“太空三峡”来了！光伏电站要“上天”了

光伏电站建到太空上了！

刘慈欣在他的科幻小说《中国太阳》中，构想了这样一个装置：一个在太空中的巨大镜子，能够通过反射太阳光调节区域气候。

最近，这个科幻作家脑海里的太空光伏电站，要变为现实了！

6月21日消息，西安电子科技大学段宝岩院士带领的“逐日工程”，全链路、全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过验收，这个时间比原定的技术路线节点提前了近三年。

最终将计划在距离地球表面3.6万公里的高空，建造“太空三峡”。

一、 太空三峡

据中国火箭的开发相关人员，中国为了在静止轨道上建设太空光伏电站系统，正准备利用新的超重量级的火箭发射的计划。

预计2030年发射的“长征9号”是中国目前正在开发的，重量约878吨，全长约57米的超重型火箭。该火箭的载重量在高度约2,000公里的地球低轨道(LEO）可载重140 ~ 150吨，投入月球转移轨道（TLI)时可载重50 ~ 53吨。

与2020年11月中国发射的月面探测器“嫦娥5号”的约8.2吨相比，可以看出其规模空前。

据长征系列总设计师龙乐豪介绍，长征9号将用于“太空太阳能发电系统”的建设。

在宇宙空间设置太阳能发电系统的优点很多：

1、发电量几乎不受天气和季节的影响。太阳能在地面的利用率并不高，容易受很多因素的影响，如云雨、季节、昼夜更替以及大气层的吸收和散射等。

2、在太空中对太阳能转换效率可以提高14倍。在中国西北地区，一平方米太阳能电池可产生0.4千瓦电，而在日照较少的重庆，仅产生0.1千瓦电。

但如果是在脱离了对流层的太空中，能产生10至14千瓦的电力。但在距离地球表面约3.6万公里的地球同步轨道上，发电功率可达10~14千瓦。

早在1968年，美国航空航天工程师彼得·格拉塞（Peter Glaser）在《科学》杂志上发表了《来自太阳的能量：它的未来》一文，文中提出了“太阳能发电卫星”。

科学家提出，用卫星在太空中吸收太阳能，然后再把能量转化为微波传送回地球。

2012年以来，在NASA创新概念项目支持下，约翰•曼金斯教授提出了“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”阿尔法（SSPS-ALPHA）方案。

之后，美国诺格公司与加州理工大学签署了一项总额1750万美元的空间太阳能电站技术研发合同。与此同时，印度、俄罗斯、英国、法国的科研工作者，亦在空间太阳能电站研究领域持续发力。

中国太空光伏电站将以四步走的设想向前推进：

第一步是2011年到2020年，这一阶段是进行太空电站的验证与设计，

第二步是2021年到2025年，这一阶段将建成第一个低轨道空间电站系统，

第三步是2026年到2040年，这一阶段将发射太空电站系统并完成组装，

第四步是2036年到2050年，这是正式实现电站商业运营的阶段，中国太空光伏电站设计使用寿命是30年。

二、已经在建了

早在2010年8月，在中国空间技术研究院举办的空间太阳能电站技术研讨会上，12位院士和百余位相关领域专家，提出了我国空间太阳能电站发展路线图。

根据路线图，2022年将实施小型发电测试，2030年左右将发电量提高到兆瓦规模，到2050年具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力。

专家已经提出了预算，建设这个太空光伏电站预计要花费8万亿人民币，相当于上百个三峡水电站的建设成本。

2014年，工信部、发改委、科技部等16个部委组织了来自国内的130余位专家开展了近一年的论证工作，论证组最终完成了《中国太空发电站发展规划及关键技术体系规划论证报告》。

与此同时，西安电子科技大学段宝岩院士团队提出了欧米伽（OMEGA）空间太阳能电站设计方案。

这一设计方案与美国的阿尔法（ALPHA）设计方案相比，具备三个优势：控制难度下降，散热压力减轻，功质比（天上系统的单位质量所产生的电）提高约24%。

2018年12月23日，“逐日工程”启动，拉开了“逐日工程”空间太阳能电站的户外地面验证挑战序幕。

2022年6月5日，从西安电子科技大学段宝岩院士带领的“逐日工程”研究团队传来好消息，世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统顺利通过专家组验收。

