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奋力逐日,能否收获清洁能源?

奋力逐日,能否收获清洁能源?

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原文作者:Elizabeth Gibney


空间太阳能电站演示器预备开展在轨测试之际,《自然》盘点了空间太阳能的五大难题。


100年来,人们一直梦想着把庞大的太阳能电池板阵列送进太空,再把太阳能电输送回地球。地面上的可再生能源有来源时断时续的问题,而空间轨道上的电池板能一直沐浴明亮的阳光,因而有持续供给能源的可能。


如今,相关硬件和太空发射的成本都有所降低,使得这类想法开始显得可行起来。世界各地的团队正在攻关空间太阳能系统的关键元件,其中美国加州理工学院(Caltech)的研究人员建造了一个空间太阳能系统的演示器,于2023年2月开展在轨实验。


欧空局(European Space Agency)正在研究在轨太阳能电池阵列向地球传输可再生能源的可能性。插画中,艺术家展现了这一能源传输过程。|European SPS Tower concept


“这个系统里并没有什么需要新物理知识的新奇玩意。”“太阳计划”(the Solaris initiative)的共同领导人James Carpenter说。“太阳计划”是欧空局(European Space Agency)开展的一项可行性研究,如果结果理想,空间太阳能技术可能从2025年起进行充分研发。Carpenter在荷兰的欧洲空间研究与技术中心(ESA’s European Space Research and Technology Centre)开展研究,他表示:“从经济性上看,空间太阳能可以与核电等能源媲美。”


只有大规模铺开设施,空间太阳能才可行。科学家的预想是,建造宽数千米的太阳能电池阵列,让它在离地球表面约36000千米的轨道运行。电池阵列收集的能量将转化成微波,发射回地面的接收器;接收器的面积甚至比电池阵列更大。


中国已经宣布,2028年将把一个兆瓦级的空间太阳能演示装置送入近地轨道,2030年再把一个空间太阳能系统送入更遥远的地球同步轨道。Carpenter表示,若资金充足,首个数千兆瓦级的空间太阳能电站或能于2040年前投入使用。上述进展固然令人兴奋,但空间太阳能系统仍面临巨大的技术障碍。


《自然》盘点了把空间太阳能变成现实的过程中,研究人员必须解决的五大难题:


太空中如何建造太阳能农场?


要产出1千兆瓦电力——相当于地球上一个发电站的产能——所需的在轨电池阵列面积超过1平方千米,比国际空间站(International Space Station)大了100多倍,而一个国际空间站的建设就花了整整10年。太阳能电池阵列将在太空中由可量产、可分别发射的模块组装而成。Caltech的实验将把一个紧紧折叠的太阳能电池模块展开成餐桌大小的平板,但全尺寸阵列的模块可达60米长。


还有一些项目采用了不同的设计方案。其中,欧空局的“太阳计划”考虑采用螺旋状结构,而在中国,西安电子科技大学的“逐日工程”正在开发冠状太阳能采集器。两个项目都需利用机器人进行远程在轨组装,而这项新生的技术还不太成熟。


美国航空航天公司(the Aerospace Corporation)的太空经济学家Karen Jones表示,此类系统背后的工程“极其复杂”。Caltech希望把他们成形的弹性电池板送入太空,免去在太空中组合电池板的步骤,并采用算法校正各种影响电力传输的波动,从而规避模块组装问题。英国朴茨茅斯大学(the University of Portsmouth)的化学工程师Jovana Radulovic指出,无论采用何种设计,都需要逐周发射部件,这么大的发射密度是前所未有的。


使用哪种太阳能电池板?


