太空电站解决人类能源危机的终极出路

2021-08-04 09:21:08 来源:新浪科技综合
太空电站解决人类能源危机的终极出路

  小到空间站的建设

  大到月球探测、火星移民

  有充足的供电是基本条件

  太空电站:解决人类能源危机的终极出路?

  本刊记者/霍思伊

  发于2021.8.2总第1006期《中国新闻周刊》

  有没有一种“一劳永逸”的办法,可以彻底解决人类的能源危机?

  地球上所有的能源都来自太阳,无论是煤炭、石油、天然气等化石能源,还是水、风、太阳能等清洁能源,都与太阳有关。化石能源带来大气污染且很快将耗尽,风、光和水能并不稳定,实际发电量占比仅为23.6%。在大规模储能技术取得重大突破之前,仅依靠可再生能源提供持续稳定的能源供给也不现实。

  那么,可不可以在太空建一座电站,直接吸收太阳能并转化成电能,再传输到地球?这就是“空间太阳能电站”(简称“太空电站”)。中科院院士葛昌纯于2021年5月撰文指出,空间太阳能电站与可控核聚变电站被认为是两种最有可能的终极能源解决途径。但可控核聚变目前仍处于基础科学研究有待突破的阶段,而空间太阳能电站不存在基础科学问题,虽然工程规模巨大,但相关技术经过持续研发是能够在一定时间内取得重要突破的。他预计,在本世纪下半叶,中国将会形成空间太阳能发电产业,成为中国能源基础设施的重要组成部分。

  眼下,中国正朝着这一目标迈出第一步。2021年6月18日,在重庆市西边的璧山区福禄镇和平村,璧山空间太阳能电站实验基地宣布正式开工建设。很快,一个50~300米高的浮空平台将从璧山升起,这是一个中小规模的气球阵,科学家们会尝试先从这个高度往地球输电,下一步则是平流层,距离地面有22公里。

  到太空去逐日

  太阳辐射在穿过地球大气层时,可能遭遇云、雾、雨、雪等各种天气现象,云层会反射大部分太阳光,因此长年多云的地区可接收到的太阳能总是不足,这就是大气对太阳能的衰减作用。

  因此,和地面太阳能电站相比,太空电站的最大优势是它的稳定性。中国工程院院士、重庆大学通信与测控研究所所长杨士中指出,由于大气层衰减,地面太阳能电站可产生的电力有限,有很明显的区域差异。比如,在日照充足的中国西北地区,一平方米的光伏电池可产生0.4千瓦电力,在雾都重庆,仅为0.1千瓦。但在距离地球表面约3.6万公里高度的地球同步轨道上,发电功率可高达10千瓦~14千瓦。在太空中,既可以完美避开大气层的衰减,也不受昼夜、季节影响,99%的时间内可以稳定地接收太阳辐射,可以全天候大规模发电,发电效率是地面的几十倍。

  太空电站的远距离无线能量传输载体有微波和激光两种,相较而言,微波的能量传输效率更高,云层穿透损耗低,安全性较好,且技术相对成熟,因此,现行方案多以微波传输为主。

  1968 年,美国彼得·格拉赛博士首次提出太空电站的构想。整个20世纪70年代,美国政府投入了约5000万美元对此进行研究,直到1979年,设计出全世界第一个具体的概念方案,名为“1979-SPS基准系统”。在当时的全球石油危机大背景下,美国宇航局(NASA)与能源部是以21世纪全美一半的发电量为目标进行设计,计划在地球同步轨道上部署60个发电能力各为5GW(百万千瓦)的太空电站,整个系统算下来共需要2500亿美元。

  方案一出,就引发巨大争议。美国国家研究委员会和国会评价委员会的评审认为,该方案技术上可行,但经济上无法实现。此后数年,由于难度大、效率低、成本高,美国对此的研究曾一度停滞。但从2007年起,美国国防部国家安全空间办公室成立了空间太阳能电站研究组,认为太空电站可以为远程基地供电,在军事上有很大的潜在需求。

