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中國將在太空中收集太陽能建發電站 正處試驗階段
發布時間：
2020-03-20
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據科技日報3月6日報道，中國航天科技集團五院載人飛船系統總設計師張柏楠代表6日向科技日報記者透露，航天五院“錢學森空間技術實驗室”團隊已開展太陽能電站具體研究工作，目前正處于研究試驗階段。
空間太陽能電站是指在太空中將太陽能轉化為電能，通過無線能量傳輸方式傳輸到地面，或是直接將太陽光反射到地面、在地面進行發電的系統。目前美國、俄羅斯、日本等國都在開展研究。張柏楠對其發展應用前景十分看好。
“該系統最大的特點是綠色環保。”張柏楠說，“在太空中收集太陽能，對地球環境的影響很小，而且完全不依賴地球資源。”
同時空間電站的發電效率遠高于地面太陽能。太空里可以連續接收太陽能，不受季節、晝夜變化等的影響，接收的能量密度高，是地面平均光照功率的7至12倍；同時可以穩定地將能量傳輸到地面，基本不受大氣影響。
目前，世界各國已設計出幾十種概念方案，五院團隊提出的“多旋轉關節空間太陽能電站”方案，獲得了2015年世界太陽能衛星設計競賽第一名。
張柏楠認為，空間電站在技術原理上已沒有太大問題。太陽能帆板在衛星上廣泛應用，而且近年來，太陽能電池發電效率、微波轉化效率等技術取得了很大進步，為該系統的研發奠定了良好基礎。但要達到工業應用標準，對發電量要求將很高，至少是兆瓦、G瓦量級，太陽能電池板也可能要用平方公里來計算。
“有專家建議先建一臺兆瓦級規模的試驗系統，發射到太空開展實驗。”張伯楠透露。
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其實早在2011年7月，當時國內空間太陽能電站研究還處于剛剛起步的階段。在中國空間技術研究院主辦的空間太陽能電站發展技術全國研討會上，與會專家提出了我國空間太陽能電站發展“路線圖”。當時《光明日報》刊文專門介紹了空間太陽能電站的難題與挑戰，以及各國的研究、發展情況。原文如下：
你敢想嗎？太空建個發電站
1968年美國科學家彼得·格拉賽（Peter Glaser）首先提出了建造空間太陽能電站的構想，其基本思路是：將無比巨大的太陽能電池陣放置在地球軌道上，組成太陽能發電站，將取之不盡、用之不竭的太陽能轉化成數千兆瓦級的電能，然后將電能轉化成微波能，并利用微波或無線技術傳輸到地球。
能量轉換裝置將電能轉換成微波或激光等形式（激光也可以直接通過太陽能轉化），并利用天線向地面發送能束。有資料稱，從理論上說，在陽光充足的地球靜止軌道上，每平方米太陽能能產生1336瓦熱量，如果在地球靜止軌道上部署一條寬度為1000米的太陽能電池陣環帶，假定其轉換效率為100%，那么，它在一年中接收到的太陽輻射通量差不多等于目前地球上已知可開采石油儲量所包含的能量總和。
地面接收系統接收空間太陽能電站發射來的能束，再通過轉換裝置將其轉換成為電能。整個過程經歷了太陽能-電能-微波（激光）-電能的能量轉變過程。空間太陽能電站的建造和運行過程還需要包括大型的運載系統，空間運輸系統，及復雜的后勤保障系統。
我國空間太陽能電站發展“四步走”設想
第一階段：2011年-2020年
充分分析空間太陽能電站的應用需求，開展空間太陽能電站系統方案詳細設計和關鍵技術研究，進行關鍵技術驗證。
重點驗證無線能量傳輸技術、高效大功率太陽能發電技術、大型結構的展開組裝技術和高壓供配電系統，主要有地面大功率無線能量傳輸試驗、地面大型結構展開及裝配技術試驗、地面對平流層飛艇無線能量傳輸試驗、依托空間站的大型結構展開及裝配技術試驗等。
第二階段：2021年-2025年
利用我國的空間站平臺，在航天員參與下，進行我國第一個低軌道空間太陽能電站系統研制，在2025年開展系統驗證。重點驗證大型結構的空間展開及裝配，大型空間聚光系統及其控制，大功率電源管理系統，大型結構的姿態控制技術，無線能量傳輸技術（激光、微波），空間太陽能電站的運行維護管理等。
