前程战地的根本财富,太空收罗太阳能不再是

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  中国科学报9月6日第9版讯SPS-ALPHA系统由数千个薄而弯曲的类似镜子的组件构成,可以移动以便让所能收集的太阳能实现最大化。SPS-ALPHA内安装光伏板,将太阳能转化成微波。微波随后从这个“鸡尾酒杯”的底部传给地球。图片来源:《每日邮报》   将太阳能作为能源和动力,人类已经探索了近400年,利用的方式一种是光热转换,一种是光电转换。   其中光电转换就是在地面或其他开阔地铺设太阳能电池板,并通过控制器将太阳能直接转化成可利用的交流电或直流电,也可以先把电放入蓄电池储存起来再利用。   但通过这样的方式我们所得到的太阳能已经被大气层层层剥削,只剩太空中太阳辐射的1/10~1/5,尽管光电转化效率已经从最初的10%提升到了40%左右,但地面太阳能发电的实际效果还是打了很多折扣。   因此,科学家们很早就将视野转向太空,如果能从太空直接收集太阳能,那么,太阳能的可用量将是地球上的数十亿倍。

美国《外交政策》网站6月16日发表文章称,美国的领导层对于基于太空的太阳能技术不够认真,与之相比,中国在空间太阳能发电平台技术领域却处于前沿的位置,并称中国计划到2050年将一个商业规模的太阳能电站送入轨道。空间太阳能发电平台,可以理解为太空中的“发电厂”。为何中国在该领域的大发展会让美国“红了眼”?空间太阳能发电平台的技术原理和未来现实应用又是什么?

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澳门威斯尼斯人手机版 3卫星看上去就像是一个鸡尾酒杯,它内装光伏板,可将太阳能转化成微波。微波会传输给地球上的发电站,后者接收后将微波转换成电,然后传输给消费者。

网易科技讯3月13日消息,据国外媒体报道,随着绿色能源革命在全世界的加速发展,太阳能发电已成为众人所熟悉的景象。而中国正在将太阳能发电提升到一个全新的水平。中国宣布,计划在2050年前将一座太阳能发电站送入地球轨道,这一壮举将使其成为首个利用太空太阳能并将其传输回地面的国家。

满足人类1/3用电需求

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印度在喜马拉雅山脉上建造的太阳能发电站

    广州日报9月21日B4版讯目前,前美国宇航局工程师正在研制一种鸡尾酒杯形卫星,声称能够在2025年满足人类三分之一的用电需求。这并非痴人说梦,基于在未来十年可能逐步实现的无线传输技术,这个奇思妙想完全可能变成现实。华南理工大学电力学院副院长张波教授在采访中表示,别说三分之一,就算能满足地球百分之一的用电需要,对人类未来发展的影响都会是巨大的。他呼吁我国要重视这一领域技术的革新发展,现在不争取分得一杯羹,未来单是付给美国的专利费就有可能是天文数字。

鉴于太阳一直存在于太空中,太空太阳能发电被视为最为可靠的可再生能源。

  美国宇航局前工程师约翰·曼金斯博士正在研制一种鸡尾酒杯形卫星,声称能够在2025年满足人类1/3的用电需求。这种卫星名为“SPS-ALPHA”,由美国宇航局委托曼金斯研制,旨在探索利用部署在太空中的太阳能电池板向地球传输能量的可能性。   曼金斯最近在接受国外媒体采访时指出,如果资金到位,SPS-ALPHA最早可在2025年发射升空。他说:“一个太阳能卫星阵列便可满足人类1/3的用电需求。虽然并非同时满足,但却能够满足任何一个市场的用电需求。”   根据曼金斯的设想,SPS-ALPHA将收集的太阳能转化成微波,而后传输给地球上的发电站,后者接收后将微波转换成电,最终传输给消费者。这一系统由数千个薄而弯曲的类似镜子的组件构成,可以移动以便让所能收集的太阳能实现最大化。SPS-ALPHA内安装光伏板,将太阳能转化成微波。微波随后从这个“鸡尾酒杯”的底部传给地球。   哈尔滨工业大学电气学院副院长、智能测试及信息处理技术研究所所长朱春波在接受《中国科学报》记者采访时表示,从太空中直接收集太阳能的想法实际上在几十年前就有了,只是一直都没有成功实现。   自从20世纪60年代以来,人类就从科学角度论证了“基于太空的太阳能”的可行性,而从太空轨道往地面发射微波的概念也证实是可行的。   曼金斯认为,SPS-ALPHA的成本会低于其他一些方式,比如环绕地球的单一阵列。对于这个方案,他认为,如果能够取得成功,向地球远程传输具有经济可承受性的电量,可以达到10~1000兆瓦。   朱春波认为,如果这样的技术能够成功,他们所设想的结果是可以满足的。

