来自卫星的太阳能将造福人类?

2022-11-23 17:25
参考消息网
关键词:钙钛矿电池板发电

参考消息网11月23日报道 太阳能技术的最新进展为能源安全危机提供了潜在的解决方案——包括将阳光转化为电力的卫星。

据英国《卫报》网站10月9日报道,11月末,欧洲科学部长们将在巴黎召开高级别会议,决定欧洲航天局(ESA)接下来的优先事项(英国目前仍是该机构的成员),其中之一是测试在轨道上建设商业发电站的可行性。这些巨大的卫星将把阳光转化为电力,然后输送至地球上的电网中。这个拟议中的项目名为Solaris,它将决定这一想法是否有助于提升欧洲未来的能源安全,抑或只是天方夜谭。

如果这项研究获得批准,那么对于航空工业是利好消息,因为该行业一直处于太阳能发电发展的前沿。1957年,俄罗斯发射了电池供电的一号卫星;一年后,美国发射了“先锋1号”卫星,这是在轨运行的第四颗卫星,也是第一颗利用太阳能发电的卫星。从那时起,太阳能电池板成为航天器的主要动力来源,推动了研究进展。“先锋1号”的太阳能电池仅可把捕获的9%的阳光转化为电能。如今,这一效率提高了一倍多,而且还在继续提高,制造成本却持续下降。这是制胜之道。

麦肯锡咨询公司合伙人约亨·拉茨说:“过去20年,太阳能的成本迅速降低,比业内大多数人士的预期更快。”以至于在中东和澳大利亚,太阳能成为最便宜的发电方式。拉茨说,随着这项技术的持续发展,中纬度国家也会如此。拉茨说:“我们预计,到2050年,欧盟超过40%的能源将来自太阳能——如果各国实现既定目标的话。”届时,太阳能将成为欧盟最主要的能源来源。

然而,要充分利用地球上的太阳能电池板,需要解决几个显而易见问题。首先,我们晚上怎么办?今年5月,澳大利亚新南威尔士大学光电和可再生能源工程学院副教授内德·伊金斯-道克斯及其研究团队展示了一种通过红外线而非阳光发电的太阳能电池。这种电池可以在夜间运转,因为地球以热量的形式储存来自太阳的能量,然后将热量以红外辐射的形式辐射回太空。

这种装置的原型机使用的技术与夜视镜相同。目前它只能产生几毫瓦的电力,但伊金斯-道克斯认为它存在很大潜力。他说:“这才刚刚开始,这是全世界首次展示热辐射电能。”他的团队的目标是研制出“功率(比原型机)强1万倍”的成品。届时,在屋顶上安装这种设备(可能作为传统太阳能电池板的额外加层)有望为住宅提供一整晚的电力并维持冰箱和WiFi路由器等电器的运转。尽管这对每个家庭来说微不足道,但对一个国家来说意义重大。

太阳能的另一个问题是,有些日子没有太阳。为解决这一问题,在阳光明媚的日子里产生的过剩电力需要储存在电池中,但目前的电池储存能力很差。全电动汽车租赁公司UFO驾驶公司的首席执行官艾丹·麦克林说:“到2030年,欧盟将需要约200吉瓦的储能电池,但截至2021年,欧盟仅有2.4吉瓦的储能电池,所以储能需要大幅增加。”

为帮助弥补这一缺口,麦克林提出了一项名为“从车到电网”(V2G)的计划:用电动汽车的电池储存屋顶太阳能电池板产生的多余电力,在晚上需要时将电力输送给住宅,甚至在电力需求旺盛的其他时期将其出售给国家电力公司。麦克林说:“如果V2G得到广泛采用,那么所有电动汽车的预期储量将大大超过电网未来的储能需求。”最近在英国白金汉郡米尔顿凯恩斯进行的一项V2G试验显示,参与者使用一种用可再生能源生产电力的“智能”充电系统,不仅省钱,还减少了碳足迹。

另一种方法是用太阳能生产可持续的汽车燃料,而不是发电。英国剑桥大学化学系的弗吉尔·安德烈及其同事在光合作用的启发下研发出了一种薄薄的“人造树叶”。植物的光合作用会吸收阳光、水和二氧化碳,将其转化为氧气和糖分。在人造树叶中,输出的物质是合成气。这种碳氢混合气体可通过各种工艺生产出多种燃料,甚至包括汽油和煤油。

