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天基太阳能,走向未来的珍贵“能源”

来源:  发布时间:2023-03-24

文 李大斗

 

能源是世界发展的最基本驱动力,是人类赖以生存的基础。

人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时,也遇到了一系列无法避免的能源安全挑战。能源短缺、资源争夺,以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。

事实上,自工业革命以来,能源的供应就一直没有跟上人类的需求。根据经济学家和科学家的普遍估计,到21世纪中叶,即2050年左右,石油资源将会开采殆尽。到那时,如果新的能源体系尚未建立,能源危机将席卷全球。不难想象,那时的世界工业将会大幅度萎缩,最坏的情况下,各个国家甚至可能因为抢占剩余的石油资源而发动战争。

为了避免上述窘境的出现,世界上许多国家都在积极开发可再生能源,如太阳能、风能、海洋能等。尤其是太阳能——地球上绝大多数的能源来源。

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。太阳主要是由氢原子组成的。氢原子在极高的温度下,会结合成氦原子,结合过程中会损失一部分质量,转化成巨大的能量释放出来。根据太阳产生的核能速率估算,氢的贮量足够维持上百亿年,而地球的寿命为几十亿年,从这个意义上,可以说太阳能是取之不尽用之不竭的。

 

人类理想的清洁能源

 

据记载,人类利用太阳能已有3000多年的历史,但是将太阳能作为一种能源和动力加以利用只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”则是近些年的事。20世纪70年代以来,有关太阳能的科技突飞猛进,对太阳能的利用可谓日新月异。然而,地球表面的太阳能能量密度低而且不稳定,这大大限制了它在人类综合能源体系中的作用。

由于大气层的反射、散射,太阳辐射到地表的能量仅为其总辐射能量的二十二亿分之一,但已高达173 000太瓦,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。虽然到达地球表面的太阳辐射总量如此之高,但是能量密度却很低。因此,在利用太阳能时,想要得到一定的转换功率,往往需要面积相当大的一套收集和转换设备,造价会比较高。

太阳能还会受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制,以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响,极不稳定。这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源,就必须很好地解决蓄能问题,但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。

太阳能利用,有些方面在理论上是可行的,技术上也是成熟的。但现有的太阳能利用装置,效率偏低,成本较高,在实验室中的利用效率也不超过30%,在现实中利用效率只会更低。以太阳能板为例,底层大气中的颗粒污染物会形成气溶胶,阻挡阳光透射并沉积在太阳能板上,在污染较严重地区,甚至会导致太阳能发电效率下降50%以上。总的来说,太阳能的经济性还不能与常规能源竞争。

除此之外,在现阶段的技术条件下,太阳能板的寿命并不算长,35年就需要换1次。换下来的太阳能板很难被大自然分解,这又会对环境造成相当大的污染。

尽管现阶段对太阳能的利用存在种种困难,但不可否认的是太阳能既是一次能源,又是可再生能源,它资源丰富,既可免费使用,又无须运输,同时对环境不会造成任何污染。从各方面来看,太阳能都是人类理想的清洁能源。未来有没有更好的办法去利用太阳能?可能真有!从企业家、技术狂人埃隆·马斯克的只言片语中可以看出端倪。

 

“未来技术”工程

 

2021年的国际宇航大会上,有人问马斯克:你每年发射那么多火箭、排放那么多温室气体,究竟为什么?就因为你想去火星吗?他回答:太阳能才是清洁能源,而天基太阳能的能量密度更大,目前的发展过程将有利于未来长久环保…… 

马斯克所说的天基太阳能,就是把太阳能发电站建在太空中,以便更多、更直接地接收太阳辐射,获得远胜地面的发电效益。天基太阳能与地面太阳能相比,在理论上有着不小的优势。天基太阳能不占用地面,节省了珍稀的地球资源;没有大气反射、散射效应,太阳辐射接收率达100%;在太阳同步轨道上无昼夜交替,每天24小时持续工作;没有季节、天气的变化,每年365天工况恒定;没有因沙尘积累、材料氧化等导致的发电效率逐渐降低的问题。以目前的科技水准而论,其单位面积太阳能板的发电效能要比地面站提升5倍。如果能够拥有这样的太阳能发电站,人类就可以获得更多的清洁能源。

