據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇網(wǎng)近日報道，英國政府正考慮投資160億英鎊，建設(shè)空間太陽能電站。空間太陽能電站是英國政府“凈零創(chuàng)新組合”項目將投資的技術(shù)之一，被視為可助英國到2050年實現(xiàn)凈零排放的潛在措施之一。
美國加州理工學(xué)院科學(xué)家也正在開展一項具有先鋒性的“空間太陽能發(fā)電項目”，而且美國海軍研究實驗室2020年在太空測試了太陽能模塊和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。此外，中國也在建造自己的空間太陽能發(fā)電站。
那么，太空中的太陽能發(fā)電站將如何運作，能帶來哪些好處，又面臨哪些挑戰(zhàn)呢？
優(yōu)點多多
據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇網(wǎng)報道，到2050年，全球能源需求預(yù)計將增長近50%。
位于軌道上的空間太陽能電站一天24小時都可以接收太陽光，因此可以持續(xù)發(fā)電，這比地球上的太陽能發(fā)電系統(tǒng)更具優(yōu)勢——后者只能在白天發(fā)電，并且受天氣影響。因此，空間太陽能發(fā)電可能是幫助滿足全球能源部門日益增長的需求和應(yīng)對全球氣溫上升的關(guān)鍵。
空間太陽能發(fā)電需要在太空收集太陽能并將其傳送到地球上。為此，空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)需要一顆太陽能衛(wèi)星，即一臺裝有太陽能電池板的巨型航天器。這些電池板可以發(fā)電，然后通過高頻無線電波將能量無線傳輸?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能發(fā)電站向地球發(fā)射大量能量，這聽起來像科幻小說——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設(shè)想。在很長一段時間里，它成為作家們的靈感來源。1941年著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫發(fā)表的短篇小說《推理》，就描述了這樣一個能收集太陽能、并通過微波向行星傳遞能量的空間站。
此后，基于太空的太陽能利用就成為一個長盛不衰的想法，而最近的技術(shù)進(jìn)步使科學(xué)家們對其前景更為樂觀。這些技術(shù)包括輕型太陽能電池、無限能量傳輸和太空機器人技術(shù)等。
建造空間太陽能發(fā)電站首先需要解決的是太陽能電池板的重量問題，不過，這已經(jīng)通過開發(fā)超輕太陽能電池得到了解決。2017年，美國加州理工學(xué)院的研究人員提出了一個模塊化發(fā)電站的設(shè)計，該發(fā)電站由數(shù)千塊超輕型太陽能電池瓦組成。它是迄今為止最輕的集成多功能原型機，能夠收集陽光，將其轉(zhuǎn)換成射頻電能，然后以受控光束無線傳輸這種能量。
另外，空間太陽能電站基于模塊化設(shè)計，大量太陽能組件可由機器人在軌道上組裝而成。此外，把所有這些組件運入太空難度大、成本高，但像美國太空探索技術(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告認(rèn)為，英國投資100多億英鎊建設(shè)空間太陽能電站是可行的。該項目預(yù)計將從規(guī)模試驗開始，2040年建成并投入使用。屆時這顆太陽能衛(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)美國消費者新聞與商業(yè)頻道網(wǎng)站報道，中國正在考慮建設(shè)太陽能發(fā)電站的計劃，包括在2021年至2025年建設(shè)中小規(guī)模平流層太陽能電站并發(fā)電；2025年后開始大規(guī)模空間太陽能電站系統(tǒng)相關(guān)工作。根據(jù)有關(guān)專家組論證建議，中國應(yīng)力爭在未來十余年完成空間超高壓發(fā)電輸電及無線能量傳輸試驗驗證，實現(xiàn)“2030年開始建設(shè)兆瓦級空間太陽能試驗電站，2050年前具備建設(shè)吉瓦級商業(yè)空間太陽能電站的能力”的中、遠(yuǎn)期目標(biāo)。
但世界經(jīng)濟(jì)論壇網(wǎng)的報道指出，即使我們成功建造了一個空間太陽能電站，其運行也面臨若干實際挑戰(zhàn)，例如太空碎片可能會破壞太陽能電池板。太空碎片是廢棄的運載火箭或航天器部件，它們在地球上空數(shù)百公里處漂浮，由于太空碎片以25266公里/小時的極快速度在近地軌道上飛行，因此一旦發(fā)生碰撞，可能會對衛(wèi)星或航天器造成嚴(yán)重破壞。
另一個問題是，從太陽能衛(wèi)星向地面?zhèn)鬏斈芰侩y度很大，科學(xué)家們需要提高無線能量傳輸?shù)男?，按照現(xiàn)有技術(shù)，收集到的太陽能只有一小部分可到達(dá)地球。
報道還指出，空間太陽能發(fā)電能否幫助英國在2050年前實現(xiàn)凈零排放還有待觀察，但盡管存在上述挑戰(zhàn)，空間太陽能發(fā)電未來仍有可能夢想成真，在全球能源供應(yīng)中發(fā)揮重要作用。
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