中国计划在2030年建设太阳能空间发电站|专访中国空间技术研究院王立

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中国计划在2030年建设太阳能空间发电站|专访中国空间技术研究院王立
麻省理工科技评论 2020-05-23

2020-05-23

毫无疑问,这是一项十分前沿的能源技术,一旦实现将改写现有的能源格局。
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毫无疑问,这是一项十分前沿的能源技术,一旦实现将改写现有的能源格局。

美国在上周末发射了可重复使用轨道试验飞行器 X-37B。这次飞行,将执行一个可能对人类开发新能源至关重要的实验项目:在太空中利用太阳能发电,向地面传回能量(飞行器本身也可不依赖自身携带的能源)。

这正是 “空间太阳能发电” 的概念。

简而言之,就是在太空轨道上布置巨大的太阳能电池阵列,把太阳光转换为电能,再通过微波或者激光的形式,把电能传输回地球,通过地表的天线接收、整流,最后输送到电网中。

毫无疑问,这是一项十分前沿的能源技术,一旦实现将改写现有的能源格局。

图丨 X-37B 照片。现在,它正在我们头顶之上执行着其第六次任务(来源:U.S. AIR FORCE)

“人类的终极能源解决方案现在主要有两个路径,一是人造太阳,即可控核聚变,另外则是建设太阳能空间电站,毕竟人类在地面上利用太阳能这种量大质优的清洁能源已经接近极致。

人类的持续发展需要清洁电力,现在使用的煤炭、石油是不可持续的,而且污染比较大,而目前主要新能源例如风能和地面太阳能等不能同时保证质和量这两点要求。地面太阳能发电受昼夜、天气等影响较大,而在地球轨道可以实现 24 小时太阳能发电,不过在轨道上产生的电力只能通过无线传输方式传回地球。可以说,无线输电技术决定了未来应用空间太阳能清洁电力的发展。”在接受 DeepTech 采访时,中国空间技术研究院王立研究员如此介绍。

目前,中国空间技术研究院正在推进太阳能空间电站项目的研究,王立研究员正是该项目负责人之一。

颇具科幻色彩的硬核能源技术

早在 1941 年,科幻小说作家阿西莫夫就曾提出过类似的设想。1968 年,皮特 · 格拉泽(Peter Glaser)进一步提出了太阳能发电卫星的概念,并为此申请了专利。之后的几十年,经过美国、日本、俄罗斯、欧洲、中国等多国的持续研发,空间太阳能发电的技术原理和理论可行性已经得到了充分的论证。

与地面上的常规太阳能电站相比,空间太阳能电站有以下几个理论上的优势,甚至可以实现一些我们一直以来梦寐以求的愿望:

在地表利用太阳能发电,很大一部分的太阳能都消耗在了太阳光到达地球表面的路上。据估算,地球大气可以反射或者吸收 55-60% 的太阳光。而如果把太阳能电池放到太空中,太阳光穿越宇宙空间直达空间太阳能电站,是没有这个损耗的。

不过,空间太阳能发电也有自己的功率损失,例如在地表的接收端,把微波或者激光转化为电能的效率,还远不到 100%。

图 | 空间太阳能发电可以避免太阳光在大气中的损耗。(来源:Wikipedia)

常规的太阳能电站,中午阳光直射时发电量最高,晨昏时发电量最低,夜晚就为零了。但太空中就不一样了。运行在轨道上的空间太阳能电站,99% 的时间里都不会被地球的影子挡住太阳光,可以一天 24 小时持续发电。而且,通过调整电池板的姿态,将其永远维持在正对着太阳的角度,可以让空间太阳能电站持续保持最高发电输出。

地球上的太阳能电站往往要受制于地形条件的限制,不可能无限制地大下去。但太空中则没有这样的限制,空间太阳能电站的总面积可以非常巨大。这样一来,甚至可以替地表挡住一部分太阳光,减少来自太阳的能量输入,进而降低地球表面的温度。相当于用一把巨大的 “遮阳伞” 来缓解全球气候变暖,帮助解决这个 21 世纪人类面临的最棘手的问题。

把电力从 “富裕” 的地区调度到 “短缺” 的地区,一直是电网的重要工作。这方面最典型的代表,就是动辄跨越神州大地的特高压超远距离输电线路,把西部的能源输送到需要用电的东部。但空间太阳能电站,可以直接在太空中把微波或激光反射到最需要电力的地区,而无需通过电网跨省、甚至跨国、跨洲调度,不用再受到电网传输能力的限制,甚至,可以把电力输送到电网很难覆盖到的地区。