其实,美国国内出现以上论调并非首次。

据德国《航空杂志》网站日前报道,去年底,德国一个研究团队制造出一款太阳能无人机,可在大气平流层中停留,滞空时间长达3个月。根据研发进度,这架太阳能无人机在进行相关测验工作后,将很快试飞。与传统飞机相比,太阳能无人机无需携带任何燃料,利用太阳能电池产生的电量即可供飞机远距离飞行,夜间也能依靠白天储存的太阳能持续飞行。正因如此,太阳能无人机拥有十分广阔的应用前景,太阳能无人机只是外军在发展太阳能电池应用方面的一个缩影。 太阳能电池是利用半导体的光伏效应,直接将光能转换成电能的装置,因此又称为“光伏电池”。太阳能电池的大规模产业应用,即人们所说的太阳能产业。近年来,伴随太阳能电池技术的进步和应用,太阳能产业得以迅速发展。据悉,到2040年,可再生能源在全球总能源结构中占比将达到50%以上,作为可再生能源主力,太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比达20%。到21世纪末,这两项数据将分别增长到80%和60%。可见,光伏发电将在未来能源领域占据重要战略地位,而太阳能电池则是名副其实的“能源明日之星”。 技术突破推动应用澳门威斯尼斯人手机版, 太阳能光伏发电因利用方便、对环境友好、维护简单、寿命长等优点,被认为是解决战场和航天能源供给的重要途径,备受各国军方重视。不过长期以来,各种太阳能电池的转换效率不高成为制约其大规模推广的主要原因。近年来,太阳能电池在诸多技术领域取得突破,大大推动光伏发电的军事应用。 光电转换效率实现重大突破

打造鸡尾酒杯形卫星来为地球供电

“你不必应对昼夜周期,你不必应付云层或季节变化,所以相比于现有的地面太阳能,你有8到9倍的能源可用,”加州理工学院电气工程系教授阿里·哈吉米利(Ali Hajimiri)如是指出。其也是该太空太阳能项目负责人。

高效利用太阳能

今年3月,曾在美国航空航天局和加州理工学院喷气推进实验室工作多年的科学家约翰•曼金斯就在美国消费者新闻与商业频道指出,电能从太空输送到地球这一想法有可能从根本上改变电力行业的经营理念,并且让首先做到这一点的任何一个世界大国可以在全球范围内获得对这一领域的控制权。

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  前美国宇航局(简称NASA)工程师约翰-曼金斯博士正在研制的这种鸡尾酒杯形卫星名为“SPS-ALPHA”(“随机性大型相位阵列太阳能人造卫星”的英文首字母缩写)。它由宇航局委托曼金斯研制,旨在探索利用部署在太空中的太阳能电池板向地球传输能量的可能性。   SPS-ALPHA系统由数千个薄而弯曲的类似镜子的组件构成,可以移动以便让所能收集到的太阳能实现最大化。SPS-ALPHA内安装光伏板,将太阳能转化成微波。微波随后从这个“鸡尾酒杯”的底部传给地球。   曼金斯博士在接受采访时指出,如果资金到位,SPS-ALPHA最早可在2025年发射升空。他说:“一个太阳能卫星阵列便可以满足人类三分之一的用电需求。”   根据曼金斯的设想,SPS-ALPHA会将收集的太阳能转化成微波,而后传输给地球上的发电站,后者接收后将微波转换成电,然后传输给消费者。他指出,SPS-ALPHA的成本低于其他一些方式,例如环绕地球的单一阵列。在宇航局的网站上,曼金斯将这一项目称之为“一种新奇的仿生方式,应对利用太空太阳能时受到的挑战”。   他说:“如果取得成功,可向地球远程传输10~1000兆瓦具有经济可承受性的电量。借助于无线能量传输,电量会被传输给地球上有着用电需求的市场。”

