劉慈欣在他的科幻小說《中國太陽》中構想了這樣一個裝置:一個在太空中的巨大鏡子,能夠通過反射太陽光調節區域氣候。空間太陽能電站能與之十分類似。隨著中國首個空間太陽能電站實驗基地的落地,這一構想正在從科幻作家的腦海中變為現實。
從科幻誕生的概念
空間太陽能電站(SPS),也稱天基太陽能電站(SBSP),是指在空間將太陽能轉化為電能,再通過無線能量傳輸方式傳輸到地面的電力系統。1941年,科幻小說作家艾薩克·阿西莫夫發表了科幻小說短篇小說《理性》,其中一個空間站用微波光束把從太陽收集的能量傳輸到各個行星。SBSP(Space-basedsolar power)概念最初被稱為衛星太陽能系統,于1968年11月格拉澤(Glaser)博士首次提出,,這一設想是建立在一個極其巨大的太陽能電池陣的基礎上,由它來聚集大量的陽光,利用光電轉換原理達到發電的目的。所產生的電能將以微波形式傳輸到地球上,然后通過天線接收經整流轉變成電能,送入全國供電網。
空間太陽能電站在空間利用太陽能,不受季節、晝夜變化等的影響,接收的能量密度高,約為1353W/m2,是地面平均光照功率的7~12倍。同時,也基本不受大氣的影響,可以穩定地將能量傳輸到地面,非常適合于太陽能的大規模開發利用。在地球同步軌道,99%的時間內可以穩定接收太陽輻射,向地面固定區域進行穩定的能量傳輸。
不僅如此,空間太陽能電站基于自身的大功率,以及能量多種方式傳輸的靈活性等特點,不僅成為未來持續穩定的電力來源,并且在電網調度、軍事無線供電、氣象科學研究、應急救災、空間供電、行星探測等多個領域中具有重要的潛在應用。劉慈欣筆下的中國太陽的氣候調節功能也有望通過空間太陽能電站實現。通過調節微波的頻率,甚至可以調節、控制熱帶氣旋的走向和強度,從而徹底解決東南沿海自古以來的臺風問題。
各國的空間光伏競賽
美國
1968年,美國格拉澤博士提出空間太陽能電站的構想后,美國國家航空航天局(NASA)與美國能源部已經在過去30年花費了8000萬美元支持空間太陽能電站概念的研究,并且提出了第一個空間太陽能電站系統方案概念“1979SPS基準系統”,作為后續研究的基準和參考。2012年,在NASA創新概念項目支持下,約翰·曼金斯(JohnMankins)教授提出“任意大規模相控陣式空間太陽能電站”(SPS-ALPHA)方案。2015年,美國諾格公司(Northrop Grumman)與加州理工大學簽署一項3年總額1750萬美元的空間太陽能電站技術研發合同,成為近年來空間太陽能電站領域最大的合同。雖然空間太陽能電站未被列入正式的美國國家發展計劃,但得到了持續的關注和發展。
日本
日本在微波無線能量傳輸技術的研究和試驗方面處于世界領先地位。2004年,日本正式將發展空間太陽能電站列入國家航天發展計劃,2006年,日本東京大學和神戶大學聯合開展“風呂敷試驗”(Furoshiki),進行了空間網狀天線展開、測試微波能量傳輸波束控制及機器人爬行試驗。在日本經產省和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的支持下,日本國家研究機構、企業和高校形成“官產學”聯合研究的模式,并規劃在2030年后建設商業化空間太陽能電站,總投資將超過210億美元。其基本原理和美國類似,但日本科學家采用頻率為2.45GHz和5.8GHz微波傳送,這項技術在日本已經應用于工業和醫療設備。在北海道的研究基地,日本科學家用直徑2.4m的儀器裝置進行了地面接收太空微波的實驗。
其他地區
俄羅斯、歐洲航天局(ESA)、國際無線電科學聯盟和國際宇航科學院等研究機構也在近年開展了空間太陽能電站的專題技術研究。2012年,以國際宇航科學院發電委員會成員為主的研究團隊完成了《空間太陽能電站—第一次國際評估:機遇、問題及可能的發展途徑》報告。該報告分析了空間太陽能電站在未來幾十年對于快速增長的豐富的可再生能源方面可能扮演的角色,并且評估了與空間太陽能電站概念相關的技術成熟度和技術風險,最終形成了一個可能引導這一遠景概念實現的合理的國際路線圖。歐洲航天局、加拿大、俄羅斯等國及相關國際組織在該領域真正的投入較少,但非常關注該領域的發展。
中國:從陪跑到領跑,認真踐行一個50年的計劃
“中國人真正擅長的一件事就是長期思考,與美國的思維不同,他們能把計劃和問題規劃長達50年之久。”—馬克霍普金斯,國家航天學會董事會。
