太阳能助力航天事业“雪崩效应”不容忽视

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　9月23日，美国一颗相当于大巴车体积的失控卫星，与地球进行了亲密接触，引起全球恐慌。时隔6天，中国的“天宫一号”被精准送入到预定轨道。众所周知，飞船、卫星等航天器在太空中飞行主要依靠电池提供动力，而这个电力供给主要来自太阳能电池帆翼。
　　为什么要开发太空太阳能电力？
　　据计算，太阳向地球表面辐射的能量非常巨大，每平方米可接收1336瓦的能量，而由于受到地球大气云层的反射和吸收，中微小悬浮颗粒的散射，不同的季节和昼夜更替等因素影响，落到地表的太阳光能量每平方米只有125瓦至375瓦。
　　大气云层对太阳光的反射和吸收
　　如果将太阳能电池板发射到空中，并组建成空间电站。那样，电池板在所有的时间里都能接收来自太阳的辐射，提高了电站的利用效率，从而降低了光伏发电的成本。因为当今地面太阳能电站备受诟病的其中一个原因就是发电成本昂贵。
　　四十多年前，美国科学家彼得·格拉瑟首次提出了这种“太空太阳能电站的设想，乍听起来，很有些小说中的科幻景象。但经过美国国家宇航局随后几十年的探索、分析和总结，2007年10月，美国国家安全太空办公室悄然推出了一份建造太空电站可行性研究的中期评估报告，该评估报告的关键点在于其“可行性,难道那个看似天方夜谭的想法如今真的要成为现实了？
　　进入21世纪，太阳能光伏产业得到迅猛发展，科学家建议：将之前提出的建设“太空太阳能电站的构想付诸实际，测算显示：这样一个电站的面积将达几平方公里。
　　太阳能太空电站的工作原理
　　据了解，“天宫一号空间实验室应用了折叠式砷化镓太阳能电池板，共计5片，可供实验室内部的设备正常运转。而太空电站的原理与“天宫一号太阳能电池的工作原理相比，技术上要复杂得多。设计原理为：将其放置在地球同步轨道上，随地球同步自转，通过安装在太阳能电池板上的微波转换器，将太阳能电池获取的电力转换成选定频率的微波束，径直传向地球表面上的网格整流天线接收器，再将其转换成电能。
　　实验证明，频率为5.8千兆赫的微波转换器在将直流电转变为射频的过程中，其转换效率可达到80%以上；与之对应，地面上的整流天线（将射频微波转化为电能）转换效率也能高于80%,这一关键技术为太空电站的基础设施建设取得实质性进展提供了重要的技术保证。
　　不过巨大的能量转换过程会不会伤及人类、飞机和卫星呢？实验证明：波长为12.24厘米的电磁波可以轻松穿透地球大气层，只要强度适当，对生命体不会有伤害。
　　挑战无处不在
　　计算显示：一个吉瓦级的太空电站，需要运送至少几平方公里面积大小的太阳能电池板到太空中去（如未来的电池效率会大幅提升，面积会减少），加上支架、微波转换器、聚光器等器件，需要具有足够运载能力的火箭作为支持，而据现有火箭的运载能力估算，建造如此规模的太空电站每年要发射上千次之多，耗资比在地面上建设相同装机的太阳能电站要贵百倍以上，这无疑是最大的瓶颈。
　　另外，在太空中组装庞大的空间太阳能电站，需要多少名宇航员？多久建造完成呢？相信这些数字都将令人瞠目。
　　还有运行问题。空间太阳能电站在运行过程中需定期对波束、组件等关键部件进行安全检测、维修，还要避免其他太空垃圾对其干扰，因为电站一旦建成，只要遭到其他垃圾的撞击，后果难以估算，所以维护成本非常之高。
　　其实，所有的挑战最后都是要归根于资金支持这块，只要有了强有力的财政后备和技术支持，一切都可以迎刃而解。尽管挑战无处不在，但人类也没有停下对太空电站建设的步伐，日本、美国、中国和欧洲一些国家都在努力中。
　　谁在跃跃欲试？
