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穹顶之上建电站 疯狂计划可行否?
来源:中国航天报飞天科普周刊     日期:2015年03月27日    字体:【】【】【

空间太阳能电站模拟图

核心提示3月9日,日本对外宣称成功进行了一次微波输电试验,这是向未来空间太阳能电站迈出的重要一步。这次试验的距离只有55米,而他们设想中的空间电站距离地面36000公里,相差了大约65万倍。此次试验传输的电力功率只有1.8千瓦,比设想中的空间电站少了56万倍。尽管如此,这次试验依然是一个有意义的开始。

空间太阳能电站(以下简称空间电站)的理念,是把太阳能发电站搬到太空去。空间电站的优势是太空中没有大气层的阻隔,阳光照射的强度远比地面上高;且在太空一般没有“占地”问题,可以相对自由地选择电站的位置。更加重要的是,在太空发电不需要燃烧化石燃料,因此不会产生废气排放,这对饱受环境污染困扰的人类而言,无疑是一个好消息。

历史上,多个国家对空间电站进行过研究,美国、欧洲、日本还先后提出了不少设想。但真正列入国家计划并正式开展研制的,迄今为止只有日本一个国家。究其原因是由于传统发电已经基本能满足西方国家的用电需求,在人口密度大、环保要求严的欧洲,大量核电站正在安全高效地运行。因此,西方只有宇航界人士对空间电站有一定的热情,主要能源企业乃至公众对此并不是很关心。那么日本为何如此积极地研制空间电站呢?

空间太阳能电站模拟图

日本为何积极太空索电

日本对空间电站一直保持着很高的热情。其主要原因是日本的能源高度依赖进口,即使在建设了大量核电站之后,这个问题也没有得到缓解。此外,由于日本的核燃料需要进口,而且几乎每次海上运输都会遭到反核组织的强烈抗议。因此,日本将目标转向了太空。

早在2001年,日本就制定了四步走的战略。即逐步建设100千瓦低轨道、10兆瓦低轨道、250兆瓦静止轨道的演示验证电站,最终建成1000兆瓦的静止轨道商业电站。

和各种航天计划一样,日本建造太空电站的最大难点也是经费问题。

日本方面提出过两种1000兆瓦的设计方案。一种方案是采用2.5×2.3公里的太阳电池板一块一块地搭建起电站,形成一个边长10公里的正方形的“大方块”发电区。这个发电区的背面就是微波发射器。另一种方案是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)提出的,这个方案较前一个方案略有不同,它的“大方块”尺寸只有1.6×1.8公里,厚10厘米。在“大方块”的上方6公里处设置两块直径

1公里的反射镜,将阳光反射到“大方块”上,强化阳光照射。

按照日本方面的计划,这个1000兆瓦的发电站要到2040年才能投入使用。在此之前要进行各种技术验证。

事实上,无论哪个方案,都要建设大规模太阳电池阵。日本为此正在研制超清太阳能电池板,单位质量只有每平方米100克。即便如此,初步估算这个“大方块”及其相关控制、发射设备的在轨质量也要上万吨。而日本目前H-2A运载火箭的静地轨道运载能力只有4~6吨,每次发射成本是1~1.4亿美元。即使按照最低单位运价来计算,也要高达0.167亿美元/吨。

根据2014年的有关报道显示,日方最初估算建设空间电站的总成本为1万亿日元(98.3亿美元)。和上述计算的数字相差甚远。

当然,如果日本大量制造H-2A火箭,可以有效降低成本。但日本种子岛发射场受到附近渔场安全问题的影响,每年的发射次数受到严格限制。因此,就算日本大幅度提高H-2A火箭的产量,也起不到实质性降低空间电站单价的作用。

空间太阳能电站模拟图

发电容易输电难

把光伏电池发射到太空,从而产生电力并非难事,多数卫星和载人航天器都是用这种方式发电的。但是,真正的困难是如何把电力送回地球。在这个问题上有两种解决方法,欧洲和美国更加倾向于用激光来输送电力,而日本更加倾向于用微波来输送电力。

虽然激光的指向性更好一些,但日本方面却认为激光的对准技术不佳。实际上,微波的好处在于不受气象条件的限制,即使在阻碍激光传播的恶劣气候下,微波也能穿透阻碍抵达地面。美国地域辽阔,有大片干旱少雨的沙漠可以作为激光的接收场,欧洲也可以在非洲沙漠建立接收场。而日本在东北亚地区的政治处境,决定了其不可能把接收场放到有广阔沙漠的国外去。那么,能全天候工作的微波输电就成了唯一选择。

JAXA的太空电站专家佐佐木晋在一次会议上发表论文称,他们打算选取一个独立的小岛来作为接收场,然后从静止轨道向接收场发射高能量并对人体无害的微波,微波频率选定在5.8G赫兹。

不过从JAXA目前给出的指标来看,“对人体无害”恐怕是个难题。这种微波的能量其密度高达每平方米1千瓦,而对人体无害的微波功率上限是每平方米10瓦,前者是后者的100倍。另外,根据有关国际公约规定,任何国家不可任意寻找无人岛做微波试验。因此JAXA打算建造一个直径为3公里的人工岛作为接收场并不现实。

JAXA打算建造的太空电站发电能力为1000兆瓦,如果按照转换效率80%来计算,一年不间断运行的总发电量就可达到70.08亿千瓦时。虽然这还不到2012年日本发电量的1%,但是对于日本这样的国家来说已经相当不错了。

未来将有大发展

日本在空间电站的建设上尽管困难重重,却依然在不懈努力着。这对我国来说具有很大的借鉴意义。

我国的人民生活水平正在持续提高,人均用电量迟早会赶上发达国家。到那个时候,我国如果仍旧依靠燃煤、燃油发电来解决供电问题,即使采用清洁燃煤等环保技术,碳排放和其他排放量依然会达到一个可怕的数字,而核电站只适合修建在沿海地区,广大内陆地区依然需要一种发电能力相当、能量密度较高的发电手段。

未雨绸缪,提前开展太空电站的论证和关键技术研发,将会使我们在面对电力需求大幅度攀升的局面时,拥有一种靠谱的解决手段。(常飞)

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