  2011年,国际宇航科学院(IAA)发布了首份对太空电站可行性和前景分析的国际评估报告,报告的主要撰写人之一、曾在NASA负责太空项目多年的约翰·曼金斯在报告发布会上自信地说:“最终,学院的判断是空间太阳能电站不仅在技术上是可行的,并且在未来30年内也会在经济上可行。

  日本在微波无线能量传输技术的研究上一直处于世界领先水平,因此在发展太空电站上有天然优势,是第一个将开发商业化太空电站正式列入国家航天计划的国家。2017年,日本公布了最新的发展路线图,要在2050年建成商业化太空电站。

  然而目前,除日本2015年3月在兵库县进行过一次无线供受电系统实验外,在全世界范围内,只有中国真正进入地面验证阶段,而其他国家还停留在概念构想阶段。

  杨士中是璧山项目的技术负责人。他对《中国新闻周刊》指出,太空电站的关键,在于将电从太空以无线的方式稳定地传输到地面电网,因此,大功率、远距离无线传能技术的突破是一个必须跨越的难关,比如传输效率是否足够大,波束是否指向规定的接收口径,让误差尽可能缩小。这些技术都要先在浮空平台上做试验,为今后真正的太空电站打下基础。璧山项目占地约200亩,总投资约26亿元,目前到位投资为1亿元。

  “我们每次发射一颗新的卫星,都要先在高空的气球或飞机上测试,也借此把一些技术问题、科学问题研究明白,然后再用火箭把卫星打上去,璧山实验的作用也是如此。”杨士中解释道。

  与此同时,在西安电子科技大学的校园内,由该校教授、中国工程院院士段宝岩组成的团队正在进行最后的调试。段宝岩是中国天线方面的顶尖专家,此前曾负责500米口径球面射电望远镜(FAST)的总体设计。和璧山浮空平台的功能类似,西电在校内架起了一个75米高的支撑试验塔。

  段宝岩对《中国新闻周刊》介绍,试验塔上安装了聚光镜、光电转换系统和发射天线,可以在50~60米的高度上向地面进行无线传输,目前已经基本建成。这就是西电“逐日工程”的一部分,它在2018年12月,与璧山项目同时启动。

  航天与能源领域的曼哈顿工程

  中国对太空电站的正式研讨始自2006年。当年7月,中国航天科技集团公司组织进行了一场概念研讨会。曾参加会议的中国空间技术研究院(五院)的一位太空电站专家对《中国新闻周刊》回忆说,最早是国内的一家民营企业、来自山西的普兰德电力技术有限公司注意到了这件事,向国防科工局提交了相关提议。领导层很重视,将其交给中国航天科技集团作初步研究和评估,很快,就有了上述研讨会。

  经过前期多次的调研与论证,2014年,中国太空电站的发展规划及路线图出炉,分为两大步和三小步:在2030年左右先建设一个兆瓦级(1兆瓦)的小型太空电站,到2050年再扩展升级到GW(百万千瓦)级,也就是兆瓦级的1000倍。

  构想中的太空电站距离地面的高度达到3.6万公里,位于地球的同步轨道(GEO)上,属于高轨道。而大多数卫星、空间站都在近地轨道上,比如国际空间站一般在距地表300多公里的轨道上飞行,太空电站的高度是空间站的100多倍。在这样绝无仅有的高度上进行能量传输,挑战非常大。

  前述五院专家指出,空间太阳能电站是一个非常庞大的系统工程,其重量、尺度方面远超现有航天设施,因此人们将其称为航天与能源领域的“曼哈顿工程”。一个小型的兆瓦级电站的重量,就已经比现在大多数的国际空间站要大,还要考虑到在轨组装的难度,和空间站的建设相比,根本不是一个量级。一个空间站也就由几个舱段构成,在组装时太空机械臂就可以实现,接口的控制也不须考虑过多。但太空电站需要组装大量的模块,组装时不能再采用现在的空间自主交会对接方式,未来,需要设想一套新的空间组装系统,尽可能让接口简化,也需要大量的空间机器人参与。