测试成功时间比原定技术路线节点，提前了近三年。

这一验证系统突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流、灵巧机械结构设计等多项关键技术。

三、新材料、新运载

空间太阳能发电站想要研制成功，还必须要解决许多技术方面的难题。

这些难题包括：

1、火箭的运载能力。

目前的我国的火箭运载能力就像前面所说的长征9号运载能力140吨-150吨左右，而太阳能发电站的重量将达到10000吨左右，因此大约需要100架左右的长征9号机运载火箭。

2、是如何利用微波传送能源。

虽然空间太阳能电站功率很大，但由于微波能量传输距离远（36000公里），根据微波能量传输特性，实际接收天线的能量密度比较低。

还有就是新材料运用，新型运载技术的发明，特殊的结构、空间组装和姿态控制技术的突破，电源管理和热控技术的发展等等。

虽然面临重重阻碍，但我们已经意识到，空间太阳能光伏发电系统的建设对于未来的居民，拥有长期稳定的能源供给来说意义非常重大。

毫无疑问，这是一项十分前沿的能源技术，一旦实现将改写现有的能源格局。

此外，如果太空中到处都是太阳能发电空间站，或许会造成空间资源短缺、拥堵到相撞，并影响其它卫星的发射和运营。

未来的太空资源将更加珍贵。

4 中国太阳能光伏

没有卡脖子

经过十几年的风风雨雨，中国在光伏走到了世界前沿，成为新时代的中国名片。

中国光伏制造业，从硅料、硅锭、晶圆、电池、组件，都占据全球至少80%的产能。其中最低的是硅料（79.4%），最高的是硅锭（96.8%）。

IEA进一步预计，到2025年，中国某些环节产能占比，将达95%甚至以上。

IEA选择了用“dominate”（统治、支配、主宰），来形容中国光伏的行业地位。

太阳能科技公司隆基绿能总经理王英歌曾表示：

我们经常担心某一个技术被卡脖子，但是现在我可以自豪的告诉大家，太阳能光伏技术，我们从全产业链来讲，没有任何一个卡脖子的环节，这个就是我们可以和高铁，甚至航天，一些高端技术一样，可以国产化，而且无论产业化水平，还是面向未来的储备，我们都居于全球的领先水平。

