當(dāng)前，空間太陽能電站研究主要聚焦在哪些領(lǐng)域，空間太陽能電站建設(shè)還需要破除哪些障礙？

 

全球研發(fā)提速

 

空間太陽能電站是上世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家提出的一項(xiàng)太陽能利用方案：通過衛(wèi)星從太空捕集太陽能、轉(zhuǎn)換成微波能量，以一種安全、穩(wěn)定的無線能量傳輸方式傳到地面站，通過地面站把接收的微波能量轉(zhuǎn)化為電能后接入電網(wǎng)。

 

經(jīng)過50多年的發(fā)展，空間太陽能電站離我們越來越近。國際宇航科學(xué)院秘書長讓·米歇爾·康坦告訴記者：“為了實(shí)現(xiàn)不受季節(jié)、晝夜變化等影響的太陽能發(fā)電，我們進(jìn)行了很多研發(fā)和測試，研究如何使用地球之外的清潔能源。目前，空間太陽能電站概念已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)中得到了重要發(fā)展。”

 

記者采訪獲悉，空間太陽能發(fā)電技術(shù)（SPS）吸引了中國、美國、日本、韓國、英國、俄羅斯、法國、澳大利亞、歐空局等國家和組織的興趣。美國在上世紀(jì)70年代提出第一個(gè)空間太陽能電站系統(tǒng)方案概念——1979SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)，2012年提出了“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽能電站”；日本將發(fā)展空間太陽能電站正式列入宇宙基本計(jì)劃，在微波無線能量傳輸技術(shù)領(lǐng)域的研究世界領(lǐng)先，規(guī)劃在2050年后建設(shè)商業(yè)化空間太陽能電站；英國進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性評估后，于今年9月正式發(fā)布了《國家空間戰(zhàn)略》，明確提出應(yīng)當(dāng)發(fā)展空間太陽能電站，為英國提供一種潛在的零排放能源。

 

“中國在空間太陽能發(fā)電技術(shù)相關(guān)研究中提出了創(chuàng)新的多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及球型能量收集陣列等空間太陽能電站方案，同時(shí)在無線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)方面取得了重要的進(jìn)步。如今我們研究的薄膜太陽能電池可應(yīng)用在空間太陽能發(fā)電技術(shù)當(dāng)中，發(fā)電效率可達(dá)30%。”據(jù)中國宇航學(xué)會(huì)空間太陽能專業(yè)委員會(huì)主任委員李明介紹，目前，我國正在建設(shè)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)基地，一個(gè)是2018年開始在重慶建立的“空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地”，預(yù)計(jì)2022年7月完成基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；另一個(gè)實(shí)驗(yàn)基地是在西安建立的“空間太陽能電站全鏈路地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)”。

 

我國空間太陽能電站研究實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”。按照我國專家提出的空間太陽能電站發(fā)展建議，2025年，我國將開展中小規(guī)模浮空器能量傳輸試驗(yàn)，此后將逐漸開展空間太陽能電站關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證工作，2035年開始建設(shè)兆瓦級空間太陽能試驗(yàn)電站。

 

挑戰(zhàn)大于機(jī)遇

 

在業(yè)內(nèi)人士看來，隨著可重復(fù)運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展大幅降低發(fā)射成本，空間太陽能電站先進(jìn)方案設(shè)計(jì)和關(guān)鍵硬件技術(shù)取得突破，制約空間太陽能電站發(fā)展的技術(shù)經(jīng)濟(jì)障礙有望克服，“不過，目前挑戰(zhàn)仍大于機(jī)遇。”

 

“美國和世界其它地區(qū)都在研究可重復(fù)使用的低成本發(fā)射裝置，未來的成本可降低90%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，未來航天器硬件成本也有望降低90%。這些研究表明，過去一直阻礙空間太陽能電站事業(yè)的成本障礙基本消除。”國際宇航科學(xué)院十年空間太陽能評估主席、國際宇航聯(lián)合會(huì)空間能源委員會(huì)主席約翰·曼金斯表示。

 

“技術(shù)上的挑戰(zhàn)主要來自三個(gè)方面。”李明告訴記者，“一是無線能量傳輸。地球同步軌道對地面進(jìn)行無線能量傳輸要求高功率、高效率和高精度。我們已在地面上做了很多實(shí)驗(yàn)，目前的能量傳輸精度可達(dá)到約0.1度，但仍然還有很長的路要走，因?yàn)閷?shí)際要求是0.0005度。二是空間高功率發(fā)電及電力傳輸管理，在空間開展高壓、高功率、遠(yuǎn)距離的傳輸，對現(xiàn)有的技術(shù)來說均是巨大的挑戰(zhàn)。三是電站的組裝與控制。由于空間太陽能電站不能直接發(fā)射，需要把模塊發(fā)射到軌道，在太空中進(jìn)行部署和組裝。”

 

在業(yè)內(nèi)人士看來，效率是空間太陽能電站應(yīng)用最核心的問題，總效率必須要達(dá)到10%以上，才具備實(shí)用價(jià)值。提升三個(gè)環(huán)節(jié)的效率是未來研究的關(guān)鍵：一是太陽能轉(zhuǎn)化成電能再轉(zhuǎn)化為微波；二是微波從36000公里的高度傳輸?shù)降孛妫@中間有一些空間傳輸?shù)膿p失；三是地面電站接收微波后，轉(zhuǎn)化成直流電。提升這三個(gè)環(huán)節(jié)的效率，是未來研究的關(guān)鍵。

 

標(biāo)準(zhǔn)尚待制定

 

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，除了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性以外，空間太陽能電站的發(fā)展還涉及到許多政策、法律和標(biāo)準(zhǔn)問題。“空間太陽能電站采用的頻率如何確定，允許的微波功率密度是多少，如何考慮無線能量傳輸?shù)陌踩砸约安粚ζ渌O(shè)施造成干擾，空間太陽能電站的軌道參數(shù)以及互聯(lián)方式等諸多標(biāo)準(zhǔn)尚需明確。”英國Frazer-Nash咨詢公司太空業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人、空間能源倡議聯(lián)合主席馬丁·索爾陶表示。

 

另外，如何保證空間太陽能電站不會(huì)產(chǎn)生太空垃圾，報(bào)廢時(shí)間如何確定，報(bào)廢后怎么來處理等，均需國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂標(biāo)準(zhǔn)。

 

為了達(dá)到零碳排放的目標(biāo)，世界對于發(fā)展新型清潔能源的需求日益迫切，隨著航天技術(shù)的快速進(jìn)步，空間太陽能電站作為一種新型太陽能大規(guī)模開發(fā)方式正在迎來良好的發(fā)展機(jī)遇，未來10—20年，將成為關(guān)鍵技術(shù)突破和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的重要時(shí)期。