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  朱春波告诉《中国科学报》记者,地面上太阳光能量密度比较低,目前我们应用的太阳能板效率只有百分之十几到百分之二十,而光电转换效率又比较低。因此,我们在地面上能够利用到的太阳能是十分有限的。   在太空,理论上,在地球同步轨道上,99%的时间可以接受太阳能辐射,每平方米太阳能可以产生1336瓦热量。早在1968年,美国科学家彼得·格拉赛(Peter Glaser)就首先提出了建造空间太阳能电站的构想。   此后,美国、日本等都提出了自己的国际空间太阳能电站构想。2011年,在中国空间太阳能电站发展技术全国研讨会上,专家也提出了我国空间太阳能电站的发展思路。   2012年,斯特拉斯克莱德大学的研究人员在太空测试过一种装置,可用于收集能量并以微波或者激光束的形式传回地球。这项测试是曼金斯领导的美国宇航局先进理念研究所的一项研究的组成部分。斯特莱斯克莱德大学扮演的角色是为这一项目的结构组件研发具有革新性的解决方案。   斯特莱斯克莱德大学的马斯米利亚诺·瓦斯勒博士指出:“太空是收集太阳能的理想之地,拥有巨大优势。在太空中,你可以在一天中的任何时刻收集太阳能同时不会受到天气条件的制约。”   华南理工大学电力学院副院长张波也告诉《中国科学报》记者,与地面能源相比,从太空中获取太阳能,不仅强度高,由于其本身是无偿的,因而成本低。   在地面上建设太阳能电站需要很大的面积,与火力发电站相比,产生同样电量的太阳能电站所需占地面积可能是火力发电站占地面积的几十倍。此外,为了避免天气对太阳能利用的干扰,就需要庞大的蓄能系统。目前来说,这都是发展太阳能的瓶颈。

曼金斯说:“中国方面明确表现出的兴趣会极大地激发各方对这一领域的兴趣”,而且“中国人当前绝对取得了进展”。

英国“西风”号太阳能无人机

终极目标:打造卫星群 为整座城市供电

网易科技讯3月13日消息,据国外媒体报道,随着绿色能源革命在全世界的加速发展,太阳能发电已成为众人所熟悉的景象。而中国正在将太阳能发电提升到一个全新的水平。中国宣布,计划在2050年前将一座太阳能发电站送入地球轨道,这一壮举将使其成为首个利用太空太阳能并将其传输回地面的国家。

无线传输是关键

以上言论虽存在美国有意“捧杀”之嫌,但却也足以唤起人们对于空间太阳能发电平台的重视和关注。

外军利用太阳能电池的技术发展主要体现在提高其光电转换效率上,近年来,各类太阳能电池效率实现重要突破。2017年,日本研发出一款由薄层硅制成的太阳能电池,转换效率达26.3%,刷新太阳能电池转换效率纪录,且成本更低。2018年4月,德国科学家通过效仿蝴蝶翅膀的纳米结构,发现能高效提升太阳能电池吸光率的新途径,使电池的吸光率最高可提升207%。 可穿戴便携化电池备受青睐

  太空太阳能的可用量是地球上的数十亿倍,向太阳要能量长久以来就被视为满足日益增长的能源需求的一个解决之道。2012年,斯特莱斯克莱德大学的研究人员在太空测试一种装置,可用于收集能量并以微波或者激光束的形式传回地球。这项测试是曼金斯领导的宇航局先进理念研究所的一项研究的组成部分。斯特莱斯克莱德大学扮演的角色是为这一项目的结构组件研发出具有革新性的解决方案。   研究人员的终极目标是打造一个卫星群,能够在将来的某一天为整座城市供电。最初,这种微型卫星并不能取代电网。它们的优势在于可以快速为灾区或者难以到达的偏远地区供电。地球上的接收器负责将接收到的微波或者激光束转化成电。斯特莱斯克莱德大学的马斯米利亚诺-瓦斯勒博士指出:“太空是收集太阳能的一个理想之地,拥有巨大优势。在太空中,你可以在一天中的任何时刻收集太阳能同时不会受到天气条件的制约。”

