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空间太阳能电站实验基地启动,我国为何要在外太空建太阳能电站?

文章来源: 重庆门户网、新华社、上游新闻       发布时间:2018-12-07

12月6日上午,重庆市璧山区举行空间太阳能电站技术暨第三届重庆军民深度融合产业发展交流会,重庆市璧山区人民政府、重庆大学、中国空间技术研究院西安分院、西安电子科技大学联合签署合作协议,在重庆市璧山正式启动建设空间太阳能电站实验基地项目。


空间太阳能电站实验基地启动,我国为何要在外太空建太阳能电站?


此次发展交流会由重庆市璧山区人民政府、重庆大学、钱学森空间技术实验室联合主办。中国科院院士包为民、中国工程院院士段宝岩、杨士中出席会议。


据悉,空间太阳能电站构想最早由美国科学家格拉泽于1968年提出,即在地球轨道上建立太阳能电站,并通过无线传输方式持续向地面提供电力的发电系统。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,对太阳能的利用率也更高。


空间太阳能电站实验基地启动,我国为何要在外太空建太阳能电站?


据了解到,璧山空间太阳能电站实验基地项目选址三面环山的璧山区福禄镇和平村,总占地面积约200亩,先期投资1亿元。其核心试验区建有升空试验场地、气球平台调试大厅、办公室、实验楼、车库、铁塔等设施。外围隔离区也将用于种植太空育种植物,开展太空农业推广和科学普及教育等。


空间太阳能电站实验基地启动,我国为何要在外太空建太阳能电站?

璧山空间太阳能电站实验基地项目鸟瞰图


目前,该实验基地已完成一套高空系留锚定氦气浮空平台(系留气球平台)的研制,可实现空间太阳能发电站、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。


空间太阳能电站实验基地启动,我国为何要在外太空建太阳能电站?


“空间太阳能电站是一项复杂的工程,从地面到真正的太空,需经过大量基础实验来解决诸如光电转换、无线传输、运载工程等科研项目……”中国科学院院士、中国航天科技集团科技委主任包为民介绍到。空间太阳能电站需要研究实验的范围包含光电转换、无线传输等技术本身,也涉及到运载工程、环境影响等诸多领域,还将充分利用太空3D打印等创新型技术开展研究。


据中国工程院院士、重庆大学教授杨士中介绍,每平方米太阳能电池在我国西北地区的最高发电功率约0.4千瓦,在平流层的发电功率达7千瓦-8千瓦,而在距离地球表面约3.6万公里的地球同步轨道上,发电功率可达10千瓦-14千瓦。


据介绍,空间太阳能电站是解决能源危机的有效方式,其利用空间丰富的太阳能资源,从根本上解决人类对清洁能源和环境保护的需求,国际上将其称为能源领域的“曼哈顿”工程。其无线输能、无线通信等技术可广泛应用于军事和民用领域,是典型的国家军民融合项目。


中国科学院院士、中国航天科技集团科技委主任包为民说,目前中国、美国、日本等都提出了空间太阳能电站发展计划,但都处于基础研究阶段。空间太阳能电站需要解决三个关键问题:一是如何通过大型运载火箭将发电设备运送至地球同步轨道并组装发电,二是如何将电能传输到地面,三是如何保障设备运行安全和环境安全。“目前这三个问题都还处在基础性探索中。”他说。


据重庆军民融合协同创新研究院副院长谢更新介绍,此次在璧山启动建设的空间太阳能电站实验基地将以空间能源技术发展前沿为引导,开展大功率远距离无线能量传输与环境安全问题的基础研究和应用研究,推动国家大科学工程落户重庆,助力重庆科学城建设,打造以该基地为中心的新能源产业技术聚集区。


据悉,2019-2020年为实验基地建设期,将投资2亿元建设升空试验场地、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。


此外,会议还邀请到中国军事科学院、中国科学院、中国空间技术研究院、中国电子科技集团、哈尔滨工业大学、重庆大学等单位的专家,就我国空间太阳能电站研究进展、微波无线能量传输、电磁生物学效应及应用等进行了学术交流。


专家对空间太阳能电站看法


包为民:用太空3D打印技术在外太空建电站


空间太阳能电站实验基地启动,我国为何要在外太空建太阳能电站?