这项看起来很像是“未来技术”的工程,从50多年前就已开始受到学界的关注。20世纪60年代,美国科学家提出了“天基太阳能发电”的想法,然而直到近些年,各个国家才开始真正付诸行动。

能源匮乏的日本很早就关注到了“天基太阳能”。20099月,日本三菱电气和另一个公司合作开启了210亿美元的项目,计划用30年在太空建造大型太阳能发电场,并将能量传回地球。2014年,日本清水建设公司公布了“月环”计划,即利用太阳能板环绕月球,长度接近1.1万千米。太阳能板捕获的能量利用微波被传回地球,而后借助激光直接将能量传输到需要的地区。“月环”计划可产生大约1.3万太瓦太阳能。清水建设公司表示这项计划不仅可以提供近乎无限的能量,同时也可以遏制因能源消耗释放二氧化碳导致的全球气候变暖。

无独有偶,英国在最新更新的“净零创新组合”中明确规划了多个大型可再生能源项目,其中“天基太阳能”发电站格外引人注目。英国弗雷泽-纳什(Frazer-Nash)咨询公司在一份报告中指出,这项工程耗资170亿英镑,将于2040年左右在地球同步轨道上建成一个直径1.7千米的天基太阳能发电站,搭配一个长13千米、宽6.7千米的地面接收设施,为英国提供20亿瓦的电力。

其实,近些年许多国家都已经在进行天基太阳能相关的构想甚至探索。美国从20世纪70年代起就已开始关注空间太阳能工程的可能性,并在最近十多年启动了具体研究,至2020年完成了有关的太阳能组件和电力转换系统的测试。

中国早在2010年就有多名院士提出了天基太阳能的相关设想,并且在201812月启动了两个不同的太空太阳能项目。就在20223月中旬,重庆璧山建成了我国首个太阳能电站实验基地的实验楼主体工程。根据计划,我国有望在2035年前获得一个能够正常运行的天基太阳能系统。

 

是远景,不是梦

 

近日,联合国政府间气候变化专门委员会在第六次气候评估报告中警告,将全球升温控制在1.5℃以内的窗口正在关闭,除非全球立刻采取极端措施。可再生能源的使用是最重要的措施之一,虽然近年来全球太阳能的技术和应用都在迅速发展,但与1.5℃温控目标的实现之间,仍有相当大的距离。好在,许多国家的政府和科研机构,都将推进太阳能的研发和应用放在了重要位置。

世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要,而又不危及后代人前途的社会。因此,尽可能多地用洁净能源,成为挽救地球日益恶化的环境的关键,在这方面天基太阳能大有可为。

天基太阳能的预期非常美好,这也许是各个国家把天基太阳能项目提上议程的原因。不过,就目前的技术来看,天基太阳能的实现还面临很多困难。

把太阳能设备送入太空,第一个挑战就是太阳能电池板的重量。目前在地面上常用的太阳能电池板每平方米普遍重约5千克。弗雷泽-纳什咨询公司指出,虽然技术优化能够将这一数字大幅降低,但最终建成的太阳能卫星仍将重约2000吨。照此计算,即使使用目前最强大的SpaceX猎鹰重型运载火箭,也需要大约75次发射才能将所有电池板模块运抵轨道。根据近年的价格数据估算,这将带来超过110亿美元的发射成本。

天基太阳能的设备在地球同步轨道搭建完成后的运行过程,也面临着一些实际挑战。以太阳能电池板为例,在太空环境中,太空垃圾、宇宙碎片等,很可能会以高速撞击电池板,对面板造成不可逆的损坏。另外,在没有大气层保护、地球磁场保护也很弱的地球同步轨道,电池板还面临着太阳风和高能宇宙射线的不断轰击,这会导致面板的分解速率远远高于地面,使用寿命明显降低。

收集到太阳能后,如何将电力有效地传输到地面也是一个难题。一方面,远距离无线电力传输的效率目前还只能达到1%的数量级。另一方面,如何规划占地面积巨大且对气候条件有所要求的接收设施,也是一个需要解决的政策问题。

当下的困难,也许就是明天的便利。尽管困难重重,但是我们仍然可以预见,随着技术的进步,天基太阳能工程将变成可能。事实上,近些年天基太阳能的相关技术已经有了很大的发展。