　　近二十年来，由于主要石油生产国的政局不稳，传统能源日益短缺，核电质疑频频，因此美国、日本、欧盟、俄罗斯等国都将视线转向了外太空，纷纷提出自己的国际空间太阳能电站构想。
　　美国1979年设计了一个“SPS基准系统方案，该方案为：在地球静止轨道上布置60个发电卫星，每个发电卫星的发电能力各为5吉瓦。而十年后，NASA又在SERT研究计划中提出了集成对称聚光系统设计方案，该方案采用了位于桅杆两边的大型蚌壳状聚光器将太阳能反射到两个位于中央的光伏阵列，聚光器与桅杆间相互旋转以应对每天的轨道变化和季节变化。方案看似都很具体，但是可行性有待改进。
　　日本航天机构在研发太空太阳能电站方面十分积极。据报道，为减小单个模块的复杂性和重量，日本科学家提出了分布式绳系卫星的概念。其基本单元由尺寸为100米×95米的单元板和卫星平台组成，单元板和卫星平台间采用四根2千米~10千米的绳系悬挂在一起。单元板是由太阳能电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板，共包含3800个模块。每个单元板的总重约为42.5吨，微波能量传输功率为2.1兆瓦。
　　欧洲在1998年“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究计划中提出了欧洲太阳帆塔概念，即采用可展开的轻型结构--太阳帆。其可以大大降低系统的总重量、减小系统的装配难度。其中每一块太阳帆电池阵为一个模块，尺寸为150米×150米，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器转移至地球同步轨道，这看似是个很可行的办法。
　　在发达国家忙碌着探索太空能源的同时，中国的科学家们也没有停下脚步，由中科院院士王希季牵头、多名中科院和工程院院士参加完成的咨询评议报告--《空间太阳能电站技术发展预测和对策研究》已于日前正式上报国家发改委，建议我国尽快开展太空电站的论证和设计，争取在2030年进行并完成整个空间站的研制，最后在2040年实现太阳能空间电站的商业化。
　　中国科学院院士，空间技术专家王希季曾表示，大规模开发利用空间太阳能，将极大地提高经济发展的速度和质量，引起经济基础的飞跃，而导致新的技术革命，甚至产业革命。据了解，目前航天技术已经被列入到国家新兴战略产业领域。
　　粗放型发展，谨防“雪崩效应
　　1978年，NASA的天文学家唐纳德·凯斯勒提出了“雪崩效应概念，即当在近地轨道运转的物体密度达到一定程度时，每一次碎片间的撞击都会产生更多碎片，新的碎片又成为新的碰撞危险源，无止境的恶性循环下去，成为“雪崩效应。目前绕着地球跑的太空垃圾已经堆积到了“临界点，高速运转的太空垃圾有16000多块，重达6000吨，形成了一个太空“垃圾带.如果不幸落在人口密度较高的地区，后果不堪设想。
　　想象一下，如果一个面积达几平方公里大的太阳能空间电站应该需要多少零部件？这些零部件如果有一天失去了控制，将会形成多少太空垃圾？其中的任何一个都有可能对处于轨道上的航天器和地球上的人类构成巨大威胁，这无异于是太空探索的噩梦。
　　2001年，俄罗斯的和平号空间站在人为控制下坠入大海，但更多的太空垃圾却在非控制状态下坠落了地球；2010年9月份，中国的鑫诺六号火箭残骸坠落贵州村舍内，导致直径60米内的草木完全枯萎，险些伤及村民；9月23日，美国一颗与大巴车大小相似的失控卫星，回归地球，引起全球恐慌，还有美国“哥伦比亚号航天飞机、“飞马座2号卫星、前苏联“礼炮-7号空间都先后坠落了地球，并造成“肇事。
　　英国南安普顿大学空间碎片专家休·刘易斯曾说过，近两年中可能出现报废卫星“扎堆回家的高潮。这些重返地球怀抱的“孩子们，让地球人很是头疼。所以，建造空间太阳能电站，还是要慎行。
（本文来源：阿里巴巴）