对,你没有听错,就是那个人人闻之变色的台风。人类已经可以干预降雨了,但对台风还是束手无策。空间太阳能电站却有可能带给人类这一超凡的能力。从太空中来这么一大股能量,是可以对地球大气产生影响的。理论上,通过调节微波的频率,空间太阳能电站可以对热带气旋的走向和强度进行干预和调节。一旦实现,中国东南沿海的台风、美国西海岸的飓风,都将无法上岸肆虐。


图 | 空间太阳能发电甚至可以干预台风的走向。(来源:NASA/NOAA GOES PROJECT,MIT TECHNOLOGY REVIEW)

不过,凡事有利就有弊。空间太阳能电站提出不是一年两年了,一直实现不了还是有原因的。

首先,成本高昂。

对于现有的技术水平而言,建设一个空间太阳能电站所需的成本是百亿、千亿级别的。不论是直接发射一个电站上去,还是发射一个“太空工厂“,利用 3D 打印等技术自行在太空中组装出一个电站来,发射成本都太高了;而地面接收电能的装置也十分巨大、复杂,成本同样不容小觑。

其次,技术挑战艰巨。

空间太阳能电站的每一个环节,从电站的发射、控制、维护,到电能的转换、传输、接收,无不充满技术挑战。不过,各项相关技术目前都在取得积极进展。X-37B 的这次实验也是推进相关技术进步的一个关键项目。

图 | 上世纪七十年代 NASA 对空间太阳能电站的天线想象图。(来源:NASA)

第三,安全问题。

太空中满是陨石、太空垃圾等不受控的飞行物,如果撞到电站,轻则降低发电量,重则直接报废。发生碰撞也好,电站自己出现故障也罢,所可能产生的碎片都会变成新的太空垃圾,威胁其它在轨飞行器,比如卫星、空间站的安全。

而来自地球表面的威胁则更加恐怖。只有少数国家才拥有的反卫星武器先不提,无处不在的网络攻击随时有可能黑了这么个重要的能源设施,把它变成一个太空武器。空间太阳能电站是可以干预台风走向的,万一把传输方向从接收站改到敌国的城市,后果不堪设想。

就算正常运行,其对于生态环境的影响也需要评估。根据设计建议,空间太阳能电站的微波辐射能量将仅为太阳辐射的 1/4(也就是说,如果人类和其它动植物暴露在阳光下是安全的,那么这个空间太阳能发电站的微波也就是安全的),但毕竟总能量巨大,对于生态环境会不会造成严重的影响尚未可知。

因此,如何保证空间太阳能电站自身的安全,以及其所能影响到的环境的安全,都是巨大的挑战。

尽管如此,世界各国还是对开发空间太阳能发电站充满了兴趣。

美国早在 1974 年就展开了相关研究,之后的八十年代和最近的十年,以美国军方和航天局为代表的许多项目相继展开。

这次 X-37B 的发射,将是这类实验首次在太空中进行。该实验名为“光伏射频天线模块飞行实验(Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module Flight Experiment,PRAM-FX)”,计划将光伏阵列产生的直流电转化为频率是 2.45GHz 的微波,记录相关的数据,并对设备效率进行研究。日本的三菱重工在 2015 年开展实验,将 10 千瓦的太阳能通过微波传送到了 500 米以外的地方,证明了技术的可行性。俄罗斯和欧洲也有类似的计划。

中国计划在 2030 年建设太阳能空间发电站

X-37B 进行的这一实验让我们再次将目光聚焦到了人类在实现 “空间太阳能发电” 上的进度条。事实上,国内早已启动相关的技术测试。

在这个领域,中国亦有着远大的目标:2008 年,中国将空间太阳能电站研发工作纳入国家先期研究规划,力争在 2030 年开始建设兆瓦级空间太阳能试验电站,2050 年前具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力。

具体实施上,我国首个空间太阳能电站实验基地已经在 2018 年 12 月宣布于重庆启动建设。

图 | 空间太阳能电站想象图,看到传输电力的微波了吗?(来源:Wikipedia)

王立表示,空间太阳能发电的核心技术——微波输能——多年来已在全球科学家的努力下于实验室得到验证,且各国实力相当,现阶段需要走出实验室在更大的室外空间进行更多实战,包括对传输和接收效率的改善,微波对环境和人体带来的具体影响等。而在重庆搭建的实验基地,有望成为该领域的重要实验场。

“希望能够推动这个实验平台成为新的‘大科学装置’,以吸引全球的技术专家共同加入研究”,王立说。

更多的技术解读见以下专访 QA 内容:

DeepTech:美国空军这次微波输送电能的实验和国内做太阳能空间发电站的技术是相同的吗?

