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6月17日9時22分(fèn),航天員聶(niè)海勝、劉伯明、湯洪波乘(chéng)坐的神舟十二號載人飛船發射升空。按計(jì)劃,他們將前往(wǎng)空間站天和核心艙駐(zhù)留三個(gè)月。
進(jìn)入空(kōng)間(jiān)站(zhàn)之前(qián),宇航員們主要待在飛船(chuán)中(zhōng)。一般來說,載人飛(fēi)船可(kě)以采用太陽能發電、核(hé)能發電、燃料電池和(hé)蓄電池等方式供(gòng)電。采(cǎi)用哪種方式(shì)供電,要根據(jù)載(zǎi)人航天(tiān)器的用電(diàn)功率(lǜ)大小、在太空停留時間的長短等因素來決定。
空間太陽能電站可以用(yòng)來收集(jí)、轉化空間(jiān)太陽能,並以無線電波(bō)的形式將電能傳輸到地麵。該類電站的發電功率可達1-5GW,發電(diàn)量與地麵核電站相(xiàng)當(dāng)。
據介紹(shào),神舟十二號的電(diàn)力係統(tǒng)主要是由太陽電池翼和儲能電池構成,太(tài)陽電池翼能(néng)將太陽能轉化為電能供飛船使用。
公開數據(jù)顯(xiǎn)示,神舟(zhōu)九號飛(fēi)船的功率隻有(yǒu)1800瓦,相(xiàng)當於一台普通(tōng)家(jiā)用空調或者(zhě)是(shì)一(yī)台功率高點的微波爐的功率。一(yī)天飛下來,這麽一個“大家夥”的耗(hào)電量隻(zhī)有40多度。
空調(diào)or微波(bō)爐
天和(hé)核心艙:太陽電池翼可(kě)能和你家房子差不多大
配置(zhì)豪華的天和核心艙用電量可就不小了。它的供(gòng)電係統和飛船其(qí)實差不多(duō),但“塊(kuài)頭”要大(dà)很多,主要由(yóu)以下幾個部(bù)分組成:
能量(liàng)來源:太陽
發電(diàn)擔當:柔性太陽電池翼
儲能(néng)擔(dān)當(dāng):鋰離(lí)子蓄(xù)電池
▲天和核心艙內部(bù)。(圖片來自:中(zhōng)國航天科技集(jí)團)
天和核心(xīn)艙配有一組發電(diàn)能力為18000 瓦的太陽電池翼(yì),單翼麵積67 平方米,雙(shuāng)翼(yì)麵(miàn)積130多平方米,可能和你家房子麵積差不(bú)多大了(le)。
▲ 太空空間(jiān)站示意圖。(圖片來自(zì):中國航天科(kē)技集團)
在光照區,太陽電池翼將太陽(yáng)能轉化為電能(néng),供整艙使用,同時為鋰離子蓄電(diàn)池儲存能量(liàng)。在太陽無法照(zhào)射的陰影(yǐng)區(qū),蓄(xù)電池負責為整個艙體供電。電池(chí)采用陶(táo)瓷隔膜, 具備良好的(de)防止內部短路性能;同時,電池(chí)組(zǔ)內使用阻(zǔ)燃材料,防止因高溫引發(fā)燃燒,很安全。
▲神(shén)舟載人飛船與空間站天和核(hé)心艙、天舟貨運飛船組(zǔ)合體交會(huì)對接。(圖片(piàn)來自(zì):中國(guó)航天科技(jì)集團)
這個強(qiáng)大的電源係(xì)統,簡單(dān)來(lái)說,就是(shì)“太陽能發(fā)電加電儲能(néng)”的形式(shì),高效(xiào)又清潔。
我們的征途(tú),
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日前,中國航天科(kē)技集團公(gōng)司五院科技委主(zhǔ)任李明研究員向《科(kē)技日報》表示(shì),“經過十餘年持續研究,中國在(zài)空(kōng)間太陽能電站方麵已(yǐ)經大幅縮小了與國(guó)際先進國(guó)家的水平,進入世界前列。如能保(bǎo)持並進一步加大研(yán)發力度,中國(guó)有(yǒu)望成為世(shì)界首(shǒu)個建成有實用價值空間太陽能(néng)電站的國家。”
空間太陽能電站即一種(zhǒng)用來收集、轉(zhuǎn)化(huà)空間太陽能,並以無線電波的(de)形(xíng)式將電能傳輸到地(dì)麵電網的發(fā)電(diàn)係統。該類電站的發電功率可達(dá)1-5GW,發電量與地麵(miàn)核電站相當。
空(kōng)間太陽(yáng)能示意圖
與地麵(miàn)電站相比,空間太(tài)陽能電站(zhàn)的(de)太(tài)陽能電池板可以直接接觸太陽光而(ér)不受大氣阻隔,據日(rì)本宇(yǔ)宙航空研究開發機構(JAXA)估算,位於太空中的太陽能(néng)電池板所接(jiē)受的太陽光強度為地麵(miàn)上(shàng)的1.4倍。同(tóng)時,空間太陽能電站可(kě)以擺脫晝夜和天氣影響,實(shí)現24小時不間斷供電。最關鍵的是,該(gāi)電(diàn)站不受電網(wǎng)限(xiàn)製,可以通過無線電(diàn)波直接向有用電需求的地區供電(diàn)。