人物简介:包为民,中国科学院院士,中国航天科技集团科技委主任。制导与控制专家,中国航天运载器总体及控制系统领域的学术带头人,国防科技工业有突出贡献中青年专家。


地面也能用太阳能发电,为什么要把电站建到太空去?如何在太空修建几个足球场面积大的电站?发好的电又如何传输回地球使用?璧山的实验基地又将完成什么样的任务?面对这一系列问题,包为民接受本报记者专访,逐一揭开这个“科幻巨制”背后的秘密。


为何要去太空建电站?太阳能丰富!


为什么要把电站建到距地球36000公里的外太空去?


“我举个例子,在地面,哪怕是光照很好的西北地区,我们建一个太阳能电站,在中午太阳直射的时候,一般每平方米只能产生0.4千瓦的电力,如果是在光照不好的重庆,恐怕只有0.1千瓦,但在太空里,这个数字将扩大几十倍,也就是说,每平方米最少能达到8、9千瓦。”


因此,要最好地利用太阳能,走进太空是最佳选择。


为何会有如此之大的差别?包为民笑着指指头顶的天空,“对流层,也就是人们口中的大气层,就是它,让大量的太阳能被隔绝在了地球之外。”


电站如何建?太空3D打印技术!


作为中国航天运载器总体及控制系统领域的学术带头人,如何在外太空建电站,无疑是包为民考虑得最多的问题。


“为了更好地将电力传输回地球,我们将电站最后所在的位置,定在了距地球36000公里外的同步轨道之上。这样,点对点的传输才能更加稳定的进行。”


36000公里外的太空,完全的失重状态下,怎么才能建起几个足球场一般大小的电站呢?


太空制造,包为民提出了一个新词汇。这个太空制造不仅包括太空组装技术,还包括非常重要的太空3D打印技术。


“太空3D打印所需要的材料非常轻,完全可以用火箭送往太空完成,这样,在太空建设电站,才能变为现实。”


电怎么送回地球?通过微波传输!


位于36000公里的太空太阳能电站发好了电,又如何送回地球呢?


对此,包为民表示,这一技术方案已经初步得到确定——微波传输。


而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4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。


“现在航空气球已经买回来了,只待基地建成就可以开始一系列的实验工作。”


杨士中:用航空飞艇气球先在平流层做前期试验


空间太阳能电站实验基地启动,我国为何要在外太空建太阳能电站?


人物简介:杨士中,中国工程院院士,国家“211工程”运载器测控及遥感信息传输技术重点学科和国家“985工程”科技创新平台测控及遥感信息传输研究院首席科学家。


根据我国有关专家组论证建议,我国力争实现“2030年开始建设兆瓦级空间太阳能试验电站,2050年前具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力”的中、远期目标。


“几十年后的东西,如何让现在的人们明白我们在做什么?科研是用的纳税人的钱,我们得有个交待,所以我们提出了一个短期设想。”


这个方法是什么?“学曹操将小船捆在一起建船阵,我们可以将航空飞艇或者气球捆在一起组阵托起太阳能面板,进行一系列的前期实验,甚至用它们在平流层中,先建立起一个简单的太阳能电站。”


作为运载器测控及遥感信息传输技术的专家,杨士中将成为璧山实验室实验工作的主要承担者。


航空飞艇气球组阵怎么完成?昨天,杨士中揭开了谜底。


高空实验怎么做?用航空飞艇气球!


