高密度发射技术

空间太阳能电站质量达到数千t以上,再考虑其建设、维护所需的人员及货物运输需求,对于运输能力、运输频率、运输成本提出巨大的挑战。

电站系统运行控制及地面接收管理技术

系统运行控制及地面运行管理主要包括两方面的内容:对整个空问系统状态信息的接收和处理以实现运行控制与健康管理;地面大功率电力的接收、调节、控制及入网技术等。

电站发展的基础材料和器件研究

为了实现空间太阳能的高效利用和传输,且大幅降低空间太阳能电站的整体质量、提高系统的寿命,空间太阳能电站发展需要相关基础材料和器件性能的极大提升。

也许在不远的将来,我们会从新闻里听到:“中国建成世界首个光伏空间发电站”的消息,我们不需要像流浪地球一样,需要一百代人,两千五百年完成一项计划,但我们也应该铭记,这项50你年的计划后,是两代国人的心血和希望。

“谁也不知道中国太阳将飞多远,水娃他们将看到什么样的神奇世界……但水娃终究会牢记母亲新乡上的一个叫中国的国度,牢记那个国度西部一片干旱土地上帝一个小村庄,牢记村前的那条小路,他就是从那里启程的。”-刘慈欣,中国太阳

参考资料:

[1] 空间太阳能电站的关键技术及发展建议

[2] 空间太阳能电站发展展望

[3]https://baike.baidu.com/item/%E7%A9%BA%E9%97%B4%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E5%8F%91%E7%94%B5%E7%AB%99

[4]https://www.cnbc.com/2019/03/15/china-plans-a-solar-power-play-in-space-that-nasa-abandoned-long-ago.html

[5] 空间太阳能电站用于热带气旋调控初探


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