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美國衛星首次成功向地球傳送太陽能 證明「天基能源」步向現實 中國「逐日工程」空間太陽能電站實驗 早已開始

博客文章

美國衛星首次成功向地球傳送太陽能  證明「天基能源」步向現實 中國「逐日工程」空間太陽能電站實驗 早已開始
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美國衛星首次成功向地球傳送太陽能 證明「天基能源」步向現實 中國「逐日工程」空間太陽能電站實驗 早已開始

2023年06月08日 11:34 最後更新:11:37

在太空中收集太陽能並傳回地球,已出現研究突破。

6月1日,實驗搭建者、美國加州理工學院宣佈,1月發射的一顆衛星已將微波束的能量導向太空中的目標,甚至還將一部分能量發送到地球的探測器上。歐洲空間局(ESA)太空科學家維珍頓(Sanjay Vijendran)說,「以前沒有人這樣做過,他們通過展示這種能力,為這個夢想的實現增加了信心。」

加州理工學院順利將電力轉成微波,讓衛星能將太陽能直接傳遞到地面使用。

加州理工學院順利將電力轉成微波,讓衛星能將太陽能直接傳遞到地面使用。

長期以來,可靠性一直是太空太陽能發電面臨的挑戰。為了產生與典型的燃煤或核電站一樣多的電力,衛星需要覆蓋方圓數公里的收集區域,需要數百次發射和在軌組裝。美國太空總署在20世紀70年代能源危機期間策劃了一次任務,但以當時的技術,這項由太空梭搭載衛星升空並由太空人組裝的任務將耗資1萬億美元。費用太高,無甚可為,從那以後,就很少有人提及了。

如今,太空發生了變化。太陽能電池和微波光束更便宜、更高效。組裝機器人將很快進入軌道,SpaceX等公司已經大幅削減了發射成本。歐洲空間局和英國政府最近委託有關機構進行的研究表明,大型太空軌道發電機很快就能以與地面核電站相若的成本發電。

加州理工學院的這項任務旨在更進一步開發輕便、廉價和靈活的部件。微波發射器是一個由32個平面天線組成的陣列,排列在比餐盤稍大的表面上。通過改變發送到不同天線的信號的時間,研究人員可以控制陣列的波束。他們把它對準一對微波接收器,然後隨意將光束從一個接收器切換到另一個接收器,並點亮每個接收器上的LED。

微波發射器的發射功率很小,只有200毫瓦,比手機攝像頭的光還暗。但該團隊仍然能夠將微波束引向地球,並用接收器探測到它。加州理工學院電氣工程師夏占偉(Ali Hajimiri)說,「這是一個概念驗證,它表明了整個系統可以做什麼。」

加州理工學院的航天器還有兩個計畫中的實驗。其中一個正在測試32種不同的太陽能電池,看哪一種能耐得住嚴酷的太空環境。第二個是一塊折疊的超輕複合材料,它將展開成為一個兩米寬的帆狀結構。雖然帆上不會安裝任何太陽能電池,但它旨在測試未來發電站所需的輕薄、靈活的大型裝備。

人們對太空太陽能的興趣似乎越來越大。歐洲空間局今年委託有關機構進行了兩項關於軌道發電站潛在結構的研究。維珍頓說,能源供應公司已經加入了這項工作。日本京都大學團隊上個月宣佈,他們將與日本宇宙航空研究開發機構合作,在軌道上測試電力傳輸。

日本電氣工程師Naoki Shinohara說,他很高興聽到加州理工學院取得成功的消息,「但同時我也很失望,因為日本人的目標是在2025年進行世界上第一個(無線電力傳輸)衛星實驗。」

初創公司Virtus Solis Technologies也一直在測試電力傳輸,並計畫在2026年將一個試點工廠送入軌道。該公司首席執行官包寧(John Bucknell)表示,打算在10年內向客戶提供商業電力。「太空太陽能利用技術是唯一一種清潔、可靠、可擴展的能源技術,是實現零碳排放的可靠途徑。」

在太空用太陽能發電效能有多高?專家指出,1平方米的太陽能發電板,在多霧地區每小時最多只能生產0.1千瓦電力;如果在中國西北地區,中午太陽直射時能產生0.4千瓦,如果到了太空,產生的電力會達到10至14千瓦,幾乎是地球的百倍以上。

專家表示,理論上如果在地球同步軌道上,部署一條寬度1,000米的太陽能發電板陣環帶,假定其轉換效率為100%,那麼她在一年接收到的太陽輻射通量,已大約等於目前地球石油儲量的能量總和。

當然,現階段太空太陽能電站還有一些困難需要克服,例如何把上萬噸的發電設備運送至地球同步軌道和組裝、遠距離傳輸中微波傳輸的衰減和效率問題,以及大功率微波輻射對人體損害等,但這些問題相信佷快會迎刃而解,例如科學家正研究利用3D打印技術在太空製作大型部件,以解決運送設備的難題。