鉴于太阳一直存在于太空中,太空太阳能发电被视为最为可靠的可再生能源。

  接受采访的专家均表示,空间太阳能电站从长远看是可行的,但是需要在三项技术上有所突破。   空间太阳能电站是一个巨型的发电站,如果将国际空间站作为对比,其在1993年开始实施建造,直到2011年底完成组装工作,总质量为420吨左右,花费了16个参与国超过1000亿美元的资金。而太阳能电站,光伏电池、微波转换装置、发射天线等装置将被装载到卫星平台上,该系统的质量将达到万吨级以上,组装时的运输成本就大得惊人。有预算显示,建设这样一个太阳能发电站需要耗资3000亿~10000亿美元。   “如果无法减轻系统质量,就不可能降低技术复杂性和建造成本。对于一个国家而言,这个工程项目的经济可行性几乎为零。”中国空间技术研究院研究员、《国际太空》杂志副主编庞之浩告诉《中国科学报》记者,由于近年来,太空电梯成为美国、日本等竞相研发的空间课题,一旦空间运输技术得到实质性的突破,运输成本大大降低,也许将为空间太阳能电站的建设提供很大的技术便利。   朱春波说,通过微波传输,在地面还需要一个拥有巨大接收天线的储能电站,占地至少几公里到几十公里,并且需要建在沙漠或海洋等无人区域,才能最终通过储能电站传输给地面用户。   此外,张波认为,现实中阻挠这项技术进步的关键就在于无线传输的效率问题。这也是空间太阳能电站需要突破的第二项技术。   目前无线传输研究比较多的就是微波传输,第二种是近距离电磁感应,第三种是谐振。想要实现从太空到地面的传输,微波是最理想的方式,因为它的传输距离最远。近距离电磁感应的传输单位是毫米到厘米,而谐振的传输单位也只能到米。   微波的理想频率为2.45GH或5.8GH,这两个波段都处于红外线与FM/AM无线电信号之间,最容易穿透大气层。但是张波表示,微波最大的问题是传播效率低,大概只有10%左右。   曼金斯的研究团队也在考虑利用激光束将能量传回地球。朱春波认为,激光束从能量传递上确实有很多优势,不仅损耗小,而且能量集中,这样地面的接收站可以做得更小。但激光束是高密度能量,能够定向损毁目标,如果利用它来传输能量,就需要有能够接收这种高密度能量的技术。“这种高密度能量的接收端,我们还做不到。这涉及到材料的进步,它需要能够接收激光束的高密度能量并且转化为电能。”   除了技术方面的瓶颈,微波对环境的影响,恐怕也是太空向地面传输能量的一个障碍。朱春波说:“在微波的传输通道上,不能有生物存在。因此,接收微波的电站必须建在一个无人区,包括空中也要避开航空活动。条件十分苛刻。”

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专家视点 十年后,无线输电或能变成现实

“你不必应对昼夜周期,你不必应付云层或季节变化,所以相比于现有的地面太阳能,你有8到9倍的能源可用,”加州理工学院电气工程系教授阿里·哈吉米利(Ali Hajimiri)如是指出。其也是该太空太阳能项目负责人。

地球电网辅助

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美军研发的可穿戴式太阳能电池板安装在头盔上

  华南理工大学电力学院副院长张波教授在接受本报采访时表示,从太空向地球输电,技术的核心是无线传输技术。虽然这听起来科幻味道十足,但实际上,很有可能仅在十年以后,这项技术就有可能逐步变成现实。“早在2008年,《科学》杂志就已经刊登了一篇由美国麻省理工学院的科学家写的论文。他们已经通过理论和实验证明,磁谐振可以实现中距离无线输电。在无线传输研究领域,美国、日本、德国、爱尔兰等国家都已经有长足的发展。但在我国,当时电工学科学界的主流仍认为这是不可能实现的、太过遥远的东西。然而,太阳能是公用的,不管谁占领了先机,因为专利的问题,后来者再发展就会有很大困难。”他说,“太阳能卫星的报道虽然看起来是新闻,但其技术恐怕已经研发到一定程度了。不争取在竞争中分得一杯羹,取得一些创新和专利,未来想利用时,将可能是二十年的差距,单是付给美国的专利费就有可能是天文数字。”   张波认为,在外太空利用卫星平台来发电传输回地球,虽然建造设备成本不菲,但在技术上并不是难题。而且,相比在地球上占用大量土地来建设电站,把电站建在外太空的做法是相当节省成本的。无偿而且强度更高的太阳能资源,是美国、日本等国潜心研究的动力所在。

