新聞背景
最近，我國首個空間太陽能電站實驗基地在重慶啟動，該基地建成后開展的基礎性實驗和應用研究，將對我國今后建設空間太陽能電站產(chǎn)生重大意義。此外，空間太陽能電站系統(tǒng)項目的地面驗證平臺也將在西安落成，它用于對空間太陽能電站功能與效率進行系統(tǒng)驗證。
那么，什么是空間太陽能電站?為何要在太空建造太陽能電站?怎樣建造空間太陽能電站呢?
優(yōu)勢得天獨厚
目前，在地面用太陽能發(fā)電已經(jīng)很普及了，主要是采用太陽能電池板把太陽能轉換成電能。其實，在太空利用太陽能發(fā)電并不新鮮，因為目前大多數(shù)人造地球衛(wèi)星、載人航天器和空間探測器都裝有大大小小的太陽能電池翼，包括剛剛在月球背面著陸的嫦娥四號月球探測器也是如此。但是這些航天器的太陽能電池翼所發(fā)的電都是供航天器本身使用，而科學家想在太空建造的太陽能電站所發(fā)的電將主要用于地面的千家萬戶，為人類提供巨大清潔能源。
太陽是地球和整個太陽系取之不盡、用之不竭的核心能源系統(tǒng)。但是在地面上的利用率卻不高，因為在地面上利用太陽能會受到大氣的吸收和散射、云雨的衰減以及季節(jié)、晝夜更替的影響而衰減很多，能量密度變化也巨大，很不穩(wěn)定。
不過，在太空中太陽能卻非常充裕。比如，在地球上空3.6萬千米的地球同步軌道，由于太陽光線不會被大氣減弱，也不受季節(jié)、晝夜變化的影響，陰影期很短，99%的時間內(nèi)可穩(wěn)定接收太陽輻射，其強度是地面的6倍以上，且能實現(xiàn)空間向地面進行能量的定點傳輸，所以在太空建設太陽能電站，可有效利用此軌道上的太陽能，為人類提供優(yōu)質(zhì)的、巨大的、用之不竭的清潔能源。
發(fā)展空間太陽能電站，可為地面提供商業(yè)化的、大規(guī)模的電力供給，解決人類長期對于穩(wěn)定的可再生能源的需求問題。同時空間太陽能電站對于地面偏遠地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電和調(diào)節(jié)環(huán)境等方面具有重要的應用前景。同時，空間太陽能電站的發(fā)展也將為更為長遠的月球太陽能電站的發(fā)展奠定基礎。
一旦能夠攻克空間太陽能發(fā)電技術，就有望逐步解決人類社會面臨的能源危機，獲得取之不盡、用之不竭的可持續(xù)清潔能源。所以，空間太陽能電站被稱為“能源領域的偉大變革”，中國、美國和日本等國的專家都在積極開展相關研究。
就目前來看，空間太陽能電站是開發(fā)地月空間經(jīng)濟圈最直接有效可實現(xiàn)的方式，對比開發(fā)月球氦3的難度要小得多。
面臨巨大挑戰(zhàn)
空間太陽能電站是指在太空將太陽能轉化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳到地面的電力系統(tǒng)，主要包括三大部分：太陽能發(fā)電裝置、能量轉換和發(fā)射裝置，以及地面接收和轉換裝置。
太陽能發(fā)電裝置將太陽能轉化成為電能;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)，并利用發(fā)射裝置向地面發(fā)送波束;地面接收系統(tǒng)接收空間傳輸?shù)牟ㄊㄟ^轉換裝置將其轉換成為電能接入電網(wǎng)。
空間太陽能電站的技術原理現(xiàn)已沒有太大問題。近年來，太陽能發(fā)電效率、微波轉化效率以及相關的航天技術取得了很大進步，為未來空間太陽能電站的發(fā)展奠定了很好的基礎。但空間太陽能電站作為一個非常宏大的空間系統(tǒng)，需要開展系統(tǒng)的研究工作，在許多技術方面都有待取得突破性進展。例如，要達到工業(yè)應用標準，對發(fā)電量要求將很高，至少是兆瓦量級，太陽能電池板也可能要用平方千米來計算。