「逐日工程」空間太陽能電站地面驗證系統西安電子科技大學。西安電子科技大學圖片

「逐日工程」空間太陽能電站地面驗證系統西安電子科技大學。西安電子科技大學圖片

中國對太空太陽能電站的研究始於「十一五」(第十一個五年規劃,2006至2010年),雖然起步較晚,但在系統設計和關鍵技術方面已取得成果,相關的「逐日工程」(取「夸父逐日」之意)在2018年啟動,位於重慶的首個太空太陽能電站實驗基地隨後亦已動工,整體進展有後來居上之勢。

中國OMEGA–SSPS地面試驗驗證系統。西安電子科技大學圖片

中國OMEGA–SSPS地面試驗驗證系統。西安電子科技大學圖片

「逐日工程」空間太陽能電站地面驗證系統西安電子科技大學,其支撐塔為75m高的鋼結構,驗證系統主要包括五大子系統:歐米伽聚光與光電轉換、電力傳輸與管理、射頻發射天線、接收與整流天線、控制與測量。其工作原理,首先是根據太陽高度角確定聚光鏡需要傾斜的角度,在接收到聚光鏡反射的太陽光後,位於聚光鏡中心的光伏電池陣,將其轉化為直流電能。隨後,通過電源管理模組,四個聚光系統轉換得到的電能彙聚到中間發射天線,經過振盪器和放大器等模組,電能被進一步轉化為微波,利用無線傳輸的形式發射到接收天線。最後,接收天線將微波整流再次轉換成直流電,供給負載。

中國專家經過論證,已提出了相關路線圖,中期目標是力爭2030年建設一座兆瓦級(兆瓦是功率單位,等於1,000千瓦)太空太陽能試驗電站,實現應急供電並開展科學研究。而遠期目標是在2050年前,具備建設吉瓦級(1吉瓦等於1,000兆瓦,本港南丫島發電廠總發電量為3,700多兆瓦)商業化太空太陽能電站的能力,滿足國家可持續發展對能源安全的戰略需求。




深喉

** 博客文章文責自負,不代表本公司立場 **

美國國務卿布林肯6月6日至8日訪問沙特,據美國國務院消息,布林肯此行除了同沙特討論雙邊、地區和國際事務,還將出席美國-海灣阿拉伯國家合作委員會(海合會)部長級會議,打擊極端組織「伊斯蘭國」、蘇丹武裝衝突、也門問題也在議題清單上。

此外布林肯還試圖為沙特同以色列關係轉圜扮演「中間人」角色。出訪前一天,布林肯在美國-以色列公共事務委員會會議上宣稱,「促進以沙關係正常化可以給美國帶來切實的國家安全利益」,美國必須起到不可或缺的作用。

6 月 7 日,沙特王儲薩勒曼會見美國國務卿布林肯。AP圖片

6 月 7 日,沙特王儲薩勒曼會見美國國務卿布林肯。AP圖片

布林肯是繼美國總統國家安全事務助理沙利文之後,一個月內第二名美方高級官員訪問沙特。路透社此前分析稱,布林肯訪問沙特的目的可能是「抗衡」中國和俄羅斯在中東地區的影響力,華盛頓希望修復與這個世界最大原油出口國的關係。

半島電視台網站6月6日發表了一篇題為「中東:再見美國,你好中國?」的評論文章,給布林肯此訪「潑了一盆冷水」。文章稱,為挽救美國在中東日益減弱的影響力,布林肯此訪意圖推進與沙特等海灣國家的「戰略合作」可能會異常艱苦。去年7月,美國總統拜登在沙特出席「海合會」峰會時曾誓言,「美國不會一走了之,留下中東真空讓中俄伊填補」,但這卻是正在發生的事。

半島電視台網站評論文章截圖。

半島電視台網站評論文章截圖。

文章認為,美國在中東地區之所以「節節敗退」,這完全是咎由自取。中東地區早已看透美國是虛偽的帝國主義大國,對所謂「人權」和「民主」只是嘴上說說,有近八成當地人認為美國就是中東的最大「亂源」,中東與美國脫鉤不僅是可能,更是必然。

文章作者馬爾萬·比薩拉(Marwan Bishara)是半島電視台高級政治分析專家,曾任巴黎美國大學(American University of Paris)國際關係學教授,被廣泛認為是美國外交政策、中東和國際戰略事務方面的權威。