当然,开发捕获和传输太阳能所需的硬件设备,以及将该系统发射到太空不仅困难重重且非常昂贵。但中国正在大步前进,据报道中国正在西南部城市重庆建设一个试验设施,从而研究将太阳能从轨道传输会地面的最佳方式。

  美国研究人员的终极目标是打造一个卫星群,能够在将来的某一天为整座城市供电。最初,这种微型卫星并不能取代电网。它们的优势在于可以快速为灾区或者难以到达的偏远地区供电。   庞之浩认为,约翰·曼金斯研制的这种鸡尾酒杯形太阳能卫星,从质量上来讲可能比科学家早年的设想要轻巧,如果不是大规模的部署成卫星群,而只是作为地球电网的一种辅助的发电方式应该是可实现的。   张波告诉《中国科学报》记者,太阳能的能源是公用的,但不管谁占领了先机,后来者再发展就会有很大困难。但对于这种应用基础的研究,我国还不是很重视,因为有很多人觉得它很遥远。   就像在上世纪60年代,没有人能想像得到,玻璃可以传递信号。但是,现在光纤已经成为我们生活中必不可少的技术。“这得益于高锟解决了玻璃纤维如何高效传输信息的关键问题。”张波说,在人类出现之前,能量也在传输,现在无线传输的终极理论还没有被发现。“如果这个终极理论被发现,那么无线传输就会像今天的光纤一样,成为未来生活中不可缺少的一部分。”   张波表示,未来这种技术也很有可能用于军事,而一旦用于军事,首先掌握这种技术的国家就会占尽先机。比如,战斗机在空中执行任务,燃油耗尽就必须降落补充燃料,但是如果能直接通过无线传输,从太空获得太阳能并转化成电能,其续航能力将大大增加。而航母等水上舰艇,也可以大大减小动力荷载。   张波一再表示,从能源战略的角度讲,我国也不应该忽视无线传输的研究以及基于太空的太阳能利用。

