太空太阳能发电前景光明吗？

Mitch Leslie

工程（英文） ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (2) : 11 -14.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (2) : 11 -14. DOI: 10.1016/j.eng.2024.01.002
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太空太阳能发电前景光明吗？

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Is There a Bright Future for Solar Power from Space?

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Mitch Leslie. 太空太阳能发电前景光明吗？[J]. 工程（英文）, 2024, 33(2): 11-14 DOI:10.1016/j.eng.2024.01.002

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2023年5月22日深夜，美国加利福尼亚州帕萨迪纳市加州理工学院的一组研究人员观测到一颗太阳能卫星从550 km的高空发射出的极弱的微波束 [1]。卫星向地球发送信号本不足为奇，但这一次却暗藏玄机。这颗卫星搭载了加州理工学院研究人员开发的一款独特的发射器，它由30 cm × 30 cm的聚酰亚胺和铜阵列构成，轻便灵活[2]。配置这一发射器后，该卫星成为首个将从太空中捕获的太阳能传输到地球表面的航天器[3‒4]。
美国国家航空航天局（NASA）前项目主管John Mankins表示，这一壮举“是一次了不起的技术进步”，也可能会是更大事件的开端。Mankins现在是技术管理咨询公司Artemis Innovation Management Solutions LLC的负责人，该公司位于美国加利福尼亚州尼波莫市。长期以来，Mankins和其他倡导者一直认为，在太空中捕获并传送到地球上的太阳能可以为地球提供很大一部分电力，但这种方法总是过于昂贵[5]。Mankins说，现在随着技术的改进和发射成本的大幅下降，“我们比以往任何时候都更具备在太空中运行太阳能发电站的条件”。事实上，少数公司和国家已经开始竞相开发和部署这类发电站。第一批设备可能会在2030年之前被发射到太空[1,6]。短短10多年的时间里，轨道太阳能电池阵列可能会向电网提供千兆瓦的电力[6‒8]。
总部位于英国哈威尔的Space Solar公司的首席技术官David Homfray表示，无论当天的气候和时段如何，太空太阳能都可以提供基本负荷或标准电量。该公司计划用不到6年的时间发射其第一颗发电卫星。Homfrey表示，来自太空的太阳能将补充而不是取代陆地上的可再生能源。“太空太阳能对可再生能源来说至关重要，可再生能源为太空太阳能进入市场争取了时间。”
尽管如此，工程师仍然有许多工作要做，以确保该项技术逐步走向成熟并在商业领域大展拳脚。首先，他们需要确保发射器能够提供更多的能量。加州理工学院用来进行演示的卫星只传输了200 mW的功率，这些能量连一杯咖啡都无法加热[1]。在地球上，研究人员已经可以将30 kW的能量传输1.6 km的距离[9]。想要利用太空太阳能，还需要设计和建造巨大的太空太阳能电池阵列或卫星，其体积将比目前太空中所有的人造物体都要大至少100倍[10]。不仅如此，太空太阳能还必须能够保持持续输出并且电价亲民才能与陆地能源相竞争。
在太空中获取太阳能并将其输送到地球这一概念至少可以追溯到科幻大师Isaac Asimov于1941年发表的短篇小说[6]。Asimov的故事富有预见性，但缺乏技术细节。1968年，美国马萨诸塞州剑桥市的理特咨询公司（Arthur D. Little）的机械工程师Peter Glaser详细介绍了这种方法的工作原理，计算出一个近23 km2的收集阵列（将收集到的能量转化为微波）可以满足整个美国东北部的电力需求[11‒12]。“太空太阳能的基本物理原理在20世纪60年代得到了证明。” Mankins说。
20世纪70年代，世界能源危机暴发，太空太阳能瞬间受到了各方的大力追捧。NASA进行了能量传输的地面测试[9]并于1979年公布了一项研究，该研究设想出一个由60余个轨道太阳能电池阵列组成的空间发电系统，每个太阳能阵列的面积达50 km2，发电量则高达10 GW [13]。然而，这些巨大的设施需要至少2500亿美元的实际投资才能够真正满足客户的用电需求。20世纪80年代初期，能源价格突然下跌，这一需要天价投资的设想便被抛诸脑后了[13]。
太空太阳能在今天仍然十分具有吸引力，因为它和地球上现有的清洁能源相比有几个潜在的优势[10]，其中最明显的优势是地球同步轨道上的天基阵列持续暴露在阳光下，不会受制于天气变化的影响[6,10]，使它能够在99%以上的时间里持续发电。Mankins指出，它无法做到100%，因为每年3月的春分和9月的秋分前后，这些设备会有几个小时处于地球的阴影中。在这段时间里，任何依赖太空太阳能的电网都需要使用备用电源（如电池）进行电力供给。
在太空中收集阳光也有助于减少传统太阳能和风能发电对土地的巨大需求[10,14]。来自太空的微波在穿过大气层时衰减很小，但它们会扩散开来，因此需要被称为整流天线的大型网状接收器来聚集它们[15]。据Space Solar公司计算，每个整流天线的规模约为8 km × 13 km [16]；同时估算出，在提供同等电量情况下，一个整流天线的占地面积仅为英国一座风力发电场占地面积的8% [16]。
