來自衛星的太陽能將造福人類?

2022年11月23日17:25

參考消息網11月23日報導 太陽能技術的最新進展為能源安全危機提供了潛在的解決方案——包括將陽光轉化為電力的衛星。

據英國《衛報》網站10月9日報導,11月末,歐洲科學部長們將在巴黎召開高級別會議,決定歐洲航天局(ESA)接下來的優先事項(英國目前仍是該機構的成員),其中之一是測試在軌道上建設商業發電站的可行性。這些巨大的衛星將把陽光轉化為電力,然後輸送至地球上的電網中。這個擬議中的項目名為Solaris,它將決定這一想法是否有助於提升歐洲未來的能源安全,抑或只是天方夜譚。

如果這項研究獲得批準,那麼對於航空工業是利好消息,因為該行業一直處於太陽能發電發展的前沿。1957年,俄羅斯發射了電池供電的一號衛星;一年後,美國發射了“先鋒1號”衛星,這是在軌運行的第四顆衛星,也是第一顆利用太陽能發電的衛星。從那時起,太陽能電池板成為航天器的主要動力來源,推動了研究進展。“先鋒1號”的太陽能電池僅可把捕獲的9%的陽光轉化為電能。如今,這一效率提高了一倍多,而且還在繼續提高,製造成本卻持續下降。這是製勝之道。

麥肯錫諮詢公司合夥人約亨·拉茨說:“過去20年,太陽能的成本迅速降低,比業內大多數人士的預期更快。”以至於在中東和澳州,太陽能成為最便宜的發電方式。拉茨說,隨著這項技術的持續發展,中緯度國家也會如此。拉茨說:“我們預計,到2050年,歐盟超過40%的能源將來自太陽能——如果各國實現既定目標的話。”屆時,太陽能將成為歐盟最主要的能源來源。

然而,要充分利用地球上的太陽能電池板,需要解決幾個顯而易見問題。首先,我們晚上怎麼辦?今年5月,澳州新南威爾士大學光電和可再生能源工程學院副教授內德·伊金斯-道克斯及其研究團隊展示了一種通過紅外線而非陽光發電的太陽能電池。這種電池可以在夜間運轉,因為地球以熱量的形式儲存來自太陽的能量,然後將熱量以紅外輻射的形式輻射回太空。

這種裝置的原型機使用的技術與夜視鏡相同。目前它只能產生幾毫瓦的電力,但伊金斯-道克斯認為它存在很大潛力。他說:“這才剛剛開始,這是全世界首次展示熱輻射電能。”他的團隊的目標是研製出“功率(比原型機)強1萬倍”的成品。屆時,在屋頂上安裝這種設備(可能作為傳統太陽能電池板的額外加層)有望為住宅提供一整晚的電力並維持冰箱和WiFi路由器等電器的運轉。儘管這對每個家庭來說微不足道,但對一個國家來說意義重大。

太陽能的另一個問題是,有些日子沒有太陽。為解決這一問題,在陽光明媚的日子裡產生的過剩電力需要儲存在電池中,但目前的電池儲存能力很差。全電動汽車租賃公司UFO駕駛公司的首席執行官艾丹·麥克林說:“到2030年,歐盟將需要約200吉瓦的儲能電池,但截至2021年,歐盟僅有2.4吉瓦的儲能電池,所以儲能需要大幅增加。”

為幫助彌補這一缺口,麥克林提出了一項名為“從車到電網”(V2G)的計劃:用電動汽車的電池儲存屋頂太陽能電池板產生的多餘電力,在晚上需要時將電力輸送給住宅,甚至在電力需求旺盛的其他時期將其出售給國家電力公司。麥克林說:“如果V2G得到廣泛採用,那麼所有電動汽車的預期儲量將大大超過電網未來的儲能需求。”最近在英國白金漢郡米爾頓凱恩斯進行的一項V2G試驗顯示,參與者使用一種用可再生能源生產電力的“智能”充電系統,不僅慳錢,還減少了碳足跡。

另一種方法是用太陽能生產可持續的汽車燃料,而不是發電。英國劍橋大學化學系的弗吉爾·安德烈及其同事在光合作用的啟發下研發出了一種薄薄的“人造樹葉”。植物的光合作用會吸收陽光、水和二氧化碳,將其轉化為氧氣和糖分。在人造樹葉中,輸出的物質是合成氣。這種碳氫混合氣體可通過各種工藝生產出多種燃料,甚至包括汽油和煤油。

