工业之美 | 中国首个太空电站实验基地开建,“太空三峡”要来了

2021年07月19日 21:17
太空太阳能电站所发的电,将通过微波传输送回地球。

图片来源:图虫创意

实习记者 | 屠怡文

中国首个空间太阳能电站实验基地在重庆璧山正式启动,计划在距离地球表面3.6万公里的高空建造“太空三峡”。

根据《重庆日报》报道,全国首个空间太阳能电站实验基地于6月18日在璧山正式开工建设。该基地将重点进行空间太阳能发电站、无线微波传能以及空间信息网等技术的前期演示模拟与验证。

图为璧山空间太阳能实验基地项目鸟瞰图  图片来源:重庆经信委官微

空间太阳能电站的构想,最早于50多年前被提出。

1968年,美国航空航天工程师彼得·格拉塞(Peter Glaser)在《科学》杂志上发表了《来自太阳的能量:它的未来》一文,文中提出了“太阳能发电卫星”(Solar Power Satellite,SPS)的概念。

格拉塞提出,先在太空建设一个太阳能发电站,再把电能转变成电磁能,通过无线传输发射到地面的接收站,接收站再将电磁能转变回电能,并提供给供电网。

与地面太阳能电站相比,空间太阳能电站不受昼夜、天气等自然因素影响,对太阳能的利用率更高,是充分利用太阳能的最佳选择。

重庆经信委官微显示,中国工程院院士、重庆大学教授杨士中指出,在中国西北地区每平方米太阳能电池的最高发电功率约为0.4千瓦,在平流层的发电功率达7-8千瓦,在距离地球表面约3.6万公里的地球同步轨道上,发电功率可达10-14千瓦。

中国开建的空间太阳能电站实验基地,选址于重庆市璧山区福禄镇和平村,地形三面环山。所在地区具有气候湿润、无霜期长、日照多、云雾阴雨少等特点,可以保障实验顺利进行。

据重庆经信委介绍,按照2018年提出的最初规划,2019-2020年为实验基地建设期,将投资2亿元建设升空实验场地、气球平台调试大厅、实验楼、铁塔等设施,并通过高度50-300米的浮空平台开展微波传能实验。

2021-2025年将建设中小规模平流层太阳能电站并实现并网发电;2025年后开始大规模空间太阳能电站系统相关工作。目前看,进度有所延期。

空间太阳能发电站的概念图与设想  图片来源:前NASA科学家约翰·曼金斯(John Mankins)提供至CNBC

今年在璧山开建的空间太阳能电站实验基地项目,核心实验建设区有33亩,将建设实验科普综合楼、试验平台等;外围隔离区面积约为167亩,将建设科普教育中心,种植太空育种植物,开展太空科普旅游。

该实验基地的技术团队以重庆大学杨士中院士团队为主,同时联合了重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室、西安电子科技大学段宝岩院士团队、中国空间技术研究院西安分院微波技术重点实验室、中国航天科技集团钱学森空间技术实验室空间能源技术研究中心等单位共同组建。

中国科学院院士、中国航天科技集团科技委主任包为民指出,该项目将使用太空制造技术。太空制造不仅包括太空组装技术,还包括太空3D打印技术。

在太空3D打印技术的加持下,材料能做到极度轻量化,才可能实现利用火箭将它们送往太空。

太空太阳能电站所发的电,将通过微波传输送回地球。在重庆璧山所设立的实验基地,就是为了微波传输的前期演示模拟和验证。

璧山的实验基地选择在一个山凹中建设,在周围的山顶上,科学家们将搭建起四座铁塔,用钢索将发送升空的航空气球和地面连接,进行微波传输的实验。目前航空气球已经准备就绪,只待基地建成就可以开始一系列的实验工作。

该基地建成后,将成为中国首个集试验、技术集成攻关、科学数据野外观测及新产业培育为一体的大型综合实验基地。

当初彼得·格拉塞提出空间太阳能发电相关技术概念时,由于光伏电池、卫星技术和无线电力传输等技术的陆续开发与应用,空间太阳能发电的概念引起了相当大的关注。

图为太空太阳能阵列结构示意图 图片来源:NASA

在1970年代进行了太阳能运输实验之后,彼得·格拉塞与美国国家航空航天局(NASA)签订了一份资助研究的合同。但之后,该项目因为联邦政府的变动继而中止。

根据CNBC报道,当时美国科学界普遍认为,这个概念在技术上可行,经济层面上却不现实,所以相关研究停滞不前。

但近年来,美国关于太空太阳能发电的想法在复苏。

根据《每日邮报》报道,2019年11月5日,美国空军宣布了一项新计划,计划要向偏远地区或缺乏稳定电力来源地区的军事基地输送电力。

该报道指出,美国空军研究实验所将开发一套带有太阳能电池板的卫星系统,以便在其绕地球轨道飞行时获取太阳能。这些卫星收集的能量随后将被转化为无线电波,并传输到地球表面,在那里它们将被转化为可用的能源。

2020年5月,阿特拉斯-5型运载火箭(AtlasV)将X-37B太空飞机发射入轨。

AtlasV发射场景   图片来源:NASA

根据NASA的相关消息,X-37B将为美国空军学院部署小型FalconSAT-8卫星。该卫星携带了八个实验项目,其中包括为海军研究实验室进行的一项研究无线电力传输的实验。该实验内容是通过卫星的太阳能板产生电力,并将其作为微波辐射传输到地面。

除美国外,英国、日本、俄罗斯等国也在研究空间太阳能发电的新概念。

根据CNBC报道,其中日本表现最为积极。

1987年,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)成立了太阳能发电卫星研究组。

2005年,日本将空间太阳能电源列入国家航天长期发展规划之中。2009年,日本启动了新的微波功率传输研究计划,在地面验证100米距离上传输千瓦级功率的微波功率传输及波束控制技术。

据《重庆晨报》报道,中国工程院院士杨士中表示,日本已经实现了50米的微波传输,但远达不到空间太阳能电站的要求。

来源:界面新闻

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