據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，英國(guó)政府正考慮投資160億英鎊，建設(shè)空間太陽(yáng)能電站?？臻g太陽(yáng)能電站是英國(guó)政府“凈零創(chuàng)新組合”項(xiàng)目將投資的技術(shù)之一，被視為可助英國(guó)到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放的潛在措施之一。

美國(guó)加州理工學(xué)院科學(xué)家也正在開(kāi)展一項(xiàng)具有先鋒性的“空間太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目”，而且美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室2020年在太空測(cè)試了太陽(yáng)能模塊和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。此外，中國(guó)也在建造自己的空間太陽(yáng)能發(fā)電站。

那么，太空中的太陽(yáng)能發(fā)電站將如何運(yùn)作，能帶來(lái)哪些好處，又面臨哪些挑戰(zhàn)呢?

優(yōu)點(diǎn)多多

據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇網(wǎng)報(bào)道，到2050年，全球能源需求預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)近50%。

位于軌道上的空間太陽(yáng)能電站一天24小時(shí)都可以接收太陽(yáng)光，因此可以持續(xù)發(fā)電，這比地球上的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)——后者只能在白天發(fā)電，并且受天氣影響。因此，空間太陽(yáng)能發(fā)電可能是幫助滿足全球能源部門(mén)日益增長(zhǎng)的需求和應(yīng)對(duì)全球氣溫上升的關(guān)鍵。

空間太陽(yáng)能發(fā)電需要在太空收集太陽(yáng)能并將其傳送到地球上。為此，空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)需要一顆太陽(yáng)能衛(wèi)星，即一臺(tái)裝有太陽(yáng)能電池板的巨型航天器。這些電池板可以發(fā)電，然后通過(guò)高頻無(wú)線電波將能量無(wú)線傳輸?shù)降厍?，而一種名為硅整流二極管天線的地面天線將把無(wú)線電波轉(zhuǎn)換成電力，再將其傳送至電網(wǎng)。

前景可期

利用漂浮在太空中的巨型太陽(yáng)能發(fā)電站向地球發(fā)射大量能量，這聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)——20世紀(jì)20年代，俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基首次提出了這個(gè)設(shè)想。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它成為作家們的靈感來(lái)源。1941年著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫發(fā)表的短篇小說(shuō)《推理》，就描述了這樣一個(gè)能收集太陽(yáng)能、并通過(guò)微波向行星傳遞能量的空間站。

此后，基于太空的太陽(yáng)能利用就成為一個(gè)長(zhǎng)盛不衰的想法，而最近的技術(shù)進(jìn)步使科學(xué)家們對(duì)其前景更為樂(lè)觀。這些技術(shù)包括輕型太陽(yáng)能電池、無(wú)限能量傳輸和太空機(jī)器人技術(shù)等。

建造空間太陽(yáng)能發(fā)電站首先需要解決的是太陽(yáng)能電池板的重量問(wèn)題，不過(guò)，這已經(jīng)通過(guò)開(kāi)發(fā)超輕太陽(yáng)能電池得到了解決。2017年，美國(guó)加州理工學(xué)院的研究人員提出了一個(gè)模塊化發(fā)電站的設(shè)計(jì)，該發(fā)電站由數(shù)千塊超輕型太陽(yáng)能電池瓦組成。它是迄今為止最輕的集成多功能原型機(jī)，能夠收集陽(yáng)光，將其轉(zhuǎn)換成射頻電能，然后以受控光束無(wú)線傳輸這種能量。

另外，空間太陽(yáng)能電站基于模塊化設(shè)計(jì)，大量太陽(yáng)能組件可由機(jī)器人在軌道上組裝而成。此外，把所有這些組件運(yùn)入太空難度大、成本高，但像美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)這樣的公司正在努力改變這種狀況，其研制出的“獵鷹”火箭可重復(fù)使用，功能更強(qiáng)大的“星艦”火箭也即將進(jìn)入關(guān)鍵的試飛階段，有望大大降低空間發(fā)電成本。

仍有挑戰(zhàn)

弗雷澤-納什咨詢公司最近的一份報(bào)告認(rèn)為，英國(guó)投資100多億英鎊建設(shè)空間太陽(yáng)能電站是可行的。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將從規(guī)模試驗(yàn)開(kāi)始，2040年建成并投入使用。屆時(shí)這顆太陽(yáng)能衛(wèi)星的直徑將達(dá)到1.7公里，重約2000噸。地面天線的面積約為87平方公里。

據(jù)美國(guó)消費(fèi)者新聞與商業(yè)頻道網(wǎng)站報(bào)道，中國(guó)正在考慮建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電站的計(jì)劃，包括在2021年至2025年建設(shè)中小規(guī)模平流層太陽(yáng)能電站并發(fā)電;2025年后開(kāi)始大規(guī)?？臻g太陽(yáng)能電站系統(tǒng)相關(guān)工作。根據(jù)有關(guān)專家組論證建議，中國(guó)應(yīng)力爭(zhēng)在未來(lái)十余年完成空間超高壓發(fā)電輸電及無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)“2030年開(kāi)始建設(shè)兆瓦級(jí)空間太陽(yáng)能試驗(yàn)電站，2050年前具備建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)空間太陽(yáng)能電站的能力”的中、遠(yuǎn)期目標(biāo)。

但世界經(jīng)濟(jì)論壇網(wǎng)的報(bào)道指出，即使我們成功建造了一個(gè)空間太陽(yáng)能電站，其運(yùn)行也面臨若干實(shí)際挑戰(zhàn)，例如太空碎片可能會(huì)破壞太陽(yáng)能電池板。太空碎片是廢棄的運(yùn)載火箭或航天器部件，它們?cè)诘厍蛏峡諗?shù)百公里處漂浮，由于太空碎片以25266公里/小時(shí)的極快速度在近地軌道上飛行，因此一旦發(fā)生碰撞，可能會(huì)對(duì)衛(wèi)星或航天器造成嚴(yán)重破壞。

另一個(gè)問(wèn)題是，從太陽(yáng)能衛(wèi)星向地面?zhèn)鬏斈芰侩y度很大，科學(xué)家們需要提高無(wú)線能量傳輸?shù)男?，按照現(xiàn)有技術(shù)，收集到的太陽(yáng)能只有一小部分可到達(dá)地球。

報(bào)道還指出，空間太陽(yáng)能發(fā)電能否幫助英國(guó)在2050年前實(shí)現(xiàn)凈零排放還有待觀察，但盡管存在上述挑戰(zhàn)，空間太陽(yáng)能發(fā)電未來(lái)仍有可能夢(mèng)想成真，在全球能源供應(yīng)中發(fā)揮重要作用。(科技日?qǐng)?bào)記者 劉 霞)

標(biāo)簽： 空間太陽(yáng)能 太陽(yáng)能發(fā)電 全球?qū)崿F(xiàn) 實(shí)現(xiàn)碳中和