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中国的太空超级工程:3.6万公里高巨型电站,究竟可能实现吗?

英国《每日邮报》报道称,中国空间技术研究院提出了一个史无前例的计划,为实现碳中和目标,中国将在2035年之前在太空建设一个巨型太阳能电站,将电能传回地球!

应对全球变暖,中国超大工程将实施?

2021年8月9日,IPCC发布一份3000多页的报告,评估了14000多个项目,从2013年发布报告时的“人类活动致全球变暖的可信度已超95%”,变成了人类必须对全球变暖的后果负责!

《巴黎协定》签署后,我国已承诺力争将二氧化碳排放在2030年前达到峰值,2060年前实现碳中和的目标,除了在传统产业上减排外,也在中和的目标上努力,比如绿化植树造林,建设绿色能源工程等等。

太空电站,究竟是个什么样的概念?

毫无疑问,太阳能电站就是碳中和中重要的建设方向,几乎没有污染,还可以设置在沙漠地区不占用耕地,简直就完美,但地面上的太阳能电站有一个问题,阴雨天或者夜间就无法发电,尽管光热型太阳能可以利用熔盐储热部分解决,但仍然面临储热能力有限,无法持续输出的问题。

但建设在太空的太阳能电站完美地解决了这个矛盾,太空没有日夜,所以可以一天24小时工作,也没有大气衰减,更不会占用耕地、不需要清理太阳能电池表面的灰尘等等。

早在2020年5月份,中国空间技术研究院的王立研究员接受采访时就称中国正在推进空间太阳能电站项目,和地面太阳能电站相比,如上所述,空间太阳能电站具有几乎完美的优势!

空间太阳能发电站,“选址”在哪里?

很明显,选址是个难题,比如我国的天宫空间站,90多分钟就绕着地球跑一圈,这不太现实,总不能发个电还“惠及全球”是吧,所以得找个在地面上看起来不会动的地方,这个轨道就是赤道上方的静止卫星轨道。

这里绕地球一周的时间和地球自转的时间一致,星下点的投影静止不动,当然还有一个轨道是倾斜静止轨道,它在地面上的投影是一个8字,会变化,但范围不太大,勉强也能接受。

空间太阳能发电站,如何将电能传输回地球

地球静止卫星轨道距离地面准确高度是35786公里,也就是大家说的3.6万公里,很明显拉一根电缆到地球上是不明智的,因为电缆的自重就能把自身拉断,而地球上没有任何一种材料能拉那么长距离而自身不断裂的。

太空电梯造不出来就是这个原因

无线输电技术了解一下!无线充电大家都知道,不接触即可充电,并且早在二十世纪初特斯拉就已经测试过,不过事实上要实现,还是有些难度。

2020年5月24日,美国的X-37B发射升空,测试了一个实验名为“光伏射频天线模块飞行实验(Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module Flight Experiment,PRAM-FX)”,将光伏阵列产生的直流电转化为频率为2.45GHz的电磁波,并对设备效率进行研究。

另外在2015年日本三菱重工也曾展开过实验,在500米距离上完成过了功率达到5千瓦的微波能量传输实验。所以从理论上来看并没有特别严重的问题,那么还有第二个选项吗?当然有,激光传输也是可以的,再用光电转换或者采用加热介质的方式通过机械能转换成电能。两者都是非常有前途的长距离无线输电的方案.

环境影响与实现难度在哪里?

从近地轨道上约1.3千瓦的辐射功率计算,假设30%的转换效率,那么一平方就将近0.4KW,一个三峡的装机容量为2250万千瓦,大约需要56,250,000平方米的太阳能电池,大约需要7.5千米边长正方形太阳能电池阵列,毫无疑问,这将成为一个史无前例的近地轨道工程。

不过这次《每日邮报》报道中的规模要小很多,大约有1英里(1.6千米)的规模,如果按规模计算的话为100万千瓦,相当于一个中型水电站的规模。

不过很明显这投资不小,因为要在近地轨道上建设如此大规模的工程,其成本可想而知,比如420吨的国际空间站成本早已超过1600亿美元,即使按100亿美元的零头来建造这个中型水电站的太阳能电站,成本依然很高。

另一个比较麻烦的问题是光压加速的问题,因为光辐射是有压力的,小面积可以忽略不计,当达到几百平方米甚至几平方公里时就不得不考虑这个麻烦的问题,所以还得准备发动机将其推回轨道。

除了这些问题以外,就没有其他问题了吗?显然不是!因为距离实在太过遥远,即使用了抛物面天线聚焦,这个无线电扩散仍然会非常大,需要设置一个数十平方公里的天线阵列,并且转换效率连一般都不到;还有则是风霜雨雪时穿透大气层,传输效率下降;还有则是对大气层的加热效应,请参考微波炉;最后则是这个区域可能将成为候鸟迁徙的致命陷阱,一旦误入,那绝对是噩梦级。

微波穿透云层尽管有损失,但显然不是特别大,勉强能接受,不过要是激光传输的话可能就成问题了,这个无论是红外还是可见光到紫外,在云层中损失极大,如果有飞鸟或者飞机误入,那后果比无线电传输的微波区域还严重。

因此就种花家的判断,在当前仍然还是概念性研究,如果大规模储能技术实现,那么风能和太阳能还是可以不太稳定的风能和太阳能解决问题的,假如可控核聚变实现,那么这些能源都将成为浮云,只是从现在来看还是有些遥远。