1G瓦就是1百万千瓦。一个普通的发电机组。
如果要发射上千次火箭的话，永远收不回成本了。
还是我以前说的，在第二拉格朗日点附近装在个反光板，无论是晚上照明还是后半夜给植物光合作用都会有巨大的收益。

wlbx 发表于 2011-10-28 12:52

                               
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1G瓦就是1百万千瓦。一个普通的发电机组。
如果要发射上千次火箭的话，永远收不回成本了。
还是我以前说的 ...

那样会变成超级热能武器，

wlbx 发表于 2011-10-28 12:52

                               
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1G瓦就是1百万千瓦。一个普通的发电机组。
如果要发射上千次火箭的话，永远收不回成本了。
还是我以前说的 ...

还会影响生态平衡，夜行动物咋办呢？比如蝙蝠？

yuansoul 发表于 2011-10-28 14:00

                               
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还会影响生态平衡，夜行动物咋办呢？比如蝙蝠？

照明的话完全可以只照城市而且强度可以控制到和路灯差不多。深夜的时候还可以照到农田里，增加少数实验田的产量。
甚至有特殊时候还可以大幅度缓解一些气候灾难。例如冰雪灾难，引导台风等。

wlbx 发表于 2011-10-28 14:28

                               
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照明的话完全可以只照城市而且强度可以控制到和路灯差不多。深夜的时候还可以照到农田里，增加少数实验田 ...

如果民主投票的话，我反对用镜子，但是赞成转化后的电能传输到地球。哈哈

yuansoul 发表于 2011-10-28 15:02

                               
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如果民主投票的话，我反对用镜子，但是赞成转化后的电能传输到地球。哈哈 ...

那是因为你不懂太阳能电池。而且太阳能电池的事投票没有用，得有人愿意出钱发上去才行。太阳能电池的寿命就算再好50年也差不多了，不可能收得回成本的。而反射镜，只针对的是小片的区域，而且是可控制的，事实上只需要10倍月光强度就可以在很多时候满足照明的需要。
而且就算真的有什么问题也可以随时叫停。


但是如果有什么冰雪灾害，通过这个可是可以非常有效的缓解的。

当然人的第一映像非常重要，我不指望你能改变观点，但是希望你能辩证的看问题。相较来说，太阳能电池发电是更坏的打算。

wlbx 发表于 2011-10-28 15:10

                               
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那是因为你不懂太阳能电池。而且太阳能电池的事投票没有用，得有人愿意出钱发上去才行。太阳能电池的寿命 ...

我指出你的想法里面缺少环保意识，反光镜影响自然界的动物习性。而你却说我不了解太阳能电池。顺便告诉你，我家现在照明电路就是我自己改造的太阳能系统。当然，这也不能证明我是太阳能专业人士。哈哈

wlbx 发表于 2011-10-28 15:10

                               
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那是因为你不懂太阳能电池。而且太阳能电池的事投票没有用，得有人愿意出钱发上去才行。太阳能电池的寿命 ...

日本正在研发像太阳帆一类的可折叠薄膜太阳能电池

wlbx 发表于 2011-10-28 15:10

                               
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那是因为你不懂太阳能电池。而且太阳能电池的事投票没有用，得有人愿意出钱发上去才行。太阳能电池的寿命 ...

美国70年代就提出空间反光镜计划，但是一直受到环保人士，和反战人士的反对。

wlbx 发表于 2011-10-28 15:10

                               
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那是因为你不懂太阳能电池。而且太阳能电池的事投票没有用，得有人愿意出钱发上去才行。太阳能电池的寿命 ...

这是日本共同社2007年转述的新闻：

技术和经济可行性越来越高

这项研究由美国国防部国家安全太空办公室（NSSO）主持，170多名海内外专家参与。

概括这一研究的最新报告预测，2050年前，宇宙太阳能发电站有望开始满足地球上的能源需求。报告作者建议，美国government发起一个跨学科、跨行业的全国性工程，鼓励、支持这方面的技术研发；而第一步是在10年内发射一颗输出功率为1万千瓦级的小型实验卫星，在外太空做实证研究。