광볼트 발전소가 우주에 건설되었다!
유자흔은 그의 공상 과학 소설인 에서 이런 장치를 구상했다. 우주에 있는 거대한 거울로 태양광을 반사하여 지역 기후를 조절할 수 있다.
최근에 이 공상 과학 작가의 머릿속에 있는 우주 광볼트 발전소가 현실화될 것이다!
6월 21일 소식에 따르면 서안전자과학기술대학 단보암원사가 이끄는'매일공정'은 전체 체인, 전체 시스템의 공간 태양광발전소 지면 검증 시스템이 검수를 통해 이 시간은 원래 정한 기술 노선 노드보다 최근 3년 앞당겨졌다.
최종적으로 지구 표면에서 3.6만 킬로미터 떨어진 고공에 우주 삼협을 건설할 계획이다.
1. 우주 삼협
중국 로켓 개발 관계자에 따르면 중국은 정지궤도에 우주광볼트발전소 시스템을 건설하기 위해 새로운 초중량급 로켓 발사 계획을 준비하고 있다.
2030년에 발사될 예정인 장정 9호는 중국이 현재 개발 중인 것으로 무게는 약 878톤, 전체 길이는 약 57미터의 초중형 로켓이다.이 로켓의 적재량은 고도 약 2000킬로미터의 지구 저궤도(LEO)에서 140~150톤, 달이동궤도(TLI)에 투입될 때 50~53톤을 적재할 수 있다.
2020년 11월 중국이 발사한 월면탐지기'창어5호'의 약 8.2톤에 비하면 그 규모는 전무후무한 것으로 볼 수 있다.
장정 시리즈 총디자이너 용락호에 따르면 장정 9호는 우주 태양열 발전 시스템의 건설에 쓰일 것이다.
우주 공간에 태양열 발전 시스템을 설치하는 장점은 매우 많다.
1. 발전량은 날씨와 계절의 영향을 거의 받지 않는다.태양에너지는 지면에서 이용률이 높지 않고 구름, 계절, 주야 교체와 대기층의 흡수와 산란 등 많은 요소의 영향을 받기 쉽다.
2. 우주에서 태양에너지 전환 효율을 14배 높일 수 있다.중국 서북지역에서 1평방미터의 태양전지는 0.4킬로와트의 전기를 생산할 수 있지만, 일조가 비교적 적은 충칭에서는 0.1킬로와트의 전기만 발생한다.
그러나 대류층을 벗어난 우주에서 10~14킬로와트의 전력을 생산할 수 있다.그러나 지구 표면에서 약 3.6만 킬로미터 떨어진 지구 동기 궤도에서 발전 전력은 10~14킬로와트에 달한다.
일찍이 1968년에 미국 항공우주 엔지니어 피터 그라세(Peter Glaser)는 《과학》지에 《태양에서 온 에너지: 그것의 미래》라는 문장을 발표했는데, 문장에서 《태양에너지 발전 위성》을 제기하였다.
과학자들은 위성으로 우주에서 태양에너지를 흡수한 후에 에너지를 마이크로파로 바꾸어 지구로 전송할 것을 제기했다.
2012년 이후 NASA 혁신 개념 프로젝트의 지원 아래 존 만킨스 교수는'임의의 대규모 상호 제어 진식 공간 태양열 발전소'알파(SSPS-ALPHA) 방안을 제시했다.
이후 미국 노그는 캘리포니아 이공대학과 총 1750만 달러의 공간 태양에너지 발전소 기술 연구 개발 계약을 체결했다.이와 함께 인도, 러시아, 영국, 프랑스의 과학 연구자들은 공간 태양에너지 발전소 연구 분야에서 지속적으로 힘을 발휘하고 있다.
중국 우주 광볼트 발전소는 4보의 구상으로 앞으로 추진할 것이다.
첫 번째 단계는 2011년부터 2020년까지입니다. 이 단계는 우주발전소의 검증과 설계를 진행하는 것입니다.
두 번째 단계는 2021년부터 2025년까지 이 단계에 첫 번째 저궤도 우주발전소 시스템을 건설한다.
세 번째 단계는 2026년부터 2040년까지 이 단계에서 우주발전소 시스템을 발사하고 조립을 완성한다.
네 번째 단계는 2036년부터 2050년까지이다. 이것은 정식으로 발전소의 상업 운영을 실현하는 단계이고 중국 우주 광볼트 발전소의 설계 사용 수명은 30년이다.
2. 이미 건설 중입니다.
일찍이 2010년 8월에 중국공간기술연구원에서 개최된 공간태양광발전소 기술세미나에서 12명의 연구원과 백여 명의 관련 분야 전문가가 중국 공간태양광발전소의 발전 노선도를 제시했다.
로드맵에 따르면 2022년에는 소형 발전 테스트를 실시하고 2030년쯤 발전량을 메가와트 규모로 높여 2050년에는 지바급 상업공간 태양광발전소를 건설할 능력을 갖추게 된다.