技术原理

近几年,为减少士兵执行任务所需携带的电池数量,外军大力研发可折叠、便携式太阳能电池,为士兵随身携带的电子设备充电。美军研发出外形如细铜丝一般的太阳能电池,可随意弯曲,织入作战服后可以收集并存储太阳能,士兵穿戴上这种衣物后,白天行走中可收集太阳能,为携带的手机、传感器和其他设备充电,不再需要背负沉重的电池,大大提高机动能力。日本研发出一种新型薄片状有机太阳能电池,厚度只有3微米,用电熨斗熨烫后粘贴到衣服上即可使用,且在100℃高温下仍能保持性能不变,日本计划将其作为未来“智能衣服”中内嵌传感器的电源。 除以上两种外,各国还在开发电池新材料新结构,以提高太阳能电池的转换效率,推动产业发展。 从太空到海上,从空中到地面,新能源开发利用备受重视 当前,对太阳能电池的军事应用主要集中在野外基地供电、太阳能无人机、高空通信中继、太空发电、太阳能水下自主航行器等领域,总体来看,其应用前景非常广阔。 建设太阳能光伏电站,缓解军事基地用电压力 太阳能光伏发电被认为是军事作战基地使用的最佳能源。目前外军正逐步加大其在前方作战行动中的运用,以提高作战基地能源使用效率,减少能源消耗带来的财政支出和后勤补给负担,并摆脱对传统电源的依赖。 美军在多个军事基地建立太阳能发电站,并取得良好效益。例如,美陆军在位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠里的欧文堡军事基地建造了一个年产500兆瓦电能的太阳能发电站。其他军方发电站位于新墨西哥州、亚利桑那州、加利福尼亚州及拉斯维加斯等地的军事基地,这些发电站可基本满足基地所有电力需求,为美军逐渐扩大的能量需求提供保障。 研发太阳能无人机,打造空中多任务机动平台 太阳能无人机无需携带燃料,具有续航时间长、使用灵活、运行成本低等优点,它可快速飞抵战区,成为执行高空侦察、监视、情报作战、通信中继等任务的理想空中平台。目前,美、俄、英、日等国均已研制出太阳能无人机。瑞士研制的新型太阳能无人机“阳光动力2号”,历时15个月,在不采用任何燃料的情况下完成绕地球飞行一周试验。 另外,携带无线通信设备的太阳能无人机将成为卫星替代品,为构建天-地立体通信网络提供新途径。例如,英国特种部队装备的一款“西风”号太阳能无人机。该机被称为“高纬度伪卫星”,能够在1.95万至2.1万米高空连续飞行一个多月,主要承担对地实时监控和无线通信等任务。目前,俄罗斯首架太阳能无人机也试飞成功,机上搭载的无线通话及视频信号转发器,可传输无线网络数据。 重视利用太空太阳能发电,拓展地面能源供应渠道 开发利用太空太阳能被认为是解决人类能源危机的新途径:通过太阳能卫星系统吸收地球大气层以外的太阳能,将其转成微波传输到地面接收天线,最终转化为可供人类使用的电能。太空太阳能电站可连续工作,能量利用率高,被认为是一种前景广阔的可再生能源系统。据预测,2050年前,太空太阳能发电站有望开始满足地球上的能源需求。另外,传统武器装备的远距离补给要依赖地面能源,这项技术实现后,轨道空间站可直接给战场提供电能,很大程度上为军事行动提供强有力的能源支持。 早在2003年日本宇航局就制定出太空太阳能电站发展路线图,目前正在开发“太空太阳能发电系统”。该局估计,在轨道上运行的一个直径2000米至3000米的太阳能电池板,可产生10亿瓦特电力,相当于一个核反应堆产生的电能。 加快发展太阳能海上航行器,充当海上不眠“战士” 外军认为,太阳能海上自主航行器可连续工作数月,进行海洋探测、定位与监控工作,并与岸基和水下仪器进行实时通信。航行器可预设下潜至水下,按指定路线航行,在合适条件时浮出水面利用太阳能充电,实现真正意义上的不依赖化石燃料和零排放。此外,使用太阳能为舰船输送电力,还可以将舰船的维护成本降到最低。 目前,外军对太阳能海上自主航行器的研发日渐重视,未来有望加大其在海上执行侦察、监视与通信任务领域的应用。2015年,美国展示由海浪波和太阳能混合驱动的自动化远程艇。该艇在没有任何维护的情况下可在海上航行一年之久,执行情报、监视、侦察任务、水下地形测绘、通信中继、数据传输等任务。

未来可为行驶中的汽车、飞机无线充电

利用太空太阳能作为可靠可再生能源的想法并不是什么新鲜事。这一概念最早出现在上世纪70年代,但相关研究进展并不大,很大程度上是因为人们普遍认为技术要求过于复杂。但随着无线传输技术的进步以及光伏电池设计和能量转换效率的提高,这种情况似乎正在发生改变。

空间太阳能发电平台是指在空间将太阳能转化为电能,再通过无线方式传输到地面的电力系统。

  出门在外,手机没电了,到处找充电器、找插头,这样的尴尬如果有成熟的无线传输技术,就会迎刃而解。就像使用WIFI一样,只要有店家的特殊频率、密码,支付少许费用,就可以在喝咖啡、等公交或飞机时,随时给移动设备充电。在高速公路上,使用电能的汽车也可以边行驶边充电,这也是无线传输技术为人类未来描画的环保节能愿景。   但目前,利用微波来进行无线传输的效率仍只有10%左右。张波认为,就像玻璃纤维在解决了如何高效传输信息这个关键问题后光纤成为我们生活中必不可少的技术一样,如果关于无线传输的终极理论一旦被发现,那么它将成为人类未来生活中不可缺少的一部分。“基于太空的太阳能利用,一旦能解决效率的问题,就有工业化的前景。在我看来,它会是我们能源利用方式的重要补充。”张波说,“给地球供应1/3的电力,从能源角度来讲,绝对不是问题。哪怕能提供1%不时之需的电量,都是不得了的技术革命。”   张波指出,未来,这种技术也很有可能用于军事,而一旦用于军事,首先掌握这种技术的国家就会占尽先机。比如,战斗机在空中执行任务,燃油耗尽就必须降落补充燃料,但如果能直接通过无线传输,从太空获得太阳能并转化成电能,其续航能力将大大增加。哪怕是能多飞20分钟,也能扭转战局。航母等水上舰艇,也可以借此大大减小动力荷载。从能源战略的角度来讲,我国更不应该忽视无线传输的研究以及基于太空的太阳能利用。   对于公众而言,对这一技术最大的担忧倒不是效率问题,而是安全问题。对此,张波表示:“微波对人体的健康会有一定影响。如果能在近地用磁感应、磁谐振的方式来进行传输就可以解决。磁场不像电场,对人体的危害是比较小的。比如我们地球人天生就处在南北两极的磁场中间,也经常用磁疗来做治疗。”