安德烈說:“我們希望將大氣或其他工業過程中的二氧化碳注入此類系統,製造綠色燃料。這樣不僅沒有向大氣中排放更多二氧化碳,反而創造了循環碳經濟。”人造樹葉將依靠捕獲碳的植物(目前植物被用來從工業過程中吸收二氧化碳),將其“回收”成可持續燃料。

該團隊2019年首次製造出一片人造樹葉,但它是一種由玻璃和金屬構成的笨重結構,配備一個底座。不過,研究人員今年宣佈,他們研發出了一種體積更小、更像樹葉、能在河上漂浮的結構。這片葉子和前驅氣體以及水一起被密封在一個透明的塑料袋里,然後在河上漂浮了幾天。之後,研究人員打開袋子,測試光合作用產生的氣體。

人造樹葉本身由鈣鈦礦構成。天然存在的鈦酸鈣就是典型的鈣鈦礦。1839年,德國礦物學家古斯塔夫·羅斯在俄羅斯烏拉爾山脈發現了鈣鈦礦,以俄羅斯同行列夫·佩羅夫斯基的名字為其命名。現代鈣鈦礦有不同的化學成分,有些可以充當太陽能電池。

安德烈說:“這些材料很新,而且令人興奮。”實驗室測試顯示,鈣鈦礦或許比傳統太陽能電池板中使用的矽更高效。鈣鈦礦甚至可以取代未來太陽能電池板中的矽,因為製造輕薄柔軟的鈣鈦礦板層更容易。另一個優點是,鈣鈦礦產生的電流和電壓比矽更高,這有助於實現能量更強的反應過程,就像人造樹葉研究中的那樣。

不過,儘管這一切聽起來很有希望,但在地球表面用太陽能發電存在一個無法克服的問題:大氣。大氣層中的分子把一半左右的陽光散射到直射光束之外。正是這些跳躍的分散光線構成了我們所熟悉的藍天。太空沒有大氣層,所以陽光未經稀釋。太空競賽之初,航空航天工程師們就發現,將一塊太陽能電池板送入軌道後,它的自動發電量是地球上的兩倍左右。因此,幾十年來,工程師和夢想家一直希望將太陽能發電衛星送入軌道。  

原理很簡單。一群攜帶巨大太陽能電池板的航天器收集陽光,然後將其轉化為電力,並將電能傳回地球。如何通過無線方式在太空中傳播能量?事實證明,這種做法已經有幾十年歷史了。自上世紀60年代以來,每一顆通信衛星都用一塊太陽能電池板發電,然後將其轉化為微波信號併發送到地球。在地面上,天線將微波轉化為電能並讀取信號。歐洲航天局的桑賈伊·維金德蘭說:“天基太陽能發電過程涉及的物理學原理(與地球上)完全相同,但規模大得多。”他正在協調擬議中的Solaris項目,以研究天基太陽能發電的可行性。

自太空競賽開始以來,每隔幾十年,人們就會對太空太陽能的想法進行研究,但每次結果都一樣:發射如此大的衛星的成本讓人望而卻步。但現在情況不同了。

美國國家航空航天局(NASA)前物理學家、現任阿泰米斯創新管理解決方案公司總裁的約翰·曼金斯說:“2015年,奇蹟發生了。‘獵鷹9’號可回收火箭首次飛行。”曼金斯是太陽能衛星專家,幾十年來參與了許多可行性研究。隨著真正的可回收火箭的出現,將設備送入軌道的成本迅速下降。曼金斯預計,發射成本已經從每千克1000美元降至300美元左右。他說:“這是太空太陽能的聖盃。它不僅是有可能發生的,而且在今後5到7年一定會發生。”

其他人也同樣樂觀。2021年9月,弗雷澤-納什諮詢公司應英國政府要求發佈了一份報告,其結論是:“太空太陽能發電在技術上是可行的,價格可以承受,而且既能為英國帶來可觀的經濟效益,又能支援淨零排放。”今年8月底,歐洲航天局也發表了太空太陽能研究報告,得出了類似的結論。因此,歐洲航天局在11月要求其成員國資助一項為期3年的太陽能衛星可行性研究,詳細探究此類系統在商業上是否可行。維金德蘭說:“Solaris將檢驗這種做法是否真的可行,在我們申請數十億歐元資金之前,這很有必要。”

無論太陽能衛星是否進入軌道,毫無疑問的是,太陽能將主導未來的能源版圖。正如當前的烏克蘭危機所表明的,這些衛星可以提升能源安全,並減少碳排放。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