日本共同社说，美国国家航空和航天局（NASA）及其他国家一直在致力于这方面研究，但五角大楼涉足尚属首次。

NSSO的报告认为，在技术革新和国际油价高涨的大背景下，宇宙太阳能发电的技术可行性越来越高，同时还具有相当的军事用途。

“既可避免因争夺资源引发的国际争端，还能向灾区或战场提供电力，甚至左右战争的胜负，”报告说。

首个发电系统将能满足一个城市

根据美国国防部研究小组的设想，这套宇宙太阳能发电系统由两组相距50公里的特殊反光镜和太阳能电池板等组成，位于距地约3．6万公里高的静止地球轨道上。

newsfactor.com网站报道，反光镜可将太阳光集中到中央的电池板上生成电力，然后转换成微波输送给地上直径500米以上的接受装置。接受到的能源能够传送给现有的输电线路后，可转换成合成碳氢燃料或直接输送给消费者。

报道说，该系统的最大输出功率可达1000万千瓦，相当于8至10座核电站。报告资助方“太空电力协会”主席约翰·曼金说，首个大型宇宙太阳能发电系统能为一座城市提供足够的电力。曼金对这一研究的前景充满乐观。“在下个世纪，我们必须发现比现在世界消费量多得多的绿色能源，不是一倍，而是两倍、三倍，许多倍，”newsfactor.com援引他的话说。

蕴含太空军备竞赛风险

但这一设想要成为现实，必须投入大量人力、物力、技术和资金。整套宇宙太阳能发电系统的重量大约为3000吨，是国际空间站的6倍多。估计需要分120多次才能将所有建设材料送入太空，因此开发低成本的运载火箭将是首先要面对的课题。

报告估计，整个项目耗资将超过87亿美元，不亚于国际空间站和国际热核实验反应堆的投入。多国参与的国际热核实验反应堆项目的宗旨也在于寻找可替代能源。

日本共同社认为，宇宙太阳能发电一方面有望给人类提供取之不尽、用之不竭的清洁能源，但这一计划同时蕴含引发太空军备竞赛的潜在风险。

美国防部的报告暗示了这种可能性，“从太空直接向军用飞机和战斗部队供电，能大大减少易受攻击的后勤部队数量”。

yuansoul 发表于 2011-10-28 15:17

                               
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我指出你的想法里面缺少环保意识，反光镜影响自然界的动物习性。而你却说我不了解太阳能电池。顺便告诉你 ...

既然你做过太阳能系统就应该知道，它的成本是多么高，它的重量是多么的重。发上天做个几千瓦给空间站用用还是可以。发电，你算一下才说话比较好。我可以给你个估算。一千克物体上太空大约需要5000美元。

wlbx 发表于 2011-10-28 15:35

                               
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既然你做过太阳能系统就应该知道，它的成本是多么高，它的重量是多么的重。发上天做个几千瓦给空间站用用 ...

所以啊，需要新技术在制造新的太阳能电力系统，而不是仅仅发射一个反光镜。

不用想了，发的电都不够发射成本。
按20年寿命来计算。一平方米的太阳能电池就算在太空中没有空气吸收，发电能力有270瓦特/平米就不错了。而且电－微波－电的转换效率只有80%×80%＝64%就算空气中微波透过率达到90%，总效率也只有57.6%
20年×365.25天/年×24小時/天×0.2元/千瓦時×57.6%×0.27kw/m[sup]2[/sup]=5453元/平米

也就是说，一平米的太阳能电池，20年在太空中发出的电仅值5453元。大约相当于900美元。我知道的数据比较旧，发射1Kg需要5000美元，按11楼说法3000吨需要87亿美元，1kg也需要2900美元。

最终的计算结果是仅回收发射成本，1米平的太阳能电池板就需要做到300克重量以下。还必须包括控制单元的重量。

当然仅计算发射成本是不够的，电池的生产成本和电站的维护成本不能不考虑。总之这项投资100年是收不回成本的，年收益率小于1%，不可能有投资者投资的。

感觉太空电站类似太空电梯一样还是遥不可及的事物，还是先搞好地面上的事吧。相比目前利用还比较落后的火箭技术升空来建筑太空电站，我更看好受控热核聚变工程，感兴趣的朋友可以关注这边：
http://www.ipp.cas.cn/
http://www.iter.org/