“天基太阳能发电”技术的发展及潜在应用

现代军事 2016-12-02 20:00

“美国空间评论网站刊登题为《对“天基太阳能发电”需求的迫切性提升到全新高度》的文章。文章指出,在全球能源稀缺的背景下,通过激光与微波无线传输的'...

美国空间评论网站刊登题为《对“天基太阳能发电”需求的迫切性提升到全新高度》的文章。文章指出,在全球能源稀缺的背景下,通过激光与微波无线传输的天基太阳能可作为一种能源解决方案。文章对这两种技术进行了比较,并阐述了“天基太阳能发电”(SBSP)系统的最新设计、可行性以及太空、军事和商业应用。
背 景

2016年,美国总统奥巴马呼吁增加清洁能源投资,使美国在未来能源市场保持领先地位。NASA前官员约翰·曼金斯认为,诸如光伏阵列、高能轻质燃料电池和风力发电机等绿色能源技术,对于满足长期能源需求有巨大帮助,但不太可能在未来数十年内提供基本负荷能源所需的连续电力。SBSP可通过天基设施从太阳获取几乎源源不断的能量,并通过无线传输从太空输送至其他太空资产或地球,为永久的电网基础设施提供更多配电。发展SBSP可为美国创建新产业,并使每年军事能源开支降低200亿美元。但到目前为止,美国尚未建立正式的SBSP项目。

文章称,根据劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的当前研究,SBSP激光能量传输可在5年内实现。当务之急是从国内和国际两方面着手开发新政策,支持基于激光与微波“无线点传输”(WPT) SBSP的研发验证,目标不是太空武器化,而是为后代建立更加繁荣的世界。

SBSP的激光传输与微波传输技术对比

对SBSP设计影响最大的4个相关特性包括:负责能量传输的电磁波波长/频率;能量传输距离;发射孔径尺寸;接收孔径尺寸。基于激光的设计采用波长在可见光和近可见光范围的光束,而基于微波的设计采用波长2~20厘米的微波传输射频能量。每种设计各有优势和劣势。

激光传输方案

由于激光波长非常短,大约为几百纳米,SBSP系统使用较小的发射与接收孔径就能实现有效的能量传输。从地球同步轨道3.65米孔径发射的激光可在地表投射直径36.5英尺(约11.13米)的光斑。理论上,可通过改变发射孔径尺寸调节激光束宽度,进而影响投射到地表的光斑大小。

激光传输系统最初可先由“猎鹰-9”火箭一次性发送至低地球轨道;相比之下,微波系统需要多次航天发射并进行在轨机器人组装。经过系统测试后,激光传输卫星可在一次任务中由重型“猎鹰”火箭直接从地表发送至地球同步轨道。然而,激光束无法轻易穿过烟雾或云层,降低了平均传输效率,并可能需要在地面上使用自适应光学设备。此外,在太空中将太阳能转化成激光能量时还存在热量积聚问题,因为热量在太空中不会自然消散。卫星设计必须集成冷却功能,利用辐射而不是热传导与热对流完成冷却。高功率激光器的热量积聚是一个问题,研发良好的冷却系统十分必要。

激光传输系统使用时要避免物体穿过激光;由于地球同步轨道和地表之间有无数颗卫星,因而该系统需要一种识别、关闭机制,识别另一个天基系统造成的光束干涉。如果用于支持机密军事行动,激光传输的高能见度(人们很容易看到激光,尤其是在晚上)也将是一个潜在问题。

微波传输方案

通过调整运行频率,微波SBSP系统可在降雨、云层和其他大气层条件下,提供1~10吉瓦的稳定、连续的能量传输,足以为大型城市供电。

微波SBSP设计的重要挑战源自其相对尺寸。波长越长,所用孔径的尺寸越大。因此,微波系统需要多次航天发射。此外,微波系统还需要在地球同步轨道进行机器人组装,或在低地球轨道进行组装并使用太空拖船将其从低地球轨道运送至地球同步轨道。这种在轨机器人组装能力还需要依赖未来技术发展,目前尚不具备。约翰·曼金斯预计,其SPS- ALPHA设计的部署和测试需要6年的时间,实现从低地球轨道初始运行能力到地球同步轨道完全运行能力的过渡。

SBSP系统最新设计与可行性
激光传输系统

自2002年以来,LLNL实验室一直在研究SBSP激光传输系统设计,在最新的设计方案中激光光束直径只有2米左右,系统重约10吨,仅为微波传输SBSP系统设计重量的一小部分。预计建造系统并由“猎鹰-9”火箭发送至太空,需要5亿美元,生产成本和时间已得到大幅削减。

半导体泵浦的电激光器效率超过50%,能进行数千瓦电力传输,目前可在市场上购买。由重型“猎鹰”火箭发射LLNL的设计并实现SBSP卫星应用已具备极高可能性。成功验证激光传输SBSP系统有助于推动微波SBSP发展;在潜在的资源约束环境下,微波SBSP对于未来发电应用有更大的战略影响。

微波SBSP

从更具战略性的视角看,微波SBSP具有巨大潜能。最新的微波SBSP设计采用更加实用的结构。过去的微波SBSP系统设计尺寸为几千米,建造成本预计在1~3万亿美元。约翰·曼金斯指出当前最新的微波SBSP设计将采用直径几千米的地面接收孔径,需要较少的发射次数,并引入了当前最新的在轨机器人服务概念。在轨组建的微波传输SBSP系统,可利用已部署激光SBSP卫星提供的能量。通过激光传输将SBSP能量应用于天基任务,不会遇到地面应用所面临的挑战,也不受大气层影响。约翰·曼金斯预计,该项目所需成本在10~100亿美元之间,相比过去大幅降低。

激光SBSP对于天基资产的用途

激光SBSP有助于能源基础设施建设,以促进太空工业化。激光SBSP可使航天器采用电推进系统执行任务,携带相对较少的推进剂。专门研究“聚光光伏-光热”(CPV-T)组合系统的Solar Maximum公司CEO罗伊斯·琼斯提出一种混合型太空拖船设计,使用0.5兆瓦激光整流天线和0.25兆瓦星载直接驱动型太阳能电池。比起太阳、化学和核动力飞行器,由SBSP系统发射的激光驱动的飞行器在重量上可降低20~30倍。由于能向太空拖船传输能量,太空拖船设计将不必整合发电系统,从而降低拖船总重。这将有助于实现低成本的地月间运输系统。琼斯认为,其混合型太空拖船可执行更广泛的太空任务,包括使地球同步轨道通信卫星退役、将货物和航天员送至空间站、清除太空碎片、在轨组装,可辅助约翰·曼金斯的SPS-ALPHA在地球同步轨道组装。

从创新角度来看,由几兆瓦甚至吉瓦的激光驱动的太空拖船有望在推力上超越化学燃料火箭。研发激光传输SBSP能力以测试太空拖船操作,可为探索其他太空能力提供机会。

总之,激光SBSP可能会成为游戏规则改变者,以支持在太空构建运输网络和后勤基础设施,推动人类社会发展成航天社会。

美国防部每年200亿美元的能源开支中,约有35%用于为前线作战基地(FOB)提供燃料。假设无线传输效率为50%,对于FOB,1颗产生1000千瓦电力的SBSP卫星能支持500千瓦的最大输出功率。以人均电力需求1.5~2千瓦计算,LLNL实验室的设计最多能供应约250名军人。在这种作战想定下,激光整流天线接收孔径将部署在与FOB营区和作战区有一定距离的位置。此外,1颗激光SBSP卫星能为多个FOB供电,在后勤线薄弱或突然增加电力需求时提供备用电源。

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