  “想象一下数千个模块被发射到天上,先进入低轨,再推进到高轨,然后释放,再组装,整个过程的复杂程度肯定远超我们的想象。”他说。

  根据路线图,在建设兆瓦级的第一阶段,具体分三步走,先进行关键技术的地面及浮空器试验验证,也就是璧山项目与西电的“逐日工程”正在进行的工作,其次是进行高空超高压发电输电验证,最终进行空间无线传能试验。

  多位受访专家对《中国新闻周刊》都表示,目前,日本、美国和中国等国都计划在2050年前后实现“逐日”,但由于所需资金巨大,在第二阶段,是否能按期完成计划还有待观察。

  “从技术本身而言,没有卡脖子的制约要素,关键在于大家有没有信心、愿不愿意去投入。如果加大投入的资金,也有可能提前完成计划,但根据目前的进展来看,可能会延迟一些。”五院的专家这样说。

  从APLHA到OMEGA

  在西电校园内,一座巨大的三角形塔平地而起,周围的教学楼在其映衬下显得格外“低矮”。在塔的中心,距离地面55米高的地方,有四个半球面的聚光装置,每个直径约6.7米,这是聚光式太空电站的核心。当太阳光射入球形反射面上后,会汇集到一个固定的聚光区,再打入光伏电池并产生直流电,随后转成微波,通过发射天线传输到地面。

  这是段宝岩团队独家设计的OMEGA方案在地面的全链路演示过程。

  自美国设计出“1979-SPS基准系统”之后,国际上已经提出了几十个不同的太空电站概念方案,可以分为非聚光式和聚光式两大类型。最早的1979方案是经典的非聚光式,即照射过来的太阳光即时被转化成电能,再转成微波发射出去,但这个过程中,最大的难点是如何同时实现“两个定向”,即在转动中,电池阵必须一直对着太阳,发射天线始终对地,就像卫星一样。

  前述五院专家解释说,由于太空电站的体量太过庞大,且结构复杂,这么大的质量,要让它转动起来满足“两个定向”,同时还要传电,这对于总体控制系统的要求极高。

  近年来,聚光式太空电站成为国际上的研究热点。2012 年,约翰·曼金斯提出了ALPHA方案,全称是“任意相控阵空间太阳能电站”,整个结构被设计成一个“酒杯”,通过“酒杯”杯身内部弧形反射面的设计,使射入光集中到底部的三明治结构上,在这里,太阳能电池阵、电力传输与管理系统,以及微波发射天线三部分被集成为一体。现在,太阳电池阵和天线集成在一起的三明治结构始终对准地面,不用再转动,只需要将聚光系统设计成可以调整的结构即可,但这一设计也将非常复杂。

  前述五院专家认为,聚光式方案目前虽然很热,但综合技术难度更大,相比之下,非聚光式方案更有现实可行性,只需要解决大功率导电旋转关节的技术难题,对此,五院已布局展开相关研究。

  但在段宝岩看来,非聚光的最大问题是效率较低,因此,聚光式方案将会是未来的发展方向。今年内,他们团队预计会完成OMEGA的地面验证试验,如果验证通过,在传输效率和功质比上都有不错的数据,下一步,就是考虑如何将它“升空”。

  中科院院士、“两弹一星”元勋王希季曾有一个论断:发展空间太阳能电站将带来前所未有的、影响深远的改造客观世界的重大变革。在解决能源问题之外,多位专家指出,研发太空电站更重要的意义是可以带动整个航天领域空间技术的全面进步,比如在轨大型结构制造能力、人类利用空间能力,以及具有非常多应用场景的微波传输能力。

  前述五院专家指出,小到空间站的建设,大到月球探测、火星移民,有充足的供电是基本条件。太空电站建成后,对人类开发太空也将起到巨大帮助。

  值班编辑:王琳

原标题:太空电站解决人类能源危机的终极出路