一些国际团队的研究已在近年实现了单位面积重量比过去低一个数量级以上的轻质太阳能面板,可用于空间部署。而相同质量载荷的发射成本也在不断降低。以SpaceX可重复使用版本的猎鹰重型火箭为例,可重复使用发射的单次成本仅为一次性火箭的2/3,这个比例在未来还有希望进一步降低。中国的可重复使用火箭也正在研发之中,预计首次发射将在2025年内进行。可以预见,这些技术在未来10年的进一步发展,将使得太阳能设施的空间部署成本大大降低。

同样,电力远距离传输的技术也有望进一步发展,不但电力传输效率有着数量级上的提升空间,收发设施的规模和成本也可通过天线和电路等的改良得到优化。就在几年前,有国外媒体报道,日本三菱公司的科学家在能量无线传输方面取得突破,成功利用微波传输1.8千瓦电量——足以满足一个电热水壶的用电需求。虽然传输距离还很短,只有55米,但这项技术为打造天基太阳能系统铺平了道路。日本宇宙航空研究开发机构的发言人表示,利用微波传输太阳能的卫星将安装阳光收集板和天线,可部署在距地面大约3.6万公里的高度。这项技术距离实际应用还有几十年时间,也许在21世纪40年代或者更晚。

至此,可以大胆预测,未来基于石墨烯、纳米材料等发展的“太阳能膜”的质量将减轻到目前“太阳能板”的零头;太阳能发电介质的能效提高20%30%;如果向金星轨道方向推进天基太阳能基站,使其更靠近恒星,所获得的“太阳常数”将更高,其单位面积发电效能提升10倍。所以天基太阳能可以说是远景,不是梦。

 

技术进步的推手

 

天基太阳能,本身或许最终可行,也或许不可行;或许能在10年内成为现实,也或许20年后的技术都仍不足够;或许会成为全球能源结构中的重要部分,也或许只能为整个地球提供电力供应中的一小部分。但不可否认的是,天基太阳能项目的推进,必将带来长远的技术进步及更多的益处。

从天基太阳能工程本身的发展趋势来看,未来的发电效益不容小觑。以英国的2GW卫星作为参照,假如研发者能够将传输效率提高至10%,且能够不间断运行太阳能系统,功率就将达到20吉瓦,全年发电量将达到1750亿千瓦时,相当于1.5个三峡水利枢纽(根据三峡集团年报,2020年三峡总发电量为1118亿千瓦时)。

从天基太阳能项目涉及的具体技术来看,远距离大功率输电的研发成果,也能在其他许多领域发挥作用。例如,“远距离无线充电”技术目前只在一些科技公司的概念产品中出现,并且仅限于较低功率,可远距离大功率微波输电技术的研究者们已经开始使用微波无线电力传输系统为无人飞行器、孤岛甚至卫星供电。除了无线输电以外,天基太阳能涉及的其他技术,也一样能在许多科学和工业领域大显身手——半导体、光伏、航天器模块在轨组装、可重复使用火箭等技术,正是各个学科和领域的焦点项目。

这样的大型项目对社会的科学影响也将是广泛而长远的。弗雷泽-纳什咨询公司的报告指出,天基太阳能工程的推行将在吸引全球学者、促进前沿领域国际合作、激发年轻学生对科学技术的热情、促进科学技术商业应用等诸多方面产生难以定量且持久广泛的回报。

中国的空间太阳能试验项目同样没有忽视这一点。重庆璧山空间太阳能电站实验基地,提供了先进全面的试验设施。除了实验大楼外,百米尺度的微波试验塔、大型能量波束测量天线阵、激光实验台、空间综合环境模拟试验装置、电磁生物学效应实验平台等将为研发工作提供全面保障。项目还与宇航学会一同在璧山建设了科普培训基地,将在未来举办高水平的培训和技术竞赛,激发青少年和公众的科学兴趣。

天基太阳能,作为一个集航天、能源、半导体等诸多领域于一身的大型项目,其促进跨学科研究、吸引国际合作、推动研究成果商业化的能力,一定是国家科技发展的重要“电力”;其激发科技热情、传播科学精神、启迪科学智慧的价值,更是这个世界不断变革、战胜过去、走向未来的珍贵“能源”。

(内容转载自《科学家》20225/6期。责编:杨思玄)


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