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人類能靠天基太陽能解決能源和氣候問題嗎?
發(fā)布時(shí)間:2022-04-24 08:49:41 文章來源:KE科日光伏網(wǎng)
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天基太陽能,或許能成為未來全球能源結(jié)構(gòu)的重要部分,影響還遠(yuǎn)不止于此。

太陽能發(fā)電早已成為全世界能源結(jié)構(gòu)中的重要部分,而在不久的未來,我們或許還會(huì)把太陽能發(fā)電站建到太空中去。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)本月在第六次氣候評(píng)估報(bào)告中警告,將全球升溫控制在1.5°C以內(nèi)的窗口正在關(guān)閉,除非全球立刻采取極端措施,氣候?yàn)?zāi)難將難以避免??稍偕茉吹氖褂檬亲钪匾拇胧┲?,可雖然近年來全球太陽能的技術(shù)和應(yīng)用都在迅速發(fā)展,但與1.5°C溫控目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)之間,仍有相當(dāng)大的距離。好在,許多國(guó)家的政府和科研機(jī)構(gòu),都將推進(jìn)太陽能的研發(fā)和應(yīng)用放在了重要位置。

英國(guó)在4月8日最新更新的“凈零創(chuàng)新組合”(Net Zero Innovation Portfolio)中就明確規(guī)劃了多個(gè)大型可再生能源項(xiàng)目,其中“天基太陽能”(space-based solar power)發(fā)電站格外引人注目――把太陽能發(fā)電站建在太空中,更多、更直接地接收太陽輻射,獲得遠(yuǎn)勝地面的發(fā)電效益。英國(guó)Frazer-Nash咨詢公司在近日的一份報(bào)告中指出,這項(xiàng)耗資170億英鎊的工程有望于2040年左右在地球同步軌道上建成一個(gè)直徑1.7公里的天基太陽能發(fā)電站,搭配一個(gè)長(zhǎng)13公里、寬6.7公里的地面接收設(shè)施,為英國(guó)提供2 GW(20億瓦)的電力。

其實(shí),在太空中建設(shè)大型太陽能設(shè)施,并非英國(guó)首創(chuàng),許多國(guó)家都已經(jīng)在進(jìn)行相關(guān)的構(gòu)想甚至探索。美國(guó)從1970年代起就已開始關(guān)注空間太陽能工程的可能性(盡管在當(dāng)時(shí)并不可行),并在最近十多年啟動(dòng)了具體研究,在2020年完成了有關(guān)的太陽能組件和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的測(cè)試。中國(guó)也正在重慶璧山基本建成了首個(gè)空間太陽能電站試驗(yàn)基地,計(jì)劃到2035年完成首個(gè)空間太陽能發(fā)電站的建設(shè)。

這項(xiàng)看起來很像是“未來技術(shù)”的工程,從五十多年前就已開始受到學(xué)界密切關(guān)注,天基太陽能與地面太陽能相比,在理論上有著不小的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)西北地區(qū)是全球太陽能資源最密集的地區(qū)之一,每平方米太陽能電池板所能提供的發(fā)電功率僅為約0.4 kW,而在約3.6萬公里高度的地球同步軌道上,這個(gè)數(shù)字會(huì)增加到10-14 kW,約為前者的30倍,且部署在太空中的太陽能電池板能24小時(shí)幾乎不間斷地工作,不會(huì)受到晝夜差異、陰雨天氣的影響。如果能把天基太陽能的成本控制在可接受的范圍內(nèi),這將有希望成為全球能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中重要的一部分。

成本和可靠性的挑戰(zhàn)

不過,要把天基太陽能的成本控制在可接受的范圍內(nèi),同時(shí)保證其可靠性,并非一件易事――從美國(guó)花了40年才把天基太陽能由空想變?yōu)閷?shí)際研究,以加利福尼亞理工學(xué)院(Caltech)為代表的頂尖研究團(tuán)隊(duì)又花了十余年才走出理論設(shè)計(jì)展開具體測(cè)試,難度可見一斑。