第三階段：2026年-2040年
在低軌關鍵技術驗證的基礎上，進一步研究經濟上和技術上更為可行的空間太陽能電站系統方案和關鍵技術，突破軌道間大功率電推進技術，研制地球同步軌道驗證系統，大約在2030年左右發射，進行空間-地面、空間-空間無線能量傳輸，開展系統驗證，為商業系統的研制提供重要的運行參數。系統運行壽命10年。初步考慮該系統在低軌進行自主空間組裝，并利用空間站和航天員進行部分組裝工作，同時解決空間裝配中出現的問題，組裝測試完畢后，整體運送到地球同步軌道。
第四階段：2036年-2050年
結合驗證系統的運行狀況，結合技術發展，研制我國第一個商業化空間太陽能電站系統，實現空間太陽能電站商業運行，運行壽命30年以上。
空間太陽能電站面臨的巨大挑戰
不過，當前建設空間太陽能電站首先是技術難題，對于現有的航天器技術提出了很大挑戰：規模大，質量達到萬噸以上，比目前的衛星高出4個數量級，需要采用新材料和新型運載技術；面積達到數平方公里以上，比目前的衛星高出6個數量級，需要采用特殊的結構、空間組裝和姿態控制技術；功率大，發電功率為吉瓦，比目前的衛星高出6個數量級，需要特別的電源管理和熱控技術；壽命長，至少達到30年以上，比目前的衛星高出一倍以上，需要新材料和在軌維護技術；效率高，需要先進的空間太陽能轉化技術和微波轉化傳輸技術。
其次是成本問題。有專家估算，建設一個天基太陽能發電站需要耗資3000億至10000億美元。因此，成本問題可能是制約空間太陽能電站發展的主要因素。在新概念、新技術和大規模商業化之前，收入難以補償整個系統的建造和運行成本。
再次是環境影響。雖然空間太陽能電站功率很大，但由于微波能量傳輸距離遠（36000公里），根據微波能量傳輸特性，實際接收天線的能量密度比較低。
最后是運行問題。空間太陽能電站運行中還有許多問題，其中包括需采取相應措施對波束進行安全控制問題、對于飛行器的影響、空間碎片可能對空間太陽能電站造成局部損害、易攻擊性、可能成為空間垃圾等。此外，還有軌道和頻率、產能、發射能力等問題。
域外方案
美國：1979 SPS基準系統，這是第一個比較完整的空間太陽能電站的系統設計方案，由美國在1979年完成，以全美國一半的發電量為目標進行設計。其設計方案為在地球靜止軌道上布置60個發電能力各為5吉瓦的發電衛星。
集成對稱聚光系統：NASA在20世紀90年代末的SERT研究計劃中提出的方案。采用了位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽能反射到兩個位于中央的光伏陣列。聚光器面向太陽，桅桿、電池陣、發射陣作為一體，旋轉對地。聚光器與桅桿間相互旋轉以應對每天的軌道變化和季節變化。
日本：分布式繩系衛星系統，為減小單個模塊的復雜性和重量，日本科學家提出了分布式繩系衛星的概念。其基本單元由尺寸為100米×95米的單元板和衛星平臺組成，單元板和衛星平臺間采用四根2千米~10千米的繩系懸掛在一起。單元板是由太陽能電池、微波轉換裝置和發射天線組成的夾層結構板，共包含3800個模塊。每個單元板的總重約為42.5噸，微波能量傳輸功率為2.1兆瓦。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個系統。該設計方案的模塊化設計思想非常清晰，有利于系統的組裝、維護。但系統的質量仍顯巨大，特別是利用效率較低。 歐洲：太陽帆塔，歐洲在1998年“空間及探索利用的系統概念、結構和技術研究”計劃中提出了歐洲太陽帆塔的概念。該方案基于美國提出的太陽塔概念，并采用許多新技術。其中最主要的是采了可展開的輕型結構——太陽帆。其可以大大降低系統的總重量、減小系統的裝配難度。其中一塊太陽帆電池陣為一個模塊，尺寸為150米×150米，發射入軌后自動展開，在低地軌道進行系統組裝，再通過電推力器轉移至地球同步軌道。由于該方案采用梯度穩定方式實現發射天線對地球定向，所以太陽帆板無法實現持續對日定向。
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