劉慈欣在他的科幻小說(shuō)《中國(guó)太陽(yáng)》中構(gòu)想了這樣一個(gè)裝置:一個(gè)在太空中的巨大鏡子,能夠通過(guò)反射太陽(yáng)光調(diào)節(jié)區(qū)域氣候??臻g太陽(yáng)能電站能與之十分類似。隨著中國(guó)首個(gè)空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地的落地,這一構(gòu)想正在從科幻作家的腦海中變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
從科幻誕生的概念
空間太陽(yáng)能電站(SPS),也稱天基太陽(yáng)能電站(SBSP),是指在空間將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,再通過(guò)無(wú)線能量傳輸方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。1941年,科幻小說(shuō)作家艾薩克·阿西莫夫發(fā)表了科幻小說(shuō)短篇小說(shuō)《理性》,其中一個(gè)空間站用微波光束把從太陽(yáng)收集的能量傳輸?shù)礁鱾€(gè)行星。SBSP(Space-basedsolar power)概念最初被稱為衛(wèi)星太陽(yáng)能系統(tǒng),于1968年11月格拉澤(Glaser)博士首次提出,,這一設(shè)想是建立在一個(gè)極其巨大的太陽(yáng)能電池陣的基礎(chǔ)上,由它來(lái)聚集大量的陽(yáng)光,利用光電轉(zhuǎn)換原理達(dá)到發(fā)電的目的。所產(chǎn)生的電能將以微波形式傳輸?shù)降厍蛏?,然后通過(guò)天線接收經(jīng)整流轉(zhuǎn)變成電能,送入全國(guó)供電網(wǎng)。
空間太陽(yáng)能電站在空間利用太陽(yáng)能,不受季節(jié)、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(shí),也基本不受大氣的影響,可以穩(wěn)定地將能量傳輸?shù)降孛?,非常適合于太陽(yáng)能的大規(guī)模開發(fā)利用。在地球同步軌道,99%的時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定接收太陽(yáng)輻射,向地面固定區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳輸。
不僅如此,空間太陽(yáng)能電站基于自身的大功率,以及能量多種方式傳輸?shù)撵`活性等特點(diǎn),不僅成為未來(lái)持續(xù)穩(wěn)定的電力來(lái)源,并且在電網(wǎng)調(diào)度、軍事無(wú)線供電、氣象科學(xué)研究、應(yīng)急救災(zāi)、空間供電、行星探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域中具有重要的潛在應(yīng)用。劉慈欣筆下的中國(guó)太陽(yáng)的氣候調(diào)節(jié)功能也有望通過(guò)空間太陽(yáng)能電站實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)微波的頻率,甚至可以調(diào)節(jié)、控制熱帶氣旋的走向和強(qiáng)度,從而徹底解決東南沿海自古以來(lái)的臺(tái)風(fēng)問(wèn)題。
各國(guó)的空間光伏競(jìng)賽
美國(guó)
1968年,美國(guó)格拉澤博士提出空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想后,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)與美國(guó)能源部已經(jīng)在過(guò)去30年花費(fèi)了8000萬(wàn)美元支持空間太陽(yáng)能電站概念的研究,并且提出了第一個(gè)空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)方案概念“1979SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”,作為后續(xù)研究的基準(zhǔn)和參考。2012年,在NASA創(chuàng)新概念項(xiàng)目支持下,約翰·曼金斯(JohnMankins)教授提出“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽(yáng)能電站”(SPS-ALPHA)方案。2015年,美國(guó)諾格公司(Northrop Grumman)與加州理工大學(xué)簽署一項(xiàng)3年總額1750萬(wàn)美元的空間太陽(yáng)能電站技術(shù)研發(fā)合同,成為近年來(lái)空間太陽(yáng)能電站領(lǐng)域最大的合同。雖然空間太陽(yáng)能電站未被列入正式的美國(guó)國(guó)家發(fā)展計(jì)劃,但得到了持續(xù)的關(guān)注和發(fā)展。
日本