“我已经从湖北买回三个直径8米的航空气球,准备在璧山进行实验。”杨士中说。


要在太空建电站,大面积的太阳能面板肯定是最重要的部件之一,飘飘忽忽的气球看起来好像根本不能完成这样的任务。


对此,杨士中说,对,一个不行,几个呢?


在杨士中计划中,三个航空气球就可以开始前期的演示模拟和验证工作。


方法是什么?“学曹操啊,他当年建不起航空母舰,可他却把所有的小船用铁索连在了一起,士兵们可以在上面进行操练。我们就把气球和飞艇连在一起,用它们托起太阳能面板。”


杨士中说,初期投入实验的只有几个气球,但到后期,完全可以购买更多的气球来实现空间太阳能发电。


“目前的航空气球和飞艇已经可以到达数十公里的高空之中,在那里,每平米就已经可以产生8、9千瓦的电力,已经超过地球的数十倍了。”


实验解决何问题?突破微波传输距离


选在日照并不是太好的重庆设立实验基地,难道不怕太阳能面板晒不到太阳?


面对这个问题,杨士中笑了,“重庆和临近的贵阳一样,都是‘贵阳’,到了冬天,阳光总是很稀少的。但是,实验都是在云层之外去完成。穿过云层之后,哪里都是阳光明媚,重庆也一样。”


按照杨士中的规划,第一步,他们将把气球放到300米的高空中,下一步,气球将进入两公里高的空中进一步进行实验,最后,科学家们才会将气球放入平流层中,去实现对太阳能的更多利用。


“我们的主要目的,就是实现空间太阳能电站中最关键一步的突破——微波传输。目前,日本已经实现了50米的微波传输,但这远远达不到空间太阳能电站的要求,我们希望能在璧山,在这个传输距离上有所突破。”


段宝岩:用球形聚光方式让太阳能利用率更高


空间太阳能电站实验基地启动,我国为何要在外太空建太阳能电站?


人物简介:段宝岩,中国工程院院士,973项目首席科学家,总装备部卫星有效载荷专家组成员。主持了国家科教领导小组审议批准的国家九大科技基础设施之一——500米口径球面射电望远镜的总体设计。


要在空间太阳能电站领域实现世界同步乃至世界领先,其技术势必是“中国造”。而作为国家九大科技基础设施之一——500米口径球面射电望远镜的总体设计者,中国工程院院士段宝岩,已经将光电转化领域的技术实现世界领先。


“届时的太阳能面板,将不再是一块平板了,而是一个球体。”段宝岩说,用球形聚光的方式可以避免系统在轨道上的大惯量、大范围旋转,同时聚光带来了太阳能光伏电池面积的减小,单位接收的光会更多,利用效率也将更高。


1968年格拉塞博士提出了空间太阳能发电站方案,这一设想是建立在一个极其巨大的太阳能电池阵的基础上,由它来聚集大量的阳光,利用光电转换原理达到发电的目的。所产生的电能将以微波形式传输到地球上,然后通过天线接收经整流转变成电能,送入全国供电网。


段宝岩说,但由于难度大,效率低、成本高等问题难以解决,因而迟迟未实施。而在此领域,我们国家正在从追赶向着超越的方向发展。


在段宝岩院士的带领下,西安电子科技大学机电科技研究所(以下简称机电所)暨电子装备结构设计教育部重点实验室,长期以来对空间太阳能电站设计方案和相关理论技术进行了深入而系统的研究。


在针对国内外提出的多个空间太阳能电站方案系统分析与论证的基础上,于2014年9月提出了一种高效、稳定、易控的空间太阳能电站创新设计方案---OMEGA(Orb-shapeMembraneEnergyGatheringArray)。


国家对此高度关注,专门组织专家予以论证,并列入国家国防科工局“十三五”重点研发计划的支持项目中。


段宝岩说,2014年9月SSPS-OMEGA方案提出以来,团队针对方案涉及到的多个科学问题和关键技术展开了攻关,已取得可喜进展,目前,新方案已经达到国际领先水平。



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