“我们现在看到了一些复苏迹象,这可能是因为有了新技术,实现这一目标的基础已经存在,”物理学家约翰·曼金斯(John Mankins)表示。

前程战地的根本财富,太空收罗太阳能不再是。相对于目前空间应用的卫星和空间站等的电源系统,其规模和能力要大得多。

据曼金斯说,人口增长可能是推动人们对太空太阳能重新点燃兴趣的另一个因素。到2050年,世界人口预计将增长至90亿,专家们说,太空太阳能可能会成为满足全球能源需求的一个关键途径,尤其是在日本、北欧和世界其他光照不太充足的地区。

空间太阳能电站从其大的组成方面来说主要包括三部分:太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置。

他说:“展望未来50年,能源需求将是巨大的。“如果你能在阳光普照的地方收获太阳能,并在不干扰地球的前提下将其传输出去——当然你还需要以一个负担得起的价格做到这一切——那么你就赢了。”

太阳能发电装置将太阳能转化成为电能;能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式(激光也可以直接通过太阳能转化),并利用天线向地面发送能束;地面接收系统接收空间发射来的能束,再通过转换装置将其转换成为电能。

让其成为现实

整个过程经历了太阳能-电能-微波-电能的能量转变过程。

中国实验的细节尚未公布,但曼金斯表示,在太空利用太阳能的一种方法是发射数万颗“太阳能卫星”,这些卫星将彼此联系起来,形成一个巨大的锥形结构,在地球上空约2.2万英里的轨道上运行。

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这些卫星将用太阳能电池板也就是光伏板覆盖,光伏板将阳光转化为电能,电能将被卫星转化为微波,并无线发送到地面接收器,比如说一种直径可达4英里的巨型铁丝网。这些地面接收设备可以安装在湖泊、沙漠或农田上。

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前程战地的根本财富,太空收罗太阳能不再是。曼金斯估计,这样一个太阳能设施可以源源不断地产生2000千兆瓦的电力。相比之下,最大的地面太阳能发电场只能产生大约1.8千兆瓦。

技术实践

这听起来似乎很有希望。但专家警告说,仍然有很多障碍需要克服,其中包括目前需要找到一种减轻太阳能电池板重量的方法。

建造空间太阳能发电平台的构想由美国科学家彼得•格拉赛与1968年提出。此概念提出以后,引起了国际上的广泛关注,以美国、日本为代表的多个国家对于空间太阳能发电平台开展了长期的研究工作。

加州理工学院科学家特里·格杜托斯(Terry Gdoutos)说:“目前最先进的光电技术的转换效率可能是30%。”格杜托斯与哈吉米利一起从事太空太阳能研究,“最大的挑战是在不牺牲效率的前提下降低太阳能发电板的质量。”

1999-2001年,美国航空航天局投资2200万美元,启动了“空间太阳能探索性研究和技术计划”项目,总结分析了空间太阳能电站的最新进展,提出了美国空间太阳能电站的发展路线图。

加州理工学院研究团队最近制造一对超轻光伏板模型,证明它们可以收集并无线传输10千兆赫的电能。格杜托斯指出,这些模型成功完成了太阳能发电卫星在太空中需要完成的所有功能,他和同事们现在正在探索进一步减轻太阳能发电板重量的方法。

