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太空发电的背景、发展,现存问题

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【专家解说】:太空发电不是什么新鲜事,早年为了空间飞行器供电已经研究了很久了,作为往地面输电的太空发电厂也有设想久已,但到目前为止还没有计划在太空建立真正的发电厂。

其原因很简单,太空发电厂大规模发输配电的技术问题、安全问题、成本问题,目前还有很多没有解决。

发电:
不包括专用于远航飞行器供电的核电池,一般的原理有两种:太空太阳能发电、太空电离层发电。

太空太阳能发电是最容易想象的了,卫星上也普遍采用了太阳能电池供电,使得太空太阳能发电有不错的应用基础。
但是专用于发电的太阳能系统有别于卫星供电的小功率太阳能系统,首先是输送物质到太空的成本非常高,必须尽量提高电池的效率。目前应用的太阳能电池效率在10%左右,这个不是大问题,重要的是,它的运行极限温度可以高达125度,尽管每升高一摄氏度效率下降0.045%,但单位面积的电池输出功率仍然是提高的,这就降低了输送到太空的部件总重量。这样如何轻便的聚焦太阳光就是一个重要的问题。目前已经试验成功的是采用空气薄膜透镜原理,即采用塑料薄膜做成透镜形状,在输送途中是压缩的,在太空中展开时充入低压空气,即可形成透镜形状,将太阳光聚焦到光伏电池表面,即可发电。

另外一种则是富有想象力的电离层发电了。地球受太阳高能粒子辐射的影响,在地球表面80公里以上形成一个电离层,不同高度的电离层有明显的电压差,电离层发电就是利用这个电压差工作,这样的发电机如同一个拖着长尾巴的卫星,从电离层不同的高度采集电荷。

这些试验NASA都已经尝试过了,长尾巴卫星因为技术问题,尾巴释放长度不够而失败了,空气薄膜透镜则获得圆满的成功。

解决了发电难题就该轮到输电问题了

目前可行的太空输电只有一个办法就是微波输电,采用安全的微波密度,即使只有1kW/m^2,只需要1平方公里的地面天线就可以输出将近100W千瓦的功率,相当于一个大型发电厂了。微波输电已经在大气层内小规模试验成功了,美国曾经利用微波给城市通讯转播无人机输电。1kW/m^2的功率密度和太阳能差不多,但是微波的转换效率却不是太阳能电池可比拟的。尽管可以选择对人体安全的微波频率、功率密度,以及其他安全金属,但微波对人体的潜在伤害导致的心理抗拒,却不是技术能解决的,因为没有人愿意成为微波炉中的烤鸡——哪怕只是心理上的。

太空发电在可以预见的时间内前途不太好,成本是一个重要的障碍,其次是维护与安装非常困难,这都源于目前将物质输送到太空的成本还太高,再者是安全问题难以全面解决,微波波束偏离后,可不象在地面上可以有人员方便的快速处置。

最重要的,地面技术系统的竞争力在不断的改进,即使不要石油煤炭核能,即使以现在的清洁能源技术,只要投入足够的资金,仅仅是风能、太阳能(地面系统)、生物质能、水力发电等,都足以满足人类能源的需求,更何况节能技术的推广还有巨大的潜力,因此太空太阳能技术肯定还只是面对空间飞行器的需求。

但是,只要目前面临的能源危机还在持续,地面系统的技术仍没有解决对土地的争夺,太空太阳能技术仍有一定的前景,重要的是如何选择。

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