太空太阳能设施的第三个潜在优势是，可以将电力直接输送到有用电需求的地方，从而为难以接入电网的偏远地区提供电力[10]。同时还能够减少对输电线路的需求；传统输电线路安装成本高，需要大量原材料，并且可能引发山林火灾[10,17]。
太空太阳能发电站在1979年就被证明是可行的，但以当时的技术水平却无法实现。Mankins说，三个方面的技术进步改变了这一局面。首先，材料和制造业的技术进步使用于空间结构的轻质、低成本部件更加容易获取。其次，机器人技术取得重大进步。NASA在1979年的研究中计划让宇航员来组装轨道发电站[13]，这种方法成本高昂并且会给宇航员带来极高的风险。与之相反，目前所有的太空太阳能电池阵列计划都打算让机器人去完成相关建造工作[6]。
最后，专家一致认为，最重要的技术进步是发射成本的大幅下降，这主要是因为SpaceX公司（美国加利福尼亚州霍桑市）推出了更便宜的火箭[18]。该公司可以以低至1500美元的价格将1 kg货物送入近地轨道，这比20年前的价格下降了90% [18]。Mankins说：“太空硬件制造成本的降低、机器人负责设备组装和发射成本的降低是最关键的三个因素。”
英国政府和欧洲航天局委托发布的两份报告[19‒20]显示，上述技术进步使太空太阳能相较于其他类型的能源更具有竞争力。英国的报告预测，如果在2040年部署第一颗太阳能卫星，其所生产电力的平准化度电成本（支付系统建造和运营费用所需的电价[21]）约为每吉瓦61美元。尽管传统的太阳能和风能更加便宜，但如果这些可再生能源无法用于发电，太空太阳能将成为最重要的补充能源。例如，具有碳捕集功能的新型燃气轮机发电厂的平准化度电成本为每吉瓦101美元[19]。此外，设计、建造和发射第一颗卫星将是最昂贵的一步。Space Solar公司的首席系统架构师Ian Cash表示，随着相关装配线不断提速，更多的卫星和其他系统组件将被制造出来，平准化度电成本将大幅下降。
各种充满野心、极具创意甚至略显怪异的太空太阳能电池阵列蓝图正不断被绘制[6]。Mankins提出了一份被称为SPS-ALPHA（solar power satellite via arbitrarily large phased array，随机大型相控阵太阳能人造卫星）的方案，该方案通过安装在直径为6 km的锥形框架上的数千个可调节薄膜反射镜来捕获太阳能（图1）[22]。这些镜子将阳光引导到直径约为1.7 km的中央平台上，该平台的一侧装有太阳能电池，另一侧搭载微波发射器。
Space Solar公司将赌注押在了CASSIOPeiA（constant aperture, solid-state, integrated, orbital phased array，固定孔径、固态、集成、轨道相控阵）上。这是一款由Cash设计的直径为1.7 km的飞行器，类似于两个固定在一起的巨大光盘（图2）[16]。圆盘状结构是反射和集中阳光的镜子，负责将阳光发送到卫星的中段，中段被扭曲并承载了多层太阳能电池板[16]。Cash说，这种螺旋形状确保了当该飞行器绕地球运行时，阳光可以持续照射在太阳能电池上。
总部位于美国密歇根州特洛伊市的Virtus Solis公司采用的方法是将25 000颗直径为1.65 m并且能够分别产生1 kW功率的薄型六边形卫星捆绑送入轨道[23]。与这些卫星一起发射的机器人负责打开太阳能面板的包装并将它们拼接在一起，从而形成直径达3 km的巨大阵列，产生20 GW或更多的电力[23]。
加州理工学院的研究人员首次展示了从太空发射能量。他们正在寻求将更小的组件组合起来，以便能够操纵大量卫星（每颗卫星携带一层约为6 m × 6 m的柔性光伏膜），形成巨大的发电阵列[24]。与Virtus Solis公司的提议不同，这些卫星不会相互连接，而是像一群鸟一样一致移动。
尽管存在差异，但这些设计有一个共同点——它们专注于将重量最小化。Homfray说，尽管发射成本有所下降，但它仍然是“与太空太阳能有关的最大的成本性支出”。Cash设计的 CASSIOPeiA不需要移动部件，从而消除了对电机、轴承和其他重型部件的依赖，机器的整体重量大幅降低。加州理工学院团队正在为他们的卫星改造太阳能电池，使其重量减轻至原来的1/40，研究人员测试的柔性发射器也同步减轻了机体重量[2,24]。
开发太空太阳能的公司制定了一套非常激进的时间表。Homfray说，Space Solar公司计划在6年内发射一颗可产生兆瓦级电力的卫星，并在12年内发射一颗千兆瓦级的卫星。Virtus Solis公司计划在3年内将其第一个原型发电站送入轨道，并在2030年之前开始向电网供电[1]。各国也希望参与进来，但明显无法追上他们的步伐。中国计划2028年前发射一颗10 kW的太阳能卫星，2035年前发射一颗10 MW的卫星[25]。
这些时间表是否真的能够兑现还有待观察，因为实施这样的工程仍存在巨大的挑战[26]。目前轨道上最大的人造物体是国际空间站，只有109 m长[27]。即使建造一颗CASSIOPeiA或SPS-ALPHA卫星，它也将是有史以来在太空进行的最大的建设项目。太空太阳能公司计划生产数十种这样的飞行器，预计在太空中开展组装工作的机器人也尚未经过测试[10]。安全性也将会是另一个新的障碍。尽管地面能量传送测试表明微波传输不会伤害人类和动物[9]，但没有人评估过来自天基太阳能阵列的这种传输是否还带有其他危害[27]。
太空太阳能可能还存在一些缺点。大多数公司计划将他们的卫星发射到已经很拥挤的地球同步轨道上。当太阳能卫星“寿终正寝”时，可能会制造出大量的轨道垃圾，威胁到其他航天器[10,28]。
Mankins说，在太空太阳能发电站开始运行之前，想要应用这种能源的公司和国家需要证明他们能够解决设计和部署方面的诸多问题，不可避免的是，有些公司和国家会失败。“在未来几年中，这些来自不同国家和团队的系统将竞相登上这个试验场。”

参考文献

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