阿西莫司

据世界经济论坛网近日报道，英国政府正考虑投资160亿英镑，建设空间太阳能电站。空间太阳能电站是英国政府“净零创新组合”项目将投资的技术之一，被视为可助英国到2050年实现净零排放的潜在措施之一。美国加州理工学院科学家也正在开展一项具有先锋性的“空间太阳能发电项目”，而且美国海军研究实验室2020年在太空测试了太阳能模块和能量转化系统。此外，中国也在建造自己的空间太阳能发电站。那么，太空中的太阳能发电站将如何运作，能带来哪些好处，又面临哪些挑战呢？优点多多据世界经济论坛网报道，到2050年，全球能源需求预计将增长近50%。位于轨道上的空间太阳能电站一天24小时都可以接收太阳光，因此可以持续发电，这比地球上的太阳能发电系统更具优势——后者只能在白天发电，并且受天气影响。因此，空间太阳能发电可能是帮助满足全球能源部门日益增长的需求和应对全球气温上升的关键。空间太阳能发电需要在太空收集太阳能并将其传送到地球上。为此，空间太阳能发电系统需要一颗太阳能卫星，即一台装有太阳能电池板的巨型航天器。这些电池板可以发电，然后通过高频无线电波将能量无线传输到地球，而一种名为硅整流二极管天线的地面天线将把无线电波转换成电力，再将其传送至电网。前景可期利用漂浮在太空中的巨型太阳能发电站向地球发射大量能量，这听起来像科幻小说——20世纪20年代，俄罗斯科学家康斯坦丁齐奥尔科夫斯基首次提出了这个设想。在很长一段时间里，它成为作家们的灵感来源。1941年著名科幻作家艾萨克阿西莫夫发表的短篇小说《推理》，就描述了这样一个能收集太阳能、并通过微波向行星传递能量的空间站。此后，基于太空的太阳能利用就成为一个长盛不衰的想法，而最近的技术进步使科学家们对其前景更为乐观。这些技术包括轻型太阳能电池、无限能量传输和太空机器人技术等。建造空间太阳能发电站首先需要解决的是太阳能电池板的重量问题，不过，这已经通过开发超轻太阳能电池得到了解决。2017年，美国加州理工学院的研究人员提出了一个模块化发电站的设计，该发电站由数千块超轻型太阳能电池瓦组成。它是迄今为止最轻的集成多功能原型机，能够收集阳光，将其转换成射频电能，然后以受控光束无线传输这种能量。另外，空间太阳能电站基于模块化设计，大量太阳能组件可由机器人在轨道上组装而成。此外，把所有这些组件运入太空难度大、成本高，但像美国太空探索技术公司（SpaceX）这样的公司正在努力改变这种状况，其研制出的“猎鹰”火箭可重复使用，功能更强大的“星舰”火箭也即将进入关键的试飞阶段，有望大大降低空间发电成本。仍有挑战弗雷泽-纳什咨询公司最近的一份报告认为，英国投资100多亿英镑建设空间太阳能电站是可行的。该项目预计将从规模试验开始，2040年建成并投入使用。届时这颗太阳能卫星的直径将达到1.7公里，重约2000吨。地面天线的面积约为87平方公里。据美国消费者新闻与商业频道网站报道，中国正在考虑建设太阳能发电站的计划，包括在2021年至2025年建设中小规模平流层太阳能电站并发电；2025年后开始大规模空间太阳能电站系统相关工作。根据有关专家组论证建议，中国应力争在未来十余年完成空间超高压发电输电及无线能量传输试验验证，实现“2030年开始建设兆瓦级空间太阳能试验电站，2050年前具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力”的中、远期目标。但世界经济论坛网的报道指出，即使我们成功建造了一个空间太阳能电站，其运行也面临若干实际挑战，例如太空碎片可能会破坏太阳能电池板。太空碎片是废弃的运载火箭或航天器部件，它们在地球上空数百公里处漂浮，由于太空碎片以25266公里/小时的极快速度在近地轨道上飞行，因此一旦发生碰撞，可能会对卫星或航天器造成严重破坏。另一个问题是，从太阳能卫星向地面传输能量难度很大，科学家们需要提高无线能量传输的效率，按照现有技术，收集到的太阳能只有一小部分可到达地球。

美国能源部布鲁克海文国家实验室(Brookhaven)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos)于近日宣称，其研究结果表明透明薄膜具有在相对较大面积内吸收光并生产电荷的能力。同时，两家实验室的专家还在《化学材料》(Chemistry of Materials) 期刊上发表了相关文章，称此材料可用于生产透明太阳能电池板或太阳能窗户，从而在实际应用中将吸收的太阳能转换至可使用电力。 六边形的边密集地排列，可吸收强烈光线，也可以方便地进行发电 　　据称，此种材料是在半导体聚合物中注入富含丰富碳元素的富勒烯(fullerenes)而制成的。在监控条件下，这种材料可以在数微米大的面积上进行自组装并形成如蜂窝状的可重复网格。此蜂窝薄膜是在聚合物/富勒烯混合溶液中滴入微米大小的水滴使其遍布溶液表层而制成的。随着溶剂的蒸发，此聚合物逐渐形成六角型图案，即蜂巢状外观。 　　“虽然这种蜂窝状图案的薄膜此前曾使用聚苯乙烯等传统聚合物进行制作，但此文章首次提出半导体及富勒烯的混合材料可以有效地吸收光线、产生电荷并进行分离电荷。”布鲁克海文国家实验中心的功能纳米材料首席科学家及物理化学家米尔恰• 科特勒特表示(Mircea Cotlet)。 　　“此外，由于这种材料的聚合物链只在六角形的边缘处分布稠密，而其余的中心面积则分布非常薄且相对松散，因此其具有较高的透明性。分布稠密的边角处可以更容易地吸收光线并同时促进发电，而中心地带则由于无法吸收足够光线而保持相对透明。” 　　据CFN材料科学家Xu Zhihua先生表示，此大面积图案可应用在许多方面用来生产能源，包括太阳能窗户、透明太阳能电池板及光显示等。 　　此蜂窝结构的一致性已被诸多扫描探针和电子显微镜方法验证。此外，结构中的边缘位置、蜂窝中心及网格节点处的光学性质和生产电荷，也已经过共聚焦荧光时间分辨荧光显微镜的测试。 　　“溶剂蒸发速率越慢，所产出的聚合物就越紧凑，电荷传输效果也就越好，” 科特勒特在讨论聚合物的形成时指出，他还表示，材料的成型程度取决于溶剂的蒸发速率，同时也就决定了材料的电荷传输速率。 　　科特勒特总结道：“我们的工作使我们更深入地了解了蜂窝结构的光学特性。下一步将是使用这些蜂窝薄膜来制作透明柔性有机太阳能电池及其他设备。”

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