早在(zài)1968年,美國工程師彼特·格(gé)拉斯(sī)就提出了空(kōng)間太陽(yáng)能電站概(gài)念(niàn)。在(zài)格拉(lā)斯(sī)的設想中,人們用火箭將總麵積約(yuē)50平方公裏的太陽能電池板陣(zhèn)列(liè)送(sòng)入(rù)地球同步(bù)軌道,並在太空中完成組裝工作(zuò)。電站建(jiàn)成後,電池板將通(tōng)過不斷調(diào)整角度以確保電(diàn)池板時刻麵對太陽。
美國國家(jiā)航空航(háng)天局(NASA)在上世紀90年代的技術基礎上構想(xiǎng)的(de)空間太陽能發(fā)電(diàn)站
在過(guò)去的50年間(jiān),包括美國、日本、俄羅斯、歐盟和中(zhōng)國等多(duō)個國家的研究人員一直在(zài)論證空間太(tài)陽能(néng)發電(diàn)技(jì)術(shù)的可行性(xìng),並試圖解決一(yī)係列建造空間太陽能電站(zhàn)必須麵(miàn)對的難題,例如(rú),如何(hé)進行無(wú)線電波傳輸和接收,如何(hé)確保無線電波(bō)傳輸的準(zhǔn)確性(xìng),如何使空間電站發出無線電波與地(dì)麵的(de)網格狀(zhuàng)天線(xiàn)保持同步。
NASA在2011年提(tí)出(chū)的空間太陽能發電站(zhàn)構想示意圖
2008年(nián),美國和日本兩國的科(kē)研人員取得了突破(pò),他們在夏威夷兩座相距90英裏的海島(dǎo)上(shàng),成功實現了微波級能量的無線遠距傳輸,這(zhè)個距離相(xiàng)當於從太空軌道傳送(sòng)能量到地麵所要穿透的大氣層厚度。
日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)也成功完成了能量傳輸模(mó)擬實驗,研究人員從高約200米的塔(tǎ)頂向(xiàng)地(dì)麵上一(yī)個直徑僅為1厘米(mǐ)的圓形目標發(fā)射高能量激光(guāng)束,並成(chéng)功擊中目標。該實驗的成功證實了無線電波的管理和(hé)控製是可(kě)行的。
另(lìng)外,JAXA計劃實現無線電波電能(néng)輸送的太空(kōng)測試,即用一個(gè)小衛(wèi)星(xīng)在地球低軌(guǐ)道向地(dì)麵的微波接收(shōu)器(qì)發送幾個千瓦的(de)能量。JAXA方麵表示,希望在2021年(nián)實現(xiàn)100kW的傳輸,到(dào)2028年實(shí)現200MW傳輸。
JAXA用(yòng)於(yú)能量傳輸模擬實驗的高塔
隨著無線電(diàn)波傳輸與接(jiē)收(shōu)技(jì)術取(qǔ)得突破,包括(kuò)輕(qīng)質建(jiàn)材、全(quán)自動(dòng)計算機係統在內的衛星技(jì)術的提升,以及太陽能(néng)電池板光電轉換效率的提高,空間(jiān)太陽能電站(zhàn)成為現(xiàn)實。
目前,日本政府已經發起了太陽(yáng)能電站項(xiàng)目,由JAXA主導。按照JAXA在(zài)2014年公布的規劃(huá),日本計劃耗資2萬億日元(約合210億美元(yuán)),在地球靜止軌道上建(jiàn)造年裝機規模約1GW的商(shāng)業空間太陽能(néng)電站,該項目(mù)預計將在2030年完成 。
2011年,專家對於空間太陽能電站預估造(zào)價還在3000億-10000億美元左右。
同時,曾在JAXA任職(zhí)的教授佐佐木(Suzumu Sazaki)還(hái)表示,日本計劃在東京灣海港建造一個3公(gōng)裏長的人造(zào)島嶼。這(zhè)座島嶼將布設50億(yì)個天線(xiàn),用(yòng)於傳輸和(hé)接收來自空間太陽(yáng)能電(diàn)站的微波能量並將其轉換成電(diàn)能。
JAXA提出的空間太(tài)陽能(néng)電站構(gòu)想示意圖
就中國而言,自2008年起將空間太陽(yáng)能(néng)電站研(yán)發工作(zuò)納入國家先期研究規劃。近年來,提出了平台非聚(jù)光型、二(èr)次(cì)對稱聚光型、多旋轉關節以及球型能量收集陣列等空(kōng)間太陽能電站方案(àn),同時在無線(xiàn)能量傳輸等關鍵技術方麵取得(dé)了重(chóng)要的進步。
除了(le)技術,空間太(tài)陽能電站的建設(shè)、運營還需要巨額的投資、廣(guǎng)闊的市場以(yǐ)及環境、政策等因素配(pèi)合,綜合多方因素,各國紛紛(fēn)把目光投向中國,認(rèn)為中國應(yīng)該在(zài)該(gāi)領域(yù)發揮(huī)重要的牽引作用。中國航天科技集團公司五院研究員(yuán)王立曾對《科技日報》表(biǎo)示,“在(zài)航天領域,中國載人航(háng)天、深空(kōng)探(tàn)測、重(chóng)型運載火箭、空間站等技術與國際先進水平相比,還(hái)存(cún)在(zài)較大的(de)差距(jù)。”