無太空找電能

林寬雨

說起太陽能發(fā)電，想必大家都很熟悉，太陽能發(fā)電設(shè)備早就在我們的生活中得到了廣泛的應(yīng)用。不過，咱們今天要介紹的是一種非同一般的太陽能發(fā)電方法。在這種方法中，太陽能發(fā)電設(shè)備都跑到了太空中，電能從太空中傳到地球。這種發(fā)電方法就是如今備受科學(xué)家青睞的空間太陽能發(fā)電技術(shù)。

太空發(fā)電的三大主力

所謂空間太陽能發(fā)電，簡單來說，就是在太空中把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，再把生成的電能傳輸?shù)降孛胬闷饋?。想完成這項壯舉，需要三大主力成員。

1太陽能發(fā)電裝置在太空中的太陽能發(fā)電裝置和在地面上的太陽能發(fā)電裝置工作內(nèi)容一樣，都是把“熱情”的太陽能變成人們需要的電能。

2太空轉(zhuǎn)換發(fā)射裝置在太空中產(chǎn)生的電能想要被人們利用，得傳輸?shù)降孛娌趴梢?。為此，這些電能需要通過太空轉(zhuǎn)換裝置變身成微波或者激光，再借助發(fā)射裝置到達(dá)地面。

3地面接收轉(zhuǎn)換裝置最后，還需要地面接收轉(zhuǎn)換裝置將電能恢復(fù)原形，供入電網(wǎng)。這樣，通過這三大主力成員的通力合作，人們就能用到來自太空的電能啦！

太空發(fā)電優(yōu)點多多

明明在地面上就能實現(xiàn)太陽能發(fā)電，為什么要大費周章地把發(fā)電設(shè)備送到太空中呢？之所以這么做，是因為空間太陽能發(fā)電有很多優(yōu)點。

1能量充裕相比于地面，太空中的太陽能要充裕得多。據(jù)估算，1平方米的太陽能電池在多霧地區(qū)的發(fā)電功率大約是0.1千瓦。在西北地區(qū)太陽直射的正午，1平方米的太陽能電池的發(fā)電功率也只能達(dá)到0.4千瓦。但到了地球同步軌道上，1平方米的太陽能電池的發(fā)電功率能達(dá)到10千瓦以上。

2工作效率高在太空中的太陽能發(fā)電設(shè)備不受晝夜更替、季節(jié)變化等因素的影響，工作效率更高。如果把太陽能發(fā)電設(shè)備放到地球同步軌道上，它們在99%的時間內(nèi)都能穩(wěn)定地接收太陽輻射，這工作效率絕對是地面上的太陽能發(fā)電設(shè)備望塵莫及的。

3使用范圍廣身處太空中的太陽能發(fā)電設(shè)備覆蓋面也更廣，如果這些發(fā)電設(shè)備真能實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化供電，很多偏遠(yuǎn)地區(qū)都會受益。不僅如此，在太陽能發(fā)電設(shè)備控制范圍內(nèi)的航天器也能沾光，可以借此擺脫笨重的太陽能電池翼輕裝上陣。

空間太陽能發(fā)電計劃

隨著地球傳統(tǒng)能源日漸枯竭，像太陽能這樣的可再生能源本來就備受關(guān)注，再加上太空中的太陽能發(fā)電設(shè)備的工作業(yè)績又比地面上的太陽能發(fā)電設(shè)備突出得多，很多國家早就有了建設(shè)空間太陽能電站的計劃。

早在1977—1980年，美國能源部和美國國家航空航天局就有了建設(shè)空間太陽能電站的計劃，他們設(shè)計了一種名為“參考系”的太空太陽能發(fā)電衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由60塊長10千米、寬5千米的太陽能面板組成，發(fā)電功率達(dá)到500萬千瓦。這個計劃雖然聽起來很棒，但因為資金需求量太大，沒過多久就被中止了。

日本在1987年成立了專門研究空間太陽能發(fā)電的研究組，并于1993年完成了一種名為“SPS2000”的空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星模型的設(shè)計。SPS2000衛(wèi)星整體為正三角形棱柱形狀，邊長336米，柱長303米。SPS2000衛(wèi)星上除了發(fā)電用的太陽能電池，還包括了集電、送電、通信、控制等部分，總質(zhì)量大約為240噸。按照計劃，SPS2000衛(wèi)星的組成部分由大型火箭分16次運到太空，然后由組裝機(jī)器人像搭積木一樣在太空中完成組裝。由于日本對建設(shè)空間太陽能電站過于樂觀，這個原本要在2000年前上太空的SPS2000衛(wèi)星一直沒能實現(xiàn)自己的飛天夢。

除此之外，蘇聯(lián)、德國、法國等都提出過空間太陽能電站的建設(shè)計劃。我國是在2008年將空間太陽能電站的研發(fā)工作納入國家先期研究規(guī)劃中的。經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國在空間太陽能電站的研究上取得了很大的進(jìn)步。如今已經(jīng)有十幾家科研院所、高校、企業(yè)等加入了太空太陽能發(fā)電的相關(guān)研究中。2018年12月底，我國在重慶市啟動了首個空間太陽能電站實驗基地的建設(shè)工作;2018年12月23日，西安電子科技大學(xué)也啟動了一個名為“逐日工程”的相關(guān)研究項目。在空間太陽能電站的建設(shè)上，我國一路快跑，后來居上，如今已經(jīng)從最初的跟跑者變成了領(lǐng)跑者。

困難重重有挑戰(zhàn)

利用太空中的太陽能發(fā)電雖然有很多優(yōu)勢，但它們一時半會兒還搶不了地面上這些太陽能發(fā)電設(shè)備的“飯碗”。因為想要把太空中的太陽能利用起來，還有不少難題需要解決。

1太空太陽能電站如何建設(shè)單個太陽能電站的面積至少要有1400個足球場那么大，使用壽命要在30年以上。在地面上建設(shè)這么宏大的項目都不容易，更別說是在遙遠(yuǎn)的太空了。

2昂貴的成本如何解決把材料從地球運到太空所需的運輸費用要比在地面上的高很多，而想要在太空中建成發(fā)電站，勢必需要很多次從地球到太空的運輸，建設(shè)成本過于昂貴是一個不可避免的難題。

3安全隱患如何消除地球同步軌道雖然是個能穩(wěn)定接收太陽能的好地方，但同樣也是一個發(fā)生危險概率比較高的地方。想在這里生存，不僅要期盼不會跟周圍大量的太空垃圾發(fā)生交通事故，還得避開偶爾造訪的隕石。所以，要在地球同步軌道上建設(shè)發(fā)電設(shè)備，必須先想好如何保證它們的安全。畢竟，事故造成的后果可是不堪設(shè)想的。

當(dāng)然，即便困難重重，這種既高效又環(huán)保的發(fā)電方式依舊很有吸引力。為了建成空間太陽能電站，相信科學(xué)家一定能想辦法把這些難題——解決。比如，雖然建設(shè)空間太陽能電站需要火箭往太空跑很多次，但如果能用上可回收火箭，成本就可以降低很多。