把太陽能設(shè)備送入太空,面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)來自于太陽能電池板的重量。目前在地面上常用的太陽能電池板每平方米普遍重約5千克。Frazer-Nash咨詢公司指出,雖然技術(shù)優(yōu)化能夠?qū)⑦@一數(shù)字大幅降低,但最終建成的太陽能衛(wèi)星仍將重約2000噸。照此計(jì)算,即使使用目前最強(qiáng)大的SpaceX獵鷹重型(Falcon Heavy)運(yùn)載火箭(至地球同步軌道的有效載荷約26.7噸),也需要大約75次發(fā)射才能將所有電池板模塊運(yùn)抵軌道。根據(jù)近年的價(jià)格數(shù)據(jù)估算,這將帶來超過110億美元(85億英鎊)的發(fā)射成本。

設(shè)備在地球同步軌道搭建完成后的運(yùn)行過程,也面臨著一些實(shí)際挑戰(zhàn)――在太空環(huán)境中,太陽能電池板會(huì)變得十分脆弱。太空垃圾、宇宙碎片會(huì)以高速撞擊設(shè)備,可能會(huì)對(duì)面板造成不可逆的損壞。即使不會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作,面板的折損速率也是不可忽略的。另外,在沒有大氣層保護(hù)、地球磁場(chǎng)保護(hù)也很弱的地球同步軌道,航天器面臨著太陽風(fēng)和高能宇宙射線的不斷轟擊,這會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體面板的分解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面情形,導(dǎo)致收集到的太陽能降低,設(shè)備壽命明顯降低。

最后,如何將電力有效地傳輸?shù)降孛嬉彩且粋€(gè)問題。一方面,遠(yuǎn)距離無線電力傳輸?shù)男誓壳斑€只能達(dá)到1%的數(shù)量級(jí)(不過這也意味著與目前相比,天基太陽能的前景還很廣闊)。另一方面,如何規(guī)劃占地面積巨大,且對(duì)氣候條件有所要求的接收設(shè)施,也是一個(gè)需要解決的政策問題(英國(guó)計(jì)劃把首個(gè)接收設(shè)施建設(shè)在海面上)。

雖挑戰(zhàn)重重,但大有可為

盡管挑戰(zhàn)重重,但天基太陽能工程也絕非不可為。

一些國(guó)際團(tuán)隊(duì)的研究已在近年實(shí)現(xiàn)了單位面積重量比過去低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的輕質(zhì)太陽能面板,可用于空間部署。而相同質(zhì)量載荷的發(fā)射成本也在不斷降低。以SpaceX可重復(fù)使用版本的獵鷹重型火箭為例,可重復(fù)使用發(fā)射的單次成本僅為一次性火箭的2/3,這個(gè)比例在未來還有希望進(jìn)一步降低。中國(guó)的可重復(fù)使用火箭也正在研發(fā)之中,首次發(fā)射將在2025年內(nèi)進(jìn)行??梢灶A(yù)見,這些技術(shù)在未來十年的進(jìn)一步發(fā)展,將使得太陽能設(shè)施的空間部署成本大大降低。同樣,電力遠(yuǎn)距離傳輸?shù)募夹g(shù)也有望進(jìn)一步發(fā)展,不但電力傳輸效率有著數(shù)量級(jí)上的提升空間,收發(fā)設(shè)施的規(guī)模和成本也可通過天線和電路等的改良得到優(yōu)化。一些研究已經(jīng)通過使用卡塞格林天線(Cassegrain antenna)等途徑,在這些方面取得了可觀的進(jìn)展。

各國(guó)把天基太陽能項(xiàng)目提上議程的原因,可能是預(yù)見到技術(shù)進(jìn)步將讓天基太陽能成為可能。反過來,天基太陽能項(xiàng)目的推進(jìn),也將帶來長(zhǎng)遠(yuǎn)的技術(shù)進(jìn)步,以及更多的益處。

