構想中的軌道反射器可在黃昏和黎明時分提高太陽能利用率
清晨和傍晚的電力需求會激增,而此時太陽能板卻恰好無能為力。但蘇格蘭的研究人員說,軌道發射成本越來越低,巨型天基反射鏡很快就能成為這些時段的可行供電方式。
你可以把它看作是空間太陽能的另一種方式–但不是把巨型光伏陣列放在天上,然後試圖把電能傳送到地球上,而是在軌道上懸掛大型鏡面結構,用它們把更多的太陽能轉送到地面,供地面設施收集。
事實上,赫爾曼-奧伯斯(Hermann Oberth)在1929 年出版的《太空飛行之路》(Ways to Spaceflight)一書中就提出類似的建議,他認為這是一種潛在的方法,可以為城市提供照明,保護農作物免受一夜霜凍的侵襲,甚至可以讓遙遠的北半球整個地區保持無冰狀態,使其在寒冷的冬季更適合居住。
不過,他也警告說,這種裝置可能被用於將太陽能集中到較小的區域,以達到軍事目的:”可以用它來爆炸彈藥工廠,製造龍捲風和雷暴,摧毀行軍部隊及其後備力量,燒毀整個城市,一般來說會造成最大的破壞。”但我們暫且不談這個。
反射鏡將陽光引向表面的大型太陽能電池陣列,然後在超出範圍時轉向別處圖/格拉斯哥大學
俄羅斯科學家早在1993 年就證明了這個概念的可行性,當時他們的20 公尺(66 英尺)Znamya-2 太空鏡向地球反射了一道微弱的閃光,從歐洲部分地區的夜空中都能看到這道閃光。
格拉斯哥大學的一個研究小組認為,現在正是對太陽能反射鏡進行認真研究的好時機,因為SpaceX 和其他私人公司承諾,他們很快就會把軌道發射的每公斤成本降低到足夠低的水平,從而使這些反射鏡具有商業價值。
研究人員稱為”太陽空間”(Solspace)計畫的大致構想是這樣的:將一些反射器衛星送入高空太陽同步軌道,每天在大致相同的地面路徑上運行。選擇這條路徑是為了讓盡可能多的大型地面太陽能發電場都能看到這些反射鏡。
利用電動陀螺儀在軌道上瞄準大型反射器
每顆衛星將部署一個由鍍鋁Kapton 製成的六角形反射器,每個邊長250 公尺(820 英尺),總面積為162,380 平方公尺(175 萬平方英尺)。
這些反射器可以在軌道上使用四個電動控制矩陀螺儀進行轉向和瞄準,這些陀螺儀呈現金字塔結構;透過加速和減速這些陀螺儀,可以使整個反射器向任何方向旋轉。
團隊表示,反射鏡的軌道高度約為900 千米(約為國際太空站高度的兩倍),每次反射鏡經過可照亮地表上10 平方千米(3.9 平方英里)的區域約17 分鐘,每次經過可為地表提供約34-36 兆瓦時的能量。這樣,大型太陽能發電場(如澳洲北部的太陽電纜公司)就能以它們所能達到的任何效率捕獲這些能量,在需求高峰期發電,否則它們就什麼也做不了。
只要能提供有用的電力,太陽空間反射器就會聚焦在一個太陽能電池陣上,然後旋轉離開,將能量轉向太空,直到經過下一個大型太陽能電池陣,希望每天都能為許多太陽能電池陣提供服務,甚至有可能成為規劃新太陽能電池陣時的一個考慮因素。如果能夠規劃出一條每天照射13 個大型太陽能發電場的路線,再加上5 個軌道反射器,該系統每天就能提供284 兆瓦時的太陽能。
這會造成光害幹擾嗎?Solspace團隊認為不會。專案團隊成員Onur Çelik 在《對話》中寫道:”即使在最亮的時候,我們估計每個反射器的照明水平也只能持續幾分鐘,不會超過陰天的水平。這意味著,除非你離太陽能發電場非常近,否則大部分時間可能根本無法察覺到照明,尤其是在黎明/黃昏時分,因為此時的天空與夜晚相比已經相當明亮。”
多個軌道反射器使暮色變成太陽能日光
透過這種方式,軌道反射器可以在黎明/黃昏時提供電能,與鋰電池等短期電網級儲能解決方案所提供的能量相抗衡或增強其能量。作為參考,電池目前的平準化儲存成本(LCoS)約為每兆瓦時儲存和釋放能量314 美元。
Solspace 計畫的目標是,假設運作壽命約為20 年,發射成本約為每公斤232 美元,空間反射太陽能發電的平準化能源成本(LCoE)接近70 美元。
根據《喬治城安全研究評論》,SpaceX 公司的可重複使用獵鷹9 號火箭已將軌道發射的價格降至每公斤約1,520 美元。馬斯克(Elon Musk)預測,一旦多艘可重複使用的”星際飛船”(Starship)開始高頻率發射,其成本也將在2-3 年內下降90%。
Solspace團隊在一篇新論文中研究了軌道反射系統的實用性
現在,SpaceX確實已經取得了令人驚嘆的成果,開闢了各種軌道機會,而這些機會在原本的NASA的發射計劃下可能永遠不可能實現。因此,雖然這個時間表幾乎肯定是非常樂觀的,但似乎可以合理地預計,Solspace 公司所需的每公斤232 美元的發射成本將在不遠的將來實現。
因此,如果這些軌道太陽能反射器只是為世界各地的一些大型太陽能發電場供電,那麼它們肯定是可行的。至於其他用途,例如擊退霜凍、給農作物多一點陽光、城市照明等等……誰知道呢?誰知道呢,這些東西一旦投入使用,也許就能派上用場了。
這項研究已在《太空研究進展》(Advances in Space Research)雜誌上公開發表。