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太空收集太陽能“狂想曲”

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節(jié)能時代過去了??

如果太空收集太陽能實現(xiàn)了,

人類將獲得取之不盡的能源……

未來還需要節(jié)能嗎?

勝利中學 宋瑞

太陽

將太陽能作為能源和動力,人類已經(jīng)探索了近400年,利用的方式一種是光熱轉(zhuǎn)換,一種是光電轉(zhuǎn)換。

其中光電轉(zhuǎn)換就是在地面或其他開闊地鋪設(shè)太陽能電池板,并通過控制器將太陽能直接轉(zhuǎn)化成可利用的交流電或直流電,也可以先把電放入蓄電池儲存起來再利用。

但通過這樣的方式我們所得到的太陽能已經(jīng)被大氣層層層剝削,只剩太空中太陽輻射的1/10~1/5,盡管光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)從最初的10%提升到了40%左右,但地面太陽能發(fā)電的實際效果還是打了很多折扣。

因此,科學家們很早就將視野轉(zhuǎn)向太空,如果能從太空直接收集太陽能,那么,太陽能的可用量將是地球上的數(shù)十億倍。


高效利用太陽能


在太空,理論上,在地球同步軌道上,99%的時間可以接受太陽能輻射,每平方米太陽能可以產(chǎn)生1336瓦熱量。早在1968年,美國科學家彼得·格拉賽(PeterGlaser)就首先提出了建造空間太陽能電站的構(gòu)想。

在地球位于日地平均距離處時,地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積在單位時間內(nèi)所受到的太陽輻射的全譜總能量,稱為太陽常數(shù)。太陽常數(shù)的常用單位為瓦/米2。因觀測方法和技術(shù)不同,得到的太陽常數(shù)值不同。太陽常數(shù)值是1368瓦/米2 。

此后,美國、日本等都提出了自己的國際空間太陽能電站構(gòu)想。2011年,在中國空間太陽能電站發(fā)展技術(shù)全國研討會上,專家也提出了我國空間太陽能電站的發(fā)展思路。

【地球大氣上界太陽光能量分布】


2012年,斯特拉斯克萊德大學的研究人員在太空測試過一種裝置,可用于收集能量并以微波或者激光束的形式傳回地球。這項測試是曼金斯領(lǐng)導的美國宇航局先進理念研究所的一項研究的組成部分。斯特萊斯克萊德大學扮演的角色是為這一項目的結(jié)構(gòu)組件研發(fā)具有革新性的解決方案。

太空是收集太陽能的理想之地,擁有巨大優(yōu)勢。在太空中,你可以在一天中的任何時刻收集太陽能同時不會受到天氣條件的制約。

與地面能源相比,從太空中獲取太陽能,不僅強度高,由于其本身是無償?shù)?,因而成本低?/p>

在地面上建設(shè)太陽能電站需要很大的面積,與火力發(fā)電站相比,產(chǎn)生同樣電量的太陽能電站所需占地面積可能是火力發(fā)電站占地面積的幾十倍。此外,為了避免天氣對太陽能利用的干擾,就需要龐大的蓄能系統(tǒng)。目前來說,這都是發(fā)展太陽能的瓶頸。

三項技術(shù)需突破


空間太陽能電站是一個巨型的發(fā)電站,如果將國際空間站作為對比,其在1993年開始實施建造,直到2011年底完成組裝工作,總質(zhì)量為420噸左右,花費了16個參與國超過1000億美元的資金。而太陽能電站,光伏電池、微波轉(zhuǎn)換裝置、發(fā)射天線等裝置將被裝載到衛(wèi)星平臺上,該系統(tǒng)的質(zhì)量將達到萬噸級以上,組裝時的運輸成本就大得驚人。有預算顯示,建設(shè)這樣一個太陽能發(fā)電站需要耗資3000億~10000億美元。
如果無法減輕系統(tǒng)質(zhì)量,就不可能降低技術(shù)復雜性和建造成本。對于一個國家而言,這個工程項目的經(jīng)濟可行性幾乎為零。由于近年來,太空電梯成為美國、日本等競相研發(fā)的空間課題,一旦空間運輸技術(shù)得到實質(zhì)性的突破,運輸成本大大降低,也許將為空間太陽能電站的建設(shè)提供很大的技術(shù)便利。

通過微波傳輸,在地面還需要一個擁有巨大接收天線的儲能電站,占地至少幾公里到幾十公里,并且需要建在沙漠或海洋等無人區(qū)域,才能最終通過儲能電站傳輸給地面用戶。

目前無線傳輸研究比較多的就是微波傳輸,第二種是近距離電磁感應(yīng),第三種是諧振。想要實現(xiàn)從太空到地面的傳輸,微波是最理想的方式,因為它的傳輸距離最遠。近距離電磁感應(yīng)的傳輸單位是毫米到厘米,而諧振的傳輸單位也只能到米。

微波的理想頻率為2.45GH(千兆赫)或5.8GH,這兩個波段都處于紅外線與FM/AM無線電信號之間,最容易穿透大氣層。微波最大的問題是傳播效率低,大概只有10%左右。

除了技術(shù)方面的瓶頸,微波對環(huán)境的影響,恐怕也是太空向地面?zhèn)鬏斈芰康囊粋€障礙。在微波的傳輸通道上,不能有生物存在。因此,接收微波的電站必須建在一個無人區(qū),包括空中也要避開航空活動。條件十分苛刻。

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主       編:孫曉明                                                      

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原創(chuàng)作者:勝利中學  宋瑞

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