王立:虽然还不了解实验的技术细节,但我认为应该是差不多的。微波传送电能和激光传送电能这两种技术都有人在从事研究,它们的原理都是将电能实现远距离传输。

在电气工程诞生的一百多年里,电能都是通过电线传播的。现在大家接触和使用的无线输能通常是通过电磁耦合实现的,也是现在研究进展很快而且应用最好的,例如日常生活中的手机无线充电。但是它只能在厘米级传输。麻省理工学院提出的磁耦合谐振原理可实现米级的无线传能。

用卫星往地面传输电能一般距离要达到几百公里至 36000 公里。上述方法无法实现远距离无线输能。要实现真正的远距离无线能量传输则需要通过微波或者激光等。微波输能是把电能通过微波器件转化为微波,再天线定向发射电功率,并定点接收。这两种技术差别还是比较大的。

图 | X-37B(来源:麻省理工科技评论)

DeepTech:微波输能技术现在处于什么阶段?

王立:我们认为,微波输能技术的核心问题是解决微波的空间传输(或能量捕获)效率以及基础微波器件的转化效率,这包括微波源的转化效率和接收整流器件的效率,前者涉及微波传输理论及天线系统设计等非常复杂的科学技术难题。

现在使用的微波源主要有两种:一种是速调管、磁控管和行波管等电真空器件,它的高频效率也不是太高;另外一种是固态半导体放大器,目前在 5.8GHz 的效率只有 50%-60%,但随着材料和器件技术的发展,这种器件转化效率的提高速度还是挺快的。

目前世界各研究机构在微波输能技术方面的差距不是很大。在通过系统设计方法创新和新型天线设计提升微波空间传输方面,各个研究机构都在进行研究。

DeepTech:中国的空间太阳能发电站规划路线图是什么?

王立:每个国家都有自己的空间太阳能发展路线图,每隔一段时间都会更新路线图。中国专家经过论证提出的发展目标是 2050 年建设商用大型的空间太阳能电站,这是一个远期目标,而实现这一目标要分为几个阶段,首先就是要有一个实验性的电站。我们初步计划是在 2030 年前后建设一个实验性的小型太空发电站。

DeepTech:达成 2030 年目标的成本?

王立:由于是实验性电站,所以它的造价要考虑研究投入和建设成本两部分。我们目前提出的传输 MW 级电量的实验电站重量估算为 200 吨左右,这已经是很大的规模了,可能比现在国际空间站都大。按现在的发射成本算的话,它的造价会比较大,应该是千亿数量级人民币。

DeepTech:今年的重点工作是什么?

王立:我们正在和重庆的高校合作,搭建一个微波输能的实验平台。在两个山体之间做微波的输能实验,来验证微波输能的各个环节设计效果,并研究微波输能对环境的影响,进行科学数据积累。重庆的实验平台是永久性专用实施,基本上可以长期开展不同功率、不同频率的微波输能全系统实验,它应该比其他地方的实验条件更好。

我们今年的计划是开展一些不同目的的微波输能演示实验。这只是第一阶段,我们的长远目标是把重庆实验基地建成国际级的微波输能科研基地。目前还没有国家做到这一点,大多研究都是在实验室中或使用临时性场地。

另外,建设重庆实验平台也是为了给未来制定无线输能标准做一些前期准备。我们认为,无线输能技术会重塑现在的能源产业,标准的制定需要早于技术的商业化实现。

DeepTech:对于普通人来说,可想象的微波输能应用场景是哪些?

王立:我们也做过相关论证,我们认为个人用户不是微波无线输能的重点,它更多针对的可能是物联网、无线传感器网络、移动充电等应用和特殊的高价值供电情况,如救灾、重要设施等。

从目前来看,我们认为,如果 2030 年左右能实现空间太阳能电站发电,这些能量可能首先还不是用于供给地面的电力系统,而更有意义的是用在支持科学研究方面,如干预台风飓风研究等。事实上每一年的台风飓风都给人类造成了巨大的生命财产损失。

DeepTech:如何理解“人造太阳“与微波无线输能这两种清洁能源技术路线的关系?

王立:人类还在核聚变的理论突破的路上,但是空间太阳能发电没有理论问题,它更多面临的是技术和成本问题。

从实现上来说空间太阳能电站相对容易。空间太阳能电站和人造太阳不是替代关系。空间太阳能电站带来的最大变化就是无线输能。无线输能的影响面更大更宽,它涉及能源获取和应用问题,在人类的科技产业上会带来很多变革机会。众所周知,每一次能源技术的革命对人类文明的影响是非常显著的。

(来源:Wikicommons)

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