安德烈说:“我们希望将大气或其他工业过程中的二氧化碳注入此类系统,制造绿色燃料。这样不仅没有向大气中排放更多二氧化碳,反而创造了循环碳经济。”人造树叶将依靠捕获碳的植物(目前植物被用来从工业过程中吸收二氧化碳),将其“回收”成可持续燃料。

该团队2019年首次制造出一片人造树叶,但它是一种由玻璃和金属构成的笨重结构,配备一个底座。不过,研究人员今年宣布,他们研发出了一种体积更小、更像树叶、能在河上漂浮的结构。这片叶子和前驱气体以及水一起被密封在一个透明的塑料袋里,然后在河上漂浮了几天。之后,研究人员打开袋子,测试光合作用产生的气体。

人造树叶本身由钙钛矿构成。天然存在的钛酸钙就是典型的钙钛矿。1839年,德国矿物学家古斯塔夫·罗斯在俄罗斯乌拉尔山脉发现了钙钛矿,以俄罗斯同行列夫·佩罗夫斯基的名字为其命名。现代钙钛矿有不同的化学成分,有些可以充当太阳能电池。

安德烈说:“这些材料很新,而且令人兴奋。”实验室测试显示,钙钛矿或许比传统太阳能电池板中使用的硅更高效。钙钛矿甚至可以取代未来太阳能电池板中的硅,因为制造轻薄柔软的钙钛矿板层更容易。另一个优点是,钙钛矿产生的电流和电压比硅更高,这有助于实现能量更强的反应过程,就像人造树叶研究中的那样。

不过,尽管这一切听起来很有希望,但在地球表面用太阳能发电存在一个无法克服的问题:大气。大气层中的分子把一半左右的阳光散射到直射光束之外。正是这些跳跃的分散光线构成了我们所熟悉的蓝天。太空没有大气层,所以阳光未经稀释。太空竞赛之初,航空航天工程师们就发现,将一块太阳能电池板送入轨道后,它的自动发电量是地球上的两倍左右。因此,几十年来,工程师和梦想家一直希望将太阳能发电卫星送入轨道。

原理很简单。一群携带巨大太阳能电池板的航天器收集阳光,然后将其转化为电力,并将电能传回地球。如何通过无线方式在太空中传播能量?事实证明,这种做法已经有几十年历史了。自上世纪60年代以来,每一颗通信卫星都用一块太阳能电池板发电,然后将其转化为微波信号并发送到地球。在地面上,天线将微波转化为电能并读取信号。欧洲航天局的桑贾伊·维金德兰说:“天基太阳能发电过程涉及的物理学原理(与地球上)完全相同,但规模大得多。”他正在协调拟议中的Solaris项目,以研究天基太阳能发电的可行性。

自太空竞赛开始以来,每隔几十年,人们就会对太空太阳能的想法进行研究,但每次结果都一样:发射如此大的卫星的成本让人望而却步。但现在情况不同了。

美国国家航空航天局(NASA)前物理学家、现任阿泰米斯创新管理解决方案公司总裁的约翰·曼金斯说:“2015年,奇迹发生了。‘猎鹰9号可回收火箭首次飞行。”曼金斯是太阳能卫星专家,几十年来参与了许多可行性研究。随着真正的可回收火箭的出现,将设备送入轨道的成本迅速下降。曼金斯预计,发射成本已经从每千克1000美元降至300美元左右。他说:“这是太空太阳能的圣杯。它不仅是有可能发生的,而且在今后5到7年一定会发生。”

其他人也同样乐观。2021年9月,弗雷泽-纳什咨询公司应英国政府要求发布了一份报告,其结论是:“太空太阳能发电在技术上是可行的,价格可以承受,而且既能为英国带来可观的经济效益,又能支持净零排放。”今年8月底,欧洲航天局也发表了太空太阳能研究报告,得出了类似的结论。因此,欧洲航天局在11月要求其成员国资助一项为期3年的太阳能卫星可行性研究,详细探究此类系统在商业上是否可行。维金德兰说:“Solaris将检验这种做法是否真的可行,在我们申请数十亿欧元资金之前,这很有必要。”

无论太阳能卫星是否进入轨道,毫无疑问的是,太阳能将主导未来的能源版图。正如当前的乌克兰危机所表明的,这些卫星可以提升能源安全,并减少碳排放。

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