日本在微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)的研究和試驗(yàn)方面處于世界領(lǐng)先地位。2004年,日本正式將發(fā)展空間太陽(yáng)能電站列入國(guó)家航天發(fā)展計(jì)劃,2006年,日本東京大學(xué)和神戶大學(xué)聯(lián)合開展“風(fēng)呂敷試驗(yàn)”(Furoshiki),進(jìn)行了空間網(wǎng)狀天線展開、測(cè)試微波能量傳輸波束控制及機(jī)器人爬行試驗(yàn)。在日本經(jīng)產(chǎn)省和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)的支持下,日本國(guó)家研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和高校形成“官產(chǎn)學(xué)”聯(lián)合研究的模式,并規(guī)劃在2030年后建設(shè)商業(yè)化空間太陽(yáng)能電站,總投資將超過(guò)210億美元。其基本原理和美國(guó)類似,但日本科學(xué)家采用頻率為2.45GHz和5.8GHz微波傳送,這項(xiàng)技術(shù)在日本已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備。在北海道的研究基地,日本科學(xué)家用直徑2.4m的儀器裝置進(jìn)行了地面接收太空微波的實(shí)驗(yàn)。
其他地區(qū)
俄羅斯、歐洲航天局(ESA)、國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟和國(guó)際宇航科學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)也在近年開展了空間太陽(yáng)能電站的專題技術(shù)研究。2012年,以國(guó)際宇航科學(xué)院發(fā)電委員會(huì)成員為主的研究團(tuán)隊(duì)完成了《空間太陽(yáng)能電站—第一次國(guó)際評(píng)估:機(jī)遇、問(wèn)題及可能的發(fā)展途徑》報(bào)告。該報(bào)告分析了空間太陽(yáng)能電站在未來(lái)幾十年對(duì)于快速增長(zhǎng)的豐富的可再生能源方面可能扮演的角色,并且評(píng)估了與空間太陽(yáng)能電站概念相關(guān)的技術(shù)成熟度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),最終形成了一個(gè)可能引導(dǎo)這一遠(yuǎn)景概念實(shí)現(xiàn)的合理的國(guó)際路線圖。歐洲航天局、加拿大、俄羅斯等國(guó)及相關(guān)國(guó)際組織在該領(lǐng)域真正的投入較少,但非常關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展。
中國(guó):從陪跑到領(lǐng)跑,認(rèn)真踐行一個(gè)50年的計(jì)劃
“中國(guó)人真正擅長(zhǎng)的一件事就是長(zhǎng)期思考,與美國(guó)的思維不同,他們能把計(jì)劃和問(wèn)題規(guī)劃長(zhǎng)達(dá)50年之久。”—馬克霍普金斯,國(guó)家航天學(xué)會(huì)董事會(huì)。
就像流浪地球里一樣,中國(guó)正在持之以恒的推進(jìn)這項(xiàng)為期50年的“科幻”計(jì)劃。我國(guó)自20世紀(jì)末開展空間太陽(yáng)能電站方案及技術(shù)研究。中國(guó)空間技術(shù)研究院在國(guó)家民用航天預(yù)研項(xiàng)目支持下,提出了平臺(tái)非聚光型空間太陽(yáng)能電站方案、二次對(duì)稱聚光型空間太陽(yáng)能電站方案和多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽(yáng)能電站方案。
2013年底,國(guó)家國(guó)防科工局聯(lián)合國(guó)家發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部、原總裝備部、教育部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等部委,組織開展了空間太陽(yáng)能電站發(fā)展規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)體系論證工作,系統(tǒng)闡述了我國(guó)開展空間太陽(yáng)能電站項(xiàng)目研究的意義和必要性,提出了分兩個(gè)階段進(jìn)行空間太陽(yáng)能電站研發(fā)的總體規(guī)劃和技術(shù)路線。建議將兆瓦級(jí)電站方案及全系統(tǒng)仿真作為實(shí)現(xiàn)規(guī)劃中期目標(biāo)的基礎(chǔ),同時(shí)加大對(duì)空間太陽(yáng)能電站核心關(guān)鍵樣機(jī)研制和試驗(yàn)驗(yàn)證的投入力度,拓寬支持渠道。
2018年12月6日,我國(guó)首個(gè)空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地正式落戶重慶璧山。
該項(xiàng)目以空間能源技術(shù)發(fā)展前沿為引導(dǎo),開展微波輸能、測(cè)控與通信等方向的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。計(jì)劃在2020年前投資2億進(jìn)行空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地及研發(fā)平臺(tái)建設(shè),2025年左右實(shí)現(xiàn)中小規(guī)模平流層太陽(yáng)能電站及并網(wǎng)發(fā)電,2025年后開展大規(guī)??臻g太陽(yáng)能電站系統(tǒng)應(yīng)用工作。下一步將是在2030年開始建設(shè)兆瓦級(jí)空間太陽(yáng)能試驗(yàn)電站。2050年后建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)空間太陽(yáng)能電站。中國(guó)有望成為世界首個(gè)建成有實(shí)用價(jià)值空間太陽(yáng)能電站的國(guó)家。