就像流浪地球里一樣,中國正在持之以恒的推進這項為期50年的“科幻”計劃。我國自20世紀末開展空間太陽能電站方案及技術研究。中國空間技術研究院在國家民用航天預研項目支持下,提出了平臺非聚光型空間太陽能電站方案、二次對稱聚光型空間太陽能電站方案和多旋轉關節空間太陽能電站方案。
2013年底,國家國防科工局聯合國家發改委、科技部、工業和信息化部、原總裝備部、教育部、中國科學院、國家自然科學基金委員會等部委,組織開展了空間太陽能電站發展規劃及關鍵技術體系論證工作,系統闡述了我國開展空間太陽能電站項目研究的意義和必要性,提出了分兩個階段進行空間太陽能電站研發的總體規劃和技術路線。建議將兆瓦級電站方案及全系統仿真作為實現規劃中期目標的基礎,同時加大對空間太陽能電站核心關鍵樣機研制和試驗驗證的投入力度,拓寬支持渠道。
2018年12月6日,我國首個空間太陽能電站實驗基地正式落戶重慶璧山。
該項目以空間能源技術發展前沿為引導,開展微波輸能、測控與通信等方向的基礎研究和應用研究。計劃在2020年前投資2億進行空間太陽能電站實驗基地及研發平臺建設,2025年左右實現中小規模平流層太陽能電站及并網發電,2025年后開展大規模空間太陽能電站系統應用工作。下一步將是在2030年開始建設兆瓦級空間太陽能試驗電站。2050年后建設吉瓦級商業空間太陽能電站。中國有望成為世界首個建成有實用價值空間太陽能電站的國家。
空間太陽能電站關鍵技術發展建議
當然,在實現這一個宏大目標的路上,仍然有許多的困難需要克服。空間太陽能電站作為一個巨大的空間系統,其主要技術特點是面積大、質量大、功率大,其發展所面臨的核心問題和關鍵技術包括以下幾個方面。
空間超大型可展開結構及控制技術
主結構用于支撐整個空間太陽能電站,考慮到姿態和軌道調整的要求,主結構應保持足夠的剛度。同時,還要充分考慮在軌組裝和在軌維護的需要。
空間高效太陽能轉化及超大發電陣技術
提高系統的效率、降低質量,以及提高電壓和使用壽命是空間太陽能發電技術的關鍵。需要發展高效率、空間環境適應性好的薄膜太陽電池,同時需要發展在軌展開的超大面積的柔性太陽電池陣。為了減小電力損耗,需要發展高壓太陽電池陣技術。
空間超大功率電力傳輸與管理技術
作為一個超大功率的空間系統,空間太陽能電站系統需要長達數十km的電力傳輸電纜,為了減小損耗,需要采用超高電壓。同時需要發展超大功率高效電壓變換技術以及超大功率導電旋轉關節技術等。
無線能量傳輸技術
功率高、效率高、傳輸距離遠和高精度方向控制是無線能量傳輸的主要技術特點,超過30年的壽命要求也對無線能量傳輸技術提出了很高的要求。
軌道間轉移技術及大功率電推進技術
為了降低運輸到GEO的成本,初步考慮采用重型運載將載荷運輸到LEO,利用可在LEO 和GEO 間進行往返運輸的軌道轉移器將載荷運輸到GEO。為了減少燃料消耗,需要發展大功率電推進系統,利用多個電推力器的組合實現大型電推進軌道轉移器。
空間復雜系統在軌組裝及維護技術
空間太陽能電站作為一個宏大的長壽命系統,必須發展功能強大的在軌組裝及維護技術,實現大規模的、復雜的在軌組裝、在軌維護和燃料補給等。
大型運載器及高密度發射技術
空間太陽能電站質量達到數千t以上,再考慮其建設、維護所需的人員及貨物運輸需求,對于運輸能力、運輸頻率、運輸成本提出巨大的挑戰。
電站系統運行控制及地面接收管理技術
系統運行控制及地面運行管理主要包括兩方面的內容:對整個空問系統狀態信息的接收和處理以實現運行控制與健康管理;地面大功率電力的接收、調節、控制及入網技術等。
電站發展的基礎材料和器件研究
為了實現空間太陽能的高效利用和傳輸,且大幅降低空間太陽能電站的整體質量、提高系統的壽命,空間太陽能電站發展需要相關基礎材料和器件性能的極大提升。
也許在不遠的將來,我們會從新聞里聽到:“中國建成世界首個光伏空間發電站”的消息,我們不需要像流浪地球一樣,需要一百代人,兩千五百年完成一項計劃,但我們也應該銘記,這項50你年的計劃后,是兩代國人的心血和希望。
“誰也不知道中國太陽將飛多遠,水娃他們將看到什么樣的神奇世界……但水娃終究會牢記母親新鄉上的一個叫中國的國度,牢記那個國度西部一片干旱土地上帝一個小村莊,牢記村前的那條小路,他就是從那里啟程的。”-劉慈欣,中國太陽