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小蜜蜂

空间发电站是「先到先占」吗?各国进度如何?



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诚如之前有人回答过的的一样,先到先占的是轨道资源,例如GEO的轨道资源已经基本上分割完毕,未来中轨道和低轨道也会呈现出相同的趋势。



所以无论是发展什么样的空间系统,其实都会面临这样的问题。


下面聊聊空间电站




话说1968年,格雷泽博士提出了空间太阳能电站这个概念,简单地讲就是在太空中构建巨大的太阳能收集系统,将太阳能转化为电能再通过无线能量传输,为地面输送大量洁净稳定的能源~~~

空间能量获取

呃~~~ 想出这个点子应该是很自然的,就像我也能想到只要找出人类衰老的基因,然后想办法控制它,就可以延长我们的寿命甚至获得永生一样,这种点子的特点就是需求非常明确,解决的途径也非常的清晰,关键的问题就是做不到啊~~~ 太难了啊。解决火箭上天的理论几百年前就有了,可是造出来的火箭要依照这个理论飞那可就是另外一回事情啦。




然而空间电站项目不断地有投入,有研究的,其动因就是他的前景真的很诱人。空间获取太阳能有得天独厚的优势。首先在空间尤其是地球同步轨道这样的高轨道,日照的时间是非常长的,基本没什么夜晚,闭着眼睛电能都起码是地面的两倍。然后呢还没有大气,所以一来不怕大气对阳光的损耗,二来没有阴天下雨也和雾霾,可以持续不断地产生电能,这的是太美好啦~~~



这个时候哲学学的好就很重要啦,天底下哪里有这样的好事情,如此美好的背后肯定有坑的。而且坑还不少呢!


第一个大坑,就是这玩意儿以短时间内的技术根本就造不出来啦,要产生出足够多的电量需要在空间建造一个非常巨大的系统。比现有在轨的卫星大起码3~4个数量级才有意思。意味着这个电站将无比庞大,它需要足够大的太阳能采集系统去收集太阳光,所以他的尺寸起码也是公里量级,现在最大的卫星倒是已经有一两百米的天线了,可是要造出公里以上的太阳电池整列还要跟着太阳光的方向变化,这个就是走在航天最前列的老美也做不到啊~~




然而这一调研不得了,人家可还真不简单,提出概念之后,楞是不断地做方案,不断地推翻,不断地改进,迭代了一轮又一轮。一直到1999年空间太阳能电源探索研究和技术计划(SERT),继承了之前地研究,提出了集成对称聚光系统,并开展了子系统设计与可行性分析。一下子弄的有模有样,搞得跟真的似的。




SERT系统采用了汇聚的手段,通过两侧的大型的薄膜聚光系统汇聚太阳光,汇聚系统有控制机构可以不断地指向太阳,而后将太阳光汇聚到转换系统,产生电能,再将电能转化为微波传输到地面。





还有就是太阳帆塔项目(Suntower),该项目也很有想象力,系统采用重力梯度稳定,使得系统垂直于地面,由分立的单元进行太阳光汇聚与产能,再通过底端进行对地的能量传输。










这样,系统的优点是可以慢慢部署,慢慢升级,问题是由于不能调整姿态,所以不能一直瞄向太阳,无法做到持续稳定地提供电能。

无线能量传输

空间系统建成后,获取的电能要传输到地面,就需要能量无线传输技术。如今提出的主要有两种技术方式,一种是微波传输,一种是激光传输。




无线微波传输的理论早已有之。微波传输还是很有优势的,首先是不受天气影响,可以全天候地向地面传输能量,其次现如今和激光比起来转化效率也很高。然而问题也不少,传输距离有限,当前实验还是在很短的距离上实现无线传输,要实现从几万公里外进行高效率传输要突破地技术还非常地多哦~~而且微波传输的天线一定小不了。那么又是大太阳阵列,又是大微波天线,这系统没法造了。




激光无线传输系统有很多自己的优点,首先其发射装置可以很小,这样工程好实现,然而也是坑不少。激光是光,所以有云了就不能传输,地面雾霾太大恐怕也有问题,而且现在的转化效率很低,例如20%的转化效率,意味着80%的能量都变成了热能,作为需要传输GW级别的系统,我觉得开机就要烧了的节奏。

其他很多国家也都提出了各式各样的设想计划,然而离实现,哪怕只是实现一个初步的演示系统都很有难度。




以上。




这个时候,我们就又要把哲学搬出来了,有这么多坑应该要兴奋地啊~~这说明后面有太多的技术机会啦~~~而且那么诱人的前景又提供了完美的机会利基,随随便便牵引出一个个技术体系。

其实我们完全可以脑洞大开,未来这个太阳能电站还真不一定就是用来给地面供电的。

我觉得最起码有很多领域就非常有价值,例如建设同步轨道或者更远的空间港口,这必须要巨大的太阳能采集系统啊,如今把什么3D打印在轨制造在这个系统里一练,未来高太空工厂什么的不是梦啊~~

第二真不用给地面充电啊,给这些航天器充电啊,这样这些航天器都不要装什么帆板了啊,装什么SADA啊,又贵又容易坏。很多复杂地卫星一下子就简单了啊。

而且我觉得人类在拓展空间的过程中也可以一边发展一边造电站,接力传输么,为每一步空间殖民提供杠杠滴能源保障~~

所以最后来句俗的,梦想还是要有的~~ 实现不了这个,难说实现个更好的呢?

参考文献

  1. ZhengAi Cheng,In-orbit assembly mission for the Space Solar Power Station
  2. Geoffrey A.Landis ,Reinventing the Solar Power Satellite
  3. G.M.Hanley,Satellite Power Systems(SPS) Concept Definition Study
  4. Launch Vehicle Assessment for Space Solar Power
  5. W.Keith Belvin, Solar Power Satellite Development
  6. N. Komerath,The Space Power Grid
  7. New Concepts and Technologies fro NASA's Space Solar Power Exploratory Research and Technology Program
  8. J.C.Mankina,A Technical Overview of the “Suntower” Solar Power Satellite Concept
  9. 侯欣宾,国际空间太阳能电站发展现状
  10. 王立,空间太阳能电站的关键技术及发展建议
  11. 李维,空间太阳能电站无线能量传输技术

本答案来源于我的公众号:宇聊 欢迎关注



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