空間太陽(yáng)能電站關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議
當(dāng)然,在實(shí)現(xiàn)這一個(gè)宏大目標(biāo)的路上,仍然有許多的困難需要克服??臻g太陽(yáng)能電站作為一個(gè)巨大的空間系統(tǒng),其主要技術(shù)特點(diǎn)是面積大、質(zhì)量大、功率大,其發(fā)展所面臨的核心問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。
空間超大型可展開結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)
主結(jié)構(gòu)用于支撐整個(gè)空間太陽(yáng)能電站,考慮到姿態(tài)和軌道調(diào)整的要求,主結(jié)構(gòu)應(yīng)保持足夠的剛度。同時(shí),還要充分考慮在軌組裝和在軌維護(hù)的需要。
空間高效太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化及超大發(fā)電陣技術(shù)
提高系統(tǒng)的效率、降低質(zhì)量,以及提高電壓和使用壽命是空間太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。需要發(fā)展高效率、空間環(huán)境適應(yīng)性好的薄膜太陽(yáng)電池,同時(shí)需要發(fā)展在軌展開的超大面積的柔性太陽(yáng)電池陣。為了減小電力損耗,需要發(fā)展高壓太陽(yáng)電池陣技術(shù)。
空間超大功率電力傳輸與管理技術(shù)
作為一個(gè)超大功率的空間系統(tǒng),空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)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(shí)需要發(fā)展超大功率高效電壓變換技術(shù)以及超大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)等。
無(wú)線能量傳輸技術(shù)
功率高、效率高、傳輸距離遠(yuǎn)和高精度方向控制是無(wú)線能量傳輸?shù)闹饕夹g(shù)特點(diǎn),超過(guò)30年的壽命要求也對(duì)無(wú)線能量傳輸技術(shù)提出了很高的要求。
軌道間轉(zhuǎn)移技術(shù)及大功率電推進(jìn)技術(shù)
為了降低運(yùn)輸?shù)紾EO的成本,初步考慮采用重型運(yùn)載將載荷運(yùn)輸?shù)絃EO,利用可在LEO 和GEO 間進(jìn)行往返運(yùn)輸?shù)能壍擂D(zhuǎn)移器將載荷運(yùn)輸?shù)紾EO。為了減少燃料消耗,需要發(fā)展大功率電推進(jìn)系統(tǒng),利用多個(gè)電推力器的組合實(shí)現(xiàn)大型電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移器。
空間復(fù)雜系統(tǒng)在軌組裝及維護(hù)技術(shù)
空間太陽(yáng)能電站作為一個(gè)宏大的長(zhǎng)壽命系統(tǒng),必須發(fā)展功能強(qiáng)大的在軌組裝及維護(hù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的、復(fù)雜的在軌組裝、在軌維護(hù)和燃料補(bǔ)給等。
大型運(yùn)載器及高密度發(fā)射技術(shù)
空間太陽(yáng)能電站質(zhì)量達(dá)到數(shù)千t以上,再考慮其建設(shè)、維護(hù)所需的人員及貨物運(yùn)輸需求,對(duì)于運(yùn)輸能力、運(yùn)輸頻率、運(yùn)輸成本提出巨大的挑戰(zhàn)。
電站系統(tǒng)運(yùn)行控制及地面接收管理技術(shù)
系統(tǒng)運(yùn)行控制及地面運(yùn)行管理主要包括兩方面的內(nèi)容:對(duì)整個(gè)空問(wèn)系統(tǒng)狀態(tài)信息的接收和處理以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制與健康管理;地面大功率電力的接收、調(diào)節(jié)、控制及入網(wǎng)技術(shù)等。
電站發(fā)展的基礎(chǔ)材料和器件研究
為了實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能的高效利用和傳輸,且大幅降低空間太陽(yáng)能電站的整體質(zhì)量、提高系統(tǒng)的壽命,空間太陽(yáng)能電站發(fā)展需要相關(guān)基礎(chǔ)材料和器件性能的極大提升。
也許在不遠(yuǎn)的將來(lái),我們會(huì)從新聞里聽到:“中國(guó)建成世界首個(gè)光伏空間發(fā)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(xiàng)計(jì)劃,但我們也應(yīng)該銘記,這項(xiàng)50你年的計(jì)劃后,是兩代國(guó)人的心血和希望。
“誰(shuí)也不知道中國(guó)太陽(yáng)將飛多遠(yuǎn),水娃他們將看到什么樣的神奇世界……但水娃終究會(huì)牢記母親新鄉(xiāng)上的一個(gè)叫中國(guó)的國(guó)度,牢記那個(gè)國(guó)度西部一片干旱土地上帝一個(gè)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(guó)太陽(yáng)