在太空中建造太阳能发电场能实现吗?

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美国国家航空航天局的一位艺术家在1999年绘制的轨道太阳能发电场。像许多其他太空太阳能设计一样,该设施需要许多连接部件,这意味着发射成本将非常高昂

在这篇作品之后,基于太空的太阳能利用就成为一个长盛不衰的新奇想法。如果人类能够掌握这项技术并筹集资金将之实现,人类世界就有可能因此改变。

唐纳德·布伦是美国最富有的房地产开发商之一,也阅读了一些关于太阳能的书,他有能力为这一项目提供资金上的帮助。加州理工学院已经于近日宣布,自2013年以来,唐纳德·布伦和他的妻子布丽吉特已经向该校捐赠了1亿多美元,助力轨道光伏发电的实现。

这项宏伟的工程将需要一大笔钱,而且更重要的是,相关的工作已经进行了十多年。加州理工学院的一个团队计划在2022年底或2023年首次发射一个测试阵列。

高地球轨道是建造太阳能发电场的好地方,因为这里太阳永远不会落下,永远不会有遮蔽的云层。然而,为了产生大量的电力,以往的大多数设计都是不切实际的,不仅规模庞大,而且成本高昂,是当前人类社会负担不起的。在工程师们的描绘中,有巨大的桁架结构,通常长达数公里;光伏板或镜子安装在桁架上,吸收或集中阳光,将光能转化成直流电,然后通过激光或微波光束传输到地面。建造这样一个装置可能需要数百次火箭发射。在很多人看来,这注定是一项因为规模太大而无法成功的技术。

真正需要做的是技术上的范式转换,我们谈论的不是每平方米1公斤的重量,而是今天就可以制造的、每平方米只有100到200克的系统。这个项目的技术路线图希望能将这个范围降至每平方米10到20克。

那么,这个路线图如何实现?当然不可能一蹴而就,但我们可以改变思路,或许最大的改变就是制造模块化的太阳能电池板。轻质的砷化镓光电池将被连接到“瓦片”——由加州理工学院设计的太阳能板基本单元——每块“瓦片”可能只有100平方厘米大小,相当于一个甜点盘。

关键在于,每块“瓦片”本身就是一个微型太阳能发电站,配有光伏装置、微型电子元件和微波发射器。所有“瓦片”将连接在一起,形成更大的“模块”,面积或许能达到60平方米。数千个模块将形成一个六边形发电站,每条边3公里长。这些模块之间甚至没有物理连接,没有沉重的支撑梁和捆绑的电缆,质量也更少。

你可以把它想象成一群鱼,就像一大群相同的独立元素在编队飞行。接下来,向地面接收器的能量传输将通过同步的相控阵微波信号来实现,这样它们就可以在没有移动部件的情况下进行瞄准。这种传输本质上是安全的,因为微波能量不是电离辐射,其能量密度将“等于阳光中的功率密度”。

实现太空太阳能发电可能还需要几年的时间。美国航空航天公司空间政策和战略中心的分析师警告称,这“不会是一个快速、简单或全面的解决方案”。从互联网卫星到重返月球和登陆火星的计划,太空发射的成本正逐步下降,而新的航天器也不断升空,地面电网可能不是太阳能卫星的第一批用户,对此更有需求的将是其他太空飞行器,毕竟从环绕轨道的太阳能发电场接收微波束将比拥有自己的太阳能电池板更加实用。

 
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