전문가들은 이미 예산을 제시했는데, 이 우주 광볼트 발전소를 건설하는 데는 8조 위안이 들 것으로 예상되며, 이는 수백 개의 싼샤 수력발전소의 건설 원가에 상당한다.
2014년에 공신부, 발개위, 과학기술부 등 16개 부위원회는 국내에서 온 130여 명의 전문가를 조직하여 최근 1년간의 논증 업무를 전개했고 논증팀은 최종적으로 을 완성했다.
이와 함께 서안전자과학기술대학 단보암원사팀은 오메가(OMEGA) 공간 태양에너지 발전소 설계 방안을 제시했다.
이 설계 방안은 미국의 알파(ALPHA) 설계 방안에 비해 세 가지 장점을 가진다. 제어의 난이도가 떨어지고 산열 압력이 줄어들며 공질비(천상 시스템의 단위 품질로 인해 발생하는 전기)보다 약 24% 높아진다.
2018년 12월 23일에'날마다 공사'가 시작되어'날마다 공사'공간 태양에너지 발전소의 야외 지면 검증 도전의 서막을 열었다.
2022년 6월 5일, 서안전자과학기술대학 단보암원사가 이끄는'매일공정'연구팀으로부터 세계 최초의 전 체인 전 시스템의 공간 태양에너지 발전소 지면 검증 시스템이 전문가팀의 검수를 순조롭게 통과했다는 좋은 소식이 전해졌다.
테스트 성공 시간은 원래 정한 기술 노선 노드보다 3년 가까이 앞당겼다.
이 검증 시스템은 고효율 집광과 광전 전환, 마이크로파 전환, 마이크로파 발사와 파형 최적화, 마이크로파 빔 지향 측정과 제어, 마이크로파 수신과 정류, 정교한 기계 구조 설계 등 여러 가지 관건적인 기술을 돌파하고 검증했다.
3. 새로운 재료, 새로운 운반
우주 태양열 발전소가 연구 개발에 성공하려면 많은 기술 방면의 난제를 해결해야 한다.
다음과 같은 문제가 있습니다.
1. 로켓의 운반 능력.
현재 우리나라의 로켓 운반 능력은 앞에서 말한 장정9호 운반 능력과 같이 140톤-150톤 정도이고 태양광발전소의 무게는 10000톤 정도에 달할 것이기 때문에 대략 100대 정도의 장정9호 운반 로켓이 필요하다.
2. 어떻게 마이크로파를 이용하여 에너지를 전송하는가.
공간 태양에너지 발전소의 출력은 매우 크지만 마이크로파 에너지 전송 거리가 멀기 때문에(36000km) 마이크로파 에너지 전송 특성에 따라 실제 수신 안테나의 에너지 밀도는 비교적 낮다.
그리고 신재료 운용, 신형 운반 기술의 발명, 특수한 구조, 공간 조립과 자세 제어 기술의 돌파, 전원 관리와 열 제어 기술의 발전 등이다.
비록 심각한 장애에 직면했지만 우리는 공간 태양열 광볼트 발전 시스템의 건설이 미래의 주민들에게 장기적이고 안정적인 에너지 공급을 가지는 데 매우 의미가 크다는 것을 깨달았다.
의심할 여지없이 이것은 매우 최첨단 에너지 기술로 일단 실현되면 기존의 에너지 구조를 바꿀 것이다.
이 밖에 우주 곳곳에 태양열 발전 우주정거장이 있다면 공간 자원이 부족하고 충돌로 막혀 다른 위성의 발사와 운영에 영향을 미칠 수 있다.
미래의 우주 자원은 더욱 소중해질 것이다.
4 중국 태양광 광볼트
목이 안 걸렸어요.
십여 년의 풍파를 거쳐 중국은 광볼트에서 세계의 최전선에 이르러 새로운 시대의 중국 명함이 되었다.
중국 광볼트 제조업은 실리콘 재료, 실리콘 주괴, 결정원, 배터리, 부품에서 전 세계 최소 80%의 생산 능력을 차지한다.그중 가장 낮은 것은 실리콘 재료(79.4%), 가장 높은 것은 실리콘 주괴(96.8%)였다.
IEA는 2025년까지 중국의 일부 부분의 생산 능력이 차지하는 비례가 95% 심지어 이상에 달할 것이라고 한층 더 전망했다.
IEA는'dominate'(통치, 지배, 주재)로 중국 광볼트의 업계 지위를 형용했다.
태양에너지 과학기술회사 론기록에너지 왕영가 사장은
우리는 항상 어떤 기술이 목에 걸릴까 봐 걱정한다. 그러나 지금 나는 자랑스럽게 여러분에게 태양광 광볼트 기술은 전 산업 사슬에서 볼 때 목에 걸리는 부분이 하나도 없다. 이것이 바로 우리가 고속철, 심지어 우주, 일부 고급 기술과 마찬가지로 국산화할 수 있고 산업화 수준이든 미래를 향한 비축품이든 우리는 전 세계에서 앞장서는 수준이다.