天基太陽能工程本身的發(fā)展趨勢(shì)來看,未來的發(fā)電效益不容小覷――以英國(guó)的2 GW衛(wèi)星作為參照,假如研發(fā)者能夠?qū)鬏斝侍岣咧?0%,且能夠不間斷運(yùn)行的太陽能系統(tǒng),功率就將達(dá)到20 GW,全年發(fā)電量將達(dá)到1750億千瓦時(shí),相當(dāng)于1.5個(gè)三峽水利樞紐(根據(jù)三峽集團(tuán)年報(bào),2020年三峽總發(fā)電量為1118億千瓦時(shí))。

從項(xiàng)目涉及具體技術(shù)的廣泛應(yīng)用來看,遠(yuǎn)距離大功率輸電的研發(fā)成果,也能在其他許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。例如,“遠(yuǎn)距離無線充電”技術(shù)目前只在一些科技公司的概念產(chǎn)品中出現(xiàn),并且僅限于較低功率,可遠(yuǎn)距離大功率微波輸電技術(shù)的研究者們已經(jīng)開始使用微波無線電力傳輸系統(tǒng)為無人飛行器、孤島,甚至衛(wèi)星供電。除了無線輸電以外,天基太陽能涉及的等其他技術(shù),也一樣能在許多科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域大顯身手――半導(dǎo)體、光伏、航天器模塊在軌組裝、可重復(fù)使用火箭等技術(shù),正是各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的焦點(diǎn)項(xiàng)目。

這樣的大型項(xiàng)目對(duì)社會(huì)的科學(xué)影響也將是廣泛而長(zhǎng)遠(yuǎn)的。美國(guó)自上世紀(jì)中期開始圍繞頂尖高校院所建立的科學(xué)傳播體系已經(jīng)吸引了無數(shù)青少年投身STEM領(lǐng)域,其中許多如今已經(jīng)成為各自研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。英國(guó)Frazer-Nash的報(bào)告也指出,天基太陽能工程的推行將在吸引全球?qū)W者、促進(jìn)前沿領(lǐng)域國(guó)際合作、激發(fā)年輕學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)的熱情、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)商業(yè)應(yīng)用等諸多方面產(chǎn)生難以定量,但持久廣泛的回報(bào),這正是政府應(yīng)當(dāng)對(duì)其投入資源首要理由。

中國(guó)的空間太陽能試驗(yàn)項(xiàng)目同樣沒有忽視這一點(diǎn),圍繞它的研究項(xiàng)目建設(shè)并不是散兵游勇――3月初步建成的重慶璧山空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地,提供了先進(jìn)全面的試驗(yàn)設(shè)施。除了實(shí)驗(yàn)大樓外,百米尺度的微波試驗(yàn)塔、大型能量波束測(cè)量天線陣、激光實(shí)驗(yàn)臺(tái)、空間綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置、電磁生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等將為研發(fā)工作提供全面保障。項(xiàng)目還與宇航學(xué)會(huì)一同在璧山建設(shè)了科普培訓(xùn)基地,將在將來舉辦高水平的培訓(xùn)和技術(shù)競(jìng)賽,激發(fā)青少年和公眾的科學(xué)興趣。

天基太陽能,本身或許最終可行,也或許不可行;或許能在十年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí),也或許二十年后的技術(shù)都仍不足夠;或許會(huì)成為全球能源結(jié)構(gòu)中的重要部分,也或許只能為整個(gè)地球提供電力供應(yīng)中的一小部分,與聚變發(fā)電相比不值一提。但作為一個(gè)集航天、能源、半導(dǎo)體等諸多領(lǐng)域于一身的大型項(xiàng)目,促進(jìn)跨學(xué)科研究、吸引國(guó)際合作、推動(dòng)研究成果商業(yè)化的能力,一定是國(guó)家科技發(fā)展的重要“電力”;激發(fā)科技熱情、傳播科學(xué)精神、啟迪科學(xué)智慧的價(jià)值,更是這個(gè)世界不斷變革,戰(zhàn)勝過去,走向未來的珍貴“能源”。

標(biāo)簽: 太陽能電池板 可重復(fù)使用 能源結(jié)構(gòu)

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