文章作者馬爾萬·比薩拉。

文章作者馬爾萬·比薩拉。

文章首先指出,盡管美國表示反對,但過去一年,美國在該地區的盟友走了一條「混合外交路線」:改善了與中國和伊朗的關係,並與俄羅斯保持著牢固關係。

而對於「沙伊北京和解」,盡管拜登政府公開淡化了中國斡旋此事的外交重要性,但美國似乎對中國影響力在石油資源豐富的海灣地區和大中東地區的日益增長而感到「抓狂」。

過去20年,美國的石油和天然氣產量大幅增加,幾乎實現了「能源獨立」。盡管美國可能不再像以前那樣需要海灣地區的石油,但其堅持控制該地區,是為了在發生衝突時切斷中國的重要能源供應,並為其盟友確保這些能源供應。

上個月,布林肯還在炒作渲染,宣稱中國是「當前最重要的地緣政治挑戰」,但事實上,中國比美國在中東地區更受歡迎。除了中國,美國也對俄羅斯在中東以及其他地區的影響力感到緊張。

文章稱,拜登政府厭倦了中東國家態度上的「模棱兩可」,甚至和俄羅斯「串通一氣」,為此美國一直在警告某些中東國家,不要幫助俄羅斯逃避制裁,並要求這些國家選邊站隊,否則將面臨美國和七國集團(G7)的怒火。

「然而這些都無濟於事。」文章作者指出,到目前為止,沙特明確拒絕了美國大幅增產石油以降低油價的要求,不僅被指在能源收入方面幫助了俄羅斯,在支持烏克蘭方面也並不積極。文章形容,沙特王儲兼首相穆罕默德這種猶如對美國「豎中指」的做法,在該地區還相當受歡迎。

而在西方加緊對伊朗實施制裁之際,沙特在中方斡旋下同伊朗關係正常化,並繼續同敘利亞修復關係,「明顯沒有聽美國的話」。

4月6日,國務委員兼外長秦剛在北京會見沙特與伊朗外長。

4月6日,國務委員兼外長秦剛在北京會見沙特與伊朗外長。

作者指出,沙特這種對待美國的全新態度,其實是一種「地區性現像」,包括美國的另一個盟友阿聯酋也同中國建立了更密切的關係,改善了同法國的戰略關係,並致力於同伊朗、俄羅斯和印度接觸,這其實是以犧牲同美國的關係為代價的。

作為一個整體,中東地區的全球參與性一直非常多樣化,這一點從經濟關係上看就非常明顯。2000年至2021年,中東與中國之間的貿易額從152億美元增長至2843億美元;同期,中東與美國之間的貿易額僅從634億美元小幅增長至984億美元。盡管西方對俄制裁不斷擴大,但包括沙特、阿聯酋和埃及在內的六個中東國家,最近都希望加入中俄所在的金磚國家集團。

文章寫到這裡,作者提出這樣一個問題——在過去30年裡,美國一直是中東地區佔據主導地位的戰略大國,今天依然如此,但在未來30年裡會是這樣嗎?

文章指出,在世界上如中東等一些地區,對美國說「不」其實是一種非常普遍的立場,因為大多數人認為美國是一個虛偽的帝國主義大國,對所謂「人權」和「民主」只是嘴上說說罷了。

在中東,最明顯的例子就是美國對巴勒斯坦的外交政策,美國實際上是堅定且無條件地支持以色列的。然而,巴勒斯坦這個與普通阿拉伯人息息相關的問題,還不是唯一讓當地人確信美國是一個「兩面三刀國家」的案例。

由於衛星電視和社交媒體的普及流行,中東人親眼目睹了美國在伊拉克的罪行和在阿富汗的恥辱,他們不認為美國是文明的守護者,更不認為美國是一個不可戰勝的大國。自9·11事件以來,美國對中東的干預,從資產負債表上看,也絕對沒有為自己獲利。

這也難怪,總部位於多哈的阿拉伯政策與研究中心2022年對14個阿拉伯國家進行的一項民調顯示,78%的受訪者認為中東地區的最大的威脅和不穩定來源是美國,相比之下,盡管伊朗和俄羅斯也涉及到了伊拉克、也門和敘利亞等地的事務,但如此認為的人的比例為57%。

「因此,越來越多的中東人(和美國人)認為,該地區與美國脫鉤,至少美國在一定程度上與該地區脫鉤,既是可能的,也是不可避免的,這並非巧合。」文章最後這樣寫道。

對於布林肯此次訪問沙特,其他分析人士認為,雖然美沙兩國關係不太可能真正走向破裂,但其此訪也不太可能取得實質性的突破。

分析指出兩個長期的轉變增加了美國面臨的挑戰。一是美沙關係的「長期支柱」,即美國以提供安全換取沙特穩定石油供應的做法,已經很難再行得通。路透社稱,石油產量的增加使得美國不再像上世紀70年代那樣依賴沙特原油,而沙特也不再像以往一樣依賴美國的保護。

另一個因素則是中國的高速發展。路透社稱,中國早已成為沙特最大的進出口貿易夥伴,隨著美國的戰略重心「東移」,沙特在地緣政治方面有了更多的選擇。

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