目前，一些國家的專家們已提出多種空間太陽能電站方案，這些方案各有千秋，對未來設計出實用的空間太陽能電站有較高的借鑒參考價值。
迄今為止，人類發(fā)射到太空的最龐大物體“國際空間站”有400多噸，而一個工業(yè)級的太陽能發(fā)電站則有上千噸。我國有專家建議：將空間太陽能電站的建造材料直接發(fā)射到太空中，在太空建立“太空工廠”，通過3D技術將所需的組件打印出來，再通過太空機器人進行組裝。這是目前的研究方向之一。
空間太陽能電站規(guī)模巨大，質(zhì)量可達萬噸、尺度能到千米、發(fā)電功率為兆瓦級、壽命需要在30年以上，所以對于新型運載、新型材料、高效能量轉化器件、超大型航天器結構及控制技術、在軌組裝維護技術等提出了很大的技術挑戰(zhàn)。
長期運行的安全性也是需要特別重視的問題。盡管從系統(tǒng)設計的角度已經(jīng)限制了波束密度可以滿足安全性要求，但對長期微波輻射下的生態(tài)、大氣、生物體等的影響問題仍需要開展長期的研究工作。
簡言之，空間太陽能電站需要解決三個關鍵問題：一是如何通過大型運載火箭將發(fā)電設備運送至地球同步軌道并組裝發(fā)電;二是如何將電能傳輸?shù)降孛?三是如何保障設備運行安全和環(huán)境安全。目前這三個問題都還處在基礎性探索中。
應用無限可能
空間太陽能電站發(fā)展的核心應用目標是為地面提供商業(yè)化的、大規(guī)模的電力供給，解決人類長期對于穩(wěn)定的可再生能源的需求問題。其應用領域很多。空間太陽能電站對于地面偏遠地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電和調(diào)節(jié)環(huán)境等方面具有重要的應用前景?？臻g太陽能電站的發(fā)展也將為更為長遠的月球太陽能電站的發(fā)展奠定基礎。
空間太陽能電站可以不間斷地為地面提供清潔的可再生能源，為人類提供巨大的、無盡的清潔能源儲備。假設在(空間)地球靜止軌道上每0.5?間隔(間距約360千米)布置一個空間太陽能電站，每個空間太陽能電站的發(fā)電功率為5兆瓦，則可以為地面連續(xù)提供約36億千瓦的電力。巨大的空間供電還可以用于地面的海水淡化、制氫等，從而可以用于其他清潔能源的利用。而且，空間太陽能電站作為一種大型的空間供電基礎設施，覆蓋面非常廣，可以靈活地用于地面移動目標的供電和緊急情況下的供電，包括偏遠地區(qū)、海島和災區(qū)等。
空間太陽能電站也可實現(xiàn)對可視范圍內(nèi)的地軌、中軌和高軌道的航天器供電，使航天器不需要巨大太陽能電池翼，從而大大增加功率水平和控制精度，這對于未來的大功率通信衛(wèi)星、高精度科學衛(wèi)星等的發(fā)展具有重要價值。未來，還可以利用空間太陽能電站直接進行空間燃料生產(chǎn)以及進行空間加工制造，使得未來的空間工業(yè)發(fā)展變?yōu)榭赡?。空間太陽能電站也能作為深空探測能源系統(tǒng)的候選方案。
傳統(tǒng)化石能源的利用引起了地球溫度的升高，隨之產(chǎn)生的臺風和龍卷風等惡劣氣象的頻繁出現(xiàn)給人類帶來巨大的災難。將空間太陽能電站的巨大能量傳輸?shù)烬埦盹L所在的區(qū)域，可以改變臺風的溫度分布，從而破壞龍卷風的形成過程。利用空間太陽能電站還能減緩大氣霧霾，從而起到環(huán)境調(diào)節(jié)的作用。
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