这是中国工程院院士、运载火箭与航天工程专家、长征三号乙运载火箭总设计师龙乐豪院士在央视节目《鲁健访谈》中提到的,这个技术其实就叫做:空间太阳能电站。
这看起来像是科幻小说的技术,但实际上,由于前景实在太过于诱人,有不少国家的研究人员都在思考如何实现。当然,在这条路径上,中国也没有落下,2019年就启动了“逐日工程”,全称是 “空间太阳能电站系统项目”,开展空间太阳能电站研究以及地面上的论证工作。
未来,中国空间站上还将开展关键技术的在轨的验证。
我国关于“空间太阳能电站”的规划分为:“三小步”和“两大步”。
其中“三小步”指的是:地面、浮空试验;空间电能管理;天地无线能量传输试验;
而“两大步”指的是进行MW级系统试验验证;建造GW级商业电站;
该项目中期规划为2015-2030年,远期规划为2030-2050年。
客观地说,如果能够在这个项目上实现技术突破,那将是堪比实现可控核聚变的进步,不仅能解决碳排放的问题,还将会极大地解决人类使用能源的困境。因此,很多人甚至把它称为:太空三峡工程。
那么问题来了,这个技术的优势有哪些?明明地面上的太阳能都没完全利用好,为什么突然又盯上了太空的太阳能?
太空三峡我们都知道,地球的能量主要来源于太阳辐射。
太阳内核正在发生核聚变反应,每秒会损耗掉420万吨的质量,它们以能量的方式向外释放,满足爱因斯坦的质能方程E=mc^2,其中E指的就是释放的能量 ,m指的是损耗的质量,c指的是光速,也就是3*10^8m/s,只需要损耗很少的质量,就可以释放出巨大的能量。所以,太阳释放的能量才会如此巨大。
在太阳所释放的能量中,只有二十二亿分之一会最终被地球所接收,而这部分能量中,也仅仅只有万分之一最终被人类所用。也就是说,如果把太阳释放的能量比喻成钱,那么太阳每向太空抛洒22万亿,地球只能捡到1万,而人类只能捡到1块。
如果能够获取到更多的太阳能,这势必会改变人类的能源困局。科学家弗里曼·戴森就曾经提出过"戴森球“理论,他就设想,如果能够制作一颗球体卫星,把恒星包裹起来,太阳辐射都被这颗球体卫星所吸收,那就可以获取到恒星绝大多数的能量。他认为外星超级文明应该就是采用这种方式来获取能量,否则纯粹依靠行星上的能量不足以支撑超级文明的发展。
不过,客观的说,以人类现在科技水平,距离实现戴森球的设想,还太过于遥远。所以,现在主要是在地面上修建太阳能光伏板。
但这会遇到一些问题,首先,只有晴天的白天能有效,会受到天气的影响;其次,有相当大比例的太阳能会被大气层吸收或者反射,所以太阳能光伏板的吸收效率不高。
不仅如此,由于前两个问题的出现,导致通过太阳能光伏板吸收的能量并不稳定,这会对电网造成损害。类似的问题也出现在其他清洁能源上,风能和水能都不太稳定。
要想一劳永逸的解决这个问题,“空间太阳能电站”就是一个很好的方向。1968年,物理学家彼得·格拉赛首次提出“空间太阳能电站”设想。
随后,不同国家都有涉猎这个领域。总体来说,具体的方案其实大概可以归纳为三类,分别是平台方案,聚光方案和分布式方案。
其中,平台方案比较常见,也是我国正在考虑使用的方案。具体来说就是:
最好是在赤道平面的地球同步轨道上(距离地面36000公里的高度上),位于西经123度和东经57度附近的位置,建设一个空间太阳能电站,它是由太阳能电池矩阵,太阳能发电设备等共同组成。
其中太阳能电池矩阵要直接平铺开来接收阳光。由于是位于地球同步轨道上,“空间太阳能电站”每天都会相对太阳转一圈,这就使得它的一面始终是朝着太阳,接收稳定的太阳能,同时又与地面任何地方的相对位置都保持不变。所以,空间太阳能电站可以依靠微波或者激光向地面电站进行无线输电。这就意味着还需要建设相应的地面接收系统,对空间太阳能电站发出来的“电”进行储存,并且传输到千家万户。
也有人设想出一种方案,就是在各地修建小型的电站,接收空间太阳能电站的电,然后传输给附近的居民。甚至还有人设想,随着科技的发展,未来是不是可以直接从空间太阳能电站直接给人类使用各种用电设备实时发电,当然这种设想现在看来还是有点“科幻”的感觉,还没有可操作性。
空间太阳能电站这说起来很简单,但实际上很难,我们就列举几点,让大家体会一下。
1、太空中太阳辐射强度大,这对于空间太阳能电站的设备可靠性是巨大的挑战;
2、由于发电设备位于36000公里高度的太空当中,维护和维修非常难;
3、从空间太阳能电站传输电力到地面,是需要保证两者的相对位置不变的,但实际上在太空中的空间太阳能电站是处于围绕地球高速运动状态。
4、建造空间太阳能电站也很难,毕竟是要在36000公里的高度搭建,要知道空间站的高度也就是400公里,这个高度是空间站轨道高度的90倍,同时该设备的体量也远比空间站要大得多,工程难度可想而知;
5、地球同步轨道资源有限,这里已经被很多卫星所占据,尤其是导航卫星,而空间太阳能电站体积又很大,但能占用的地球同步轨道有限。
当然,如果我们能够克服这些技术难点,那么空间太阳能电站带来很多优势,比如:
1、太空中的太阳辐射强度要比地面上高出40%~50%,且阳光充足、不会随着时间流逝而被削弱,基本都相当于是太阳正午时的状态;
2、一天99%的时间都可以接收能量,不受昼夜的影响,只有在春分和秋分前后,会短时间地进入地球阴影区,最多只有70多分钟,且可预测可控;
3、没有植物和野生动物的干扰;
4、不会受到大气层、云、灰尘以及天气变化的影响;
5、由于稳定,不会对电网造成损害;
6、能量来源清洁,没有温室气体的问题。
从某种角度上来看,空间太阳能电站其实是“极度缩小版”的戴森球。但即便如此,只要我们能够实现它,那样将带来一次伟大的能源革命,其意义不亚于三峡工程,甚至我们可以把它称为“太空三峡工程”。
还是要靠核电站,这种太阳能电站体积太大,军事目标太明显,如果成为主力发电的话不稳定性太大,所以只能成为补充能源。任何具有不稳定性的能源都没有资格成为主力能源,如有枯水期的水电、有无风期的风电、有昼夜循环的太阳能等。只有化石能源和核电稳定性强,但化石能源污染大,最终只能靠核能。