2015 年,诺斯罗普·格鲁曼公司投入 1750 万美元,委托加州理工学院开展空间太阳能电站相关技术研究。

未来道路

日本从20世纪80年代就开始进行空间太阳能发电平台概念和关键技术研究。

目前中国还没有透露将在太空太阳能发电场建设上投入多少资金。曼金斯说,即使是为了验证各种技术的小规模试验,也可能至少要花费1.5亿美元。

日本宇宙航空研究开发机构组织了一个专门的委员会和工作团队开展空间太阳能电站系统研究。该研究分为三个主题:空间太阳能发电平台概念、体系结构研究和技术验证。

尽管价格高昂,曼金斯仍然是太空太阳能发电的坚定拥护者。

目前日本已经提出在2030年实现1GW商业系统运行的技术路线图。

他说:“地面太阳能是一种奇妙的东西,我们将永远拥有地面太阳能。”“在很多地方,屋顶太阳能棒极了,但世界上很多地方都不像亚利桑那州。数百万人生活在大型地面太阳能电池阵列产出并不经济的地方。”

第一步是开展几十千瓦的小型系统验证,验证微波和激光的无线能量传输技术。将卫星发射到近地轨道或者月球轨道,试验将激光输送到月球表面。

曼金斯对该领域的最新进展表示欢迎,并表示他热切希望追随中国的新举措。“中国的研究兴趣真的很惊人,”他说。“15年前,他们在这个领域完全不存在。现在他们正处于强有力的领导地位。”

第二步是在国际空间站周围进行10MW级的大型可展开结构机器人组装技术验证。

(原标题:Solar farms in space could be renewable energy's next frontier)

第三步是在地球静止轨道上建造SPS的验证系统,最终在地球静止轨道上建一个吉瓦级的商业空间太阳能发电系统。

(责任编辑:王凤枝_NT2541)

韩国从 2018 年也启动了空间太阳能电站领域的研究项目,并提出初步的发展计划。

而中国航天科技集团公司五院“钱学森空间技术实验室”团队也已经开展了空间太阳能发电平台的具体研究工作,目前正处于研究试验阶段。

今年2月,有报道称,中国首个空间太阳能电站实验基地在重庆璧山区启动建设,该基地建成后将开展基础性实验和应用研究。

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未来应用

如果空间太阳能发电平台的研发取得实质性进展将会具有重大的意义。

一方面,从国民经济角度出发,空间太阳能发电平台代表了未来新能源发展方向之一,可能成为大规模能源供给的方式。

太阳能是地球能够利用的最丰富、最持久、最清洁的能源,由于受到昼夜,大气和天候等的影响,地面太阳能能量密度波动大,需要配置大规模的蓄电装置才能保证供电的稳定。

在空间利用太阳能,不受季节、昼夜变化等的影响,接收的太阳能稳定、能量密度高,约为每平方米1353W左右。

同时,通过选取特定的电磁谱段,传输过程受到天气的影响很小,可以稳定地将能量传输到地面,适合于太阳能的大规模开发利用。

在地球同步轨道99%的时间可以稳定接收太阳能,并能向地面固定接收站进行稳定的能量传输。

如中国在《可再生能源中长期发展规划》提出将逐步提高优质清洁可再生能源在能源结构中的比例,力争到2020年达到15%。

从更长远的时期来看,随着能源需求总量的提高,单单依靠地面太阳能、风能、水力等大幅度提高可再生能源的比例将十分困难。

充分利用空间太阳能巨大的能量和连续供电的优势将可能解决人类对于清洁能源的需求难题。

另一方面,随着技术的发展,未来军事行动对于电能的供应会愈发依赖。

在最近消息中,多次出现有关美国对他国发动“网电”战报道,因此电能的安全可能直接关系到国家安全。而空间太阳能发电平台可以在需要的时机向某些区域紧急提供源源不断的强大电力,弥补电力缺口。

如果在地面和空中的战术平台上安装相应的能量接收装置,空间太阳能发电平台就可以直接向各种战术平台供能,不仅能延长其执行任务的时间,还能及时唤醒那些因断电而陷入“冬眠”的作战单元。

同时空间太阳能发电平台的本身就装备有相应的微波或激光发射器,而且能够实现能源的自给,因此具备成为天基定向能武器的潜力,可以通过大功率微波或激光攻击敌方目标。

虽然目前空间太阳能发电平台距离实际应用还有很长的路要走,但从总体趋势来看未来必将成为各国努力争夺的又一个科技制高点。

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