为了控制发射成本,太阳能电池板需要重量轻、能效高。物理学家David Homfray在英国政府与民间合作的“空间能源计划”(Space Energy Initiative)中担任技术带头人,他指出,每1千克电池板的发电功率应为1-2千瓦。这一电池板重量和发电功率之比的要求,比地球上使用的常规硅电池高了50倍左右。绝大多数设计方案力求采用聚光器、镜面等创新部件,增加太阳能电池板的曝光量。


此外,空间太阳能电池板还需要耐受住强烈的太空辐射。许多太空探测器使用了辐射耐受性强的太阳能光伏材料,然而此类材料过于昂贵,无法用于规模庞大的电池阵列。Radulovic表示,正因为此,研究人员需要了解一些成本更低的替代材料的性能如何。


为此,Caltech的演示器搭载了一个实验,该实验将测试32个轻型光伏电池,其中包括低成本的钙钛电池。该项目的带头人之一Ali Hajimiri表示,“实验的目的是在一定程度上做一个寿命测试。”


Caltech的研究人员建造了一个空间太阳能系统的演示器,于2023年1月发射升空,目前正开展在轨测试。|Caltech/Space Solar Power Project


太阳能电如何到达地球?


这可以说是最大的难题。激光束传输能源效率可观,但可能被云阻挡。为避免这一问题,研究人员希望把太阳能电池阵列产生的电能转化成微波,因为微波可以穿过大气层,而损耗的能量不多。然而,由于微波传输过程中会发生散射,工程师需要精心地让微波发射实现同步,并利用宽数千米的接收站收集微波。


把太阳能转化为电能,再转化成微波,再在地面转化成电能,不可避免地会发生损耗。“没人会认真考虑采用空间太阳能的,除非损耗能大幅减少。”Radulovic说。欧空局估计,空间电池阵列接收到的太阳能,只要有10%-15%能输送到电网中,空间太阳能系统在经济上就是可行的。但是,欧空局指出,要实现10%-15%的转化率,还需要多项能源转化技术取得大幅进展。


2022年,西安电子科技大学的研究人员在地球上进行了一个小规模实验,利用微波将太阳能传输了55米。项目只采用了常规的硅电池,能源转化率约为2.4%。项目成员李勋表示,此次实验是首次在单个系统里完整演示微波传输能源的全部步骤。据Hajimiri介绍,Caltech的演示器将首次在太空中进行微波传输和接收能源的实验,不过传输距离仅为30厘米。


花的工夫值得吗?


多个航天机构和国家认为,空间太阳能或将有助于在2050年前实现碳中和目标。但是,Jones指出,“我们必须证明,空间太阳能对地球总的作用是正面的。”


空间太阳能当然远远比地面上的太阳能昂贵,但Carpenter指出,其成本是能与核电、采用碳捕捉技术的天然气等其它持续生产的低碳能源一较高下的——哪怕存储地面可再生能源有一些更加经济的方法,让空间太阳能电池阵列的经济性有所减弱。


与此同时,据英国斯特拉斯克莱德大学(the University of Strathclyde)的研究人员计算,一个空间太阳能电站的产出抵消其开发、建造、装配过程中排放的温室气体,仅需不到6年时间。“空间太阳能显得实在是很有竞争力。”Homfray说。不过,鉴于空间太阳能系统的设计和部署方式尚不确定,Radulovic对此类估算的可信度仍有疑问。


安全吗?


出人意料的是,用微波从太空传输能源很安全。微波频率将经过挑选,以免扰乱航空通讯。不仅如此,Carpenter还介绍道,因为微波的能量散布范围很广,地面接收站收到的平均能量密度仅为每平方米50瓦特,与微波炉泄露的无害微波相当。“可以认为,这个水平的人体微波辐射暴露,在正常的建议安全范围内。”Carpenter说。


但是,研究人员尚需证明人类、动物及更广泛的环境不会遭受负面影响。“我认为研究人员需要向同样遭遇过此类担忧的移动无线业界学习,不要轻视这些担忧,而要用研究证明安全性。”Jones说。  


原文以Could solar panels in space supply Earth with clean energy?标题发表在2023年2月2日《自然》的NEWS EXPLAINER版块

© nature

doi: 10.1038/d41586-023-00279-8


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