论文部分内容阅读
400年前，人类便开始探索研究如何充分利用太阳能，太阳能这一取之不歇的清洁能源为人类社会的发展提供了无限可能。目前，利用太阳能的最主要的方式是光电转换。光电转换就是在地面或其他开阔地铺设太阳能电池板，并通过控制器将太阳能直接转化成可利用的交流电或直流电，也可以先把电放入蓄电池储存起来再利用。但是由于受大气层的影响，地面上太阳光能量密度比较低，目前应用的太阳能板的效率只有1/10～1/5，而且光电转换效率也比较低，因此在地面上能够利用到的太阳能十分有限。尽管光电转化效率已经从最初的10%提升到了现在的40%左右，但地面太阳能发电的实际效果还是不尽人意。
为了获得更多的太阳能，科学家们很早就将视野转向了太空，如果能从太空直接收集太阳能，那么可用量将是地球上的数十亿倍。早在20世纪60年代，人类就从科学角度论证了“基于太空的太阳能”的可行性。从理论上说，在地球同步轨道上，99%的时间可以接受太阳能辐射，每平方米太阳能可以产生1336瓦热量，而且从太空轨道往地面发射微波的概念也证实是可行的。1968年，美国科学家彼得·格拉就首先提出了建造空间太阳能电站的构想。
2014年，英国斯特拉斯克莱德大学的马斯米利亚诺·瓦斯勒博士在太空测试过一种装置，这种装置可用于收集能量并将能量以微波或者镭射束的形式传回地球。他说：“太空是收集太阳能的理想之地，拥有巨大优势。在太空中，可以在一天中的任何时刻收集太阳能，同时不会受到天气条件的制约。”
“三明治”与“梯级”的诞生
在美国日前公布的“从太空获得能量束”的宏伟计划中，美国海军工程师认为，比国际太空站大9倍的巨型太空太阳能模块可以从太空源源不断地聚焦太阳能并且发送至地面，为军事设施或者大小城市提供能量。美国海军研究实验室的著名航天器工程师保罗·杰斐博士领导的团队现在已设计建造出两种用于捕捉并传输太阳能的模块类型，并且在模拟太空环境的真空状态内进行了测试。
第一种模块类型采用“三明治”结构，所有的电子零件由两块方形的太阳能板夹住。当顶侧的太阳能发电面板吸收阳光后，中间的零件便会将能源转化成无线电波频，透过底板天线向地面目标传输能量。这种太阳能模块将由机器人在太空中进行装配，最终成为一颗直径达1千米的人造卫星。它功率强大，将太空收集的太阳能转化成无线电波频，传送回地球作为电力供应。
第二种模块类型为“梯级”模块，顶层的太阳能发电面板和底板摊开之后呈现出“之”字形。这将使太阳能电池板在无需加热的前提下，更有效地接收更多阳光的照射。机器人会在太空将多块方形板砌成巨型卫星，为地球供电。
“发射物体至太空的成本是非常高昂的，因此找到一种使组件变得更轻的方法是实现‘从太空获得能量束’计划的基本条件。与第一种‘三明治’模块的设计相比，‘梯级’模块的效果要高4倍。”杰斐指出，“我们正在尝试使用‘梯级’模块解决热量问题，‘之’字形可以使太阳能发电面板吸收更多的阳光但不会过热，现在已为‘梯级’模块设计申请专利。”
“折纸”太阳能面板阵列
美国航空航天局（NASA）的一个研究团队最近开发的一种新款太阳能电池面板造型相当新颖。该团队由加利福尼亚州帕萨迪纳NASA喷气推进实验室机械工程师布莱恩·特雷斯和位于犹他州普罗沃的美国杨百翰大学研究团队以及折纸专家罗伯特·朗等人组成。他们对如何通过运用日本折纸术原理有效地建造航天器部件进行了卓有成效的探索，共同开发的折纸太阳能面板阵列原型装置集技术与造型艺术于一体，十分引人注目。
设计概念中应用这种结构的装置能够折叠成直径8.9英尺（约2.71米）的原型，展开后能够扩展成82英尺（约25米）的阵列。为了验证这种设计概念，研究团队通过组合不同类型的折纸褶皱开发出桌面大小的原型，可以扩展到4英尺（约1.22米），比较理想地演示了概念中的设备折叠与扩展方式。折纸太阳能面板阵列的设计是艺术、文化与技术的一种独特结合，能够部署至各种航天器中，并应用至低成本的卫星中。特雷斯说：“目前该设备仍在原型阶段，团队开发的方向或许预示了未来航天科技设备的发展方向，即优美造型与实用性互相结合。”
特雷斯研发团队现在面临的一个重大难点是太阳能电池板不像纸张那样薄，为了适应每次折叠所累加的厚度，必须在设计方面重新思考很多事情。折纸太阳能面板阵列现在只是一个模型，而且由于太阳能电池板通常是由较厚的材料制成的，最终的解决方案可能需要一些调整。虽然目前该项目仍然在雏形阶段，但是研发人员正在将这种由艺术所带来的灵感变为现实。在此基础上，由一个绕轨道运行的发电厂利用微波向地球发射电能的梦想很有可能实现。另外，它也可以用在小型卫星上。
在此之前，NASA已经将执行太空任务的太阳能电池面板装置设计成简单的手风琴结构，以便在把它们运往太空时更加容易一些。但是特雷斯研发团队现在设计的折纸太阳能面板阵列原型更复杂更紧凑，能够在更小的空间内提供更大的表面面积，以捕捉尽可能多的太阳光线。与此同时，它可以收折成便携的小件，发射的时候缠绕在卫星上。折纸太阳能面板阵列便于在太空展开部署，它的展开不需要宇航员的协助。
事实上，折纸太阳能面板阵列的应用并不新鲜。受日本折纸术启发而制成的太阳能折叠板排所使用的技术之一被称为三浦折叠法，它的发明人是一位名字叫高丽三浦的日本天文物理学家，他有意将这种折叠法用于太阳折叠板。早在1995年，日本卫星“太空飞行器”的太阳能电池板就使用了高丽三浦开发的折纸褶皱。尽管如此，迄今这项技术仍处在初期研发的阶段，基本上是一个未被发掘的前沿领域，现在NASA的研发团队正在对它重新审视并完善其概念。
研究人员表示，折纸术的折叠原理将来有一天可能被用于太空太阳能的开发。因为折纸太阳能面板阵列可以被完全折叠，一次火箭发射便能够完成运送任务，而且不需要宇航员组装，所以到那时向太空运送太阳电池面板装置的难度将大大降低。
为了获得更多的太阳能，科学家们很早就将视野转向了太空，如果能从太空直接收集太阳能，那么可用量将是地球上的数十亿倍。早在20世纪60年代，人类就从科学角度论证了“基于太空的太阳能”的可行性。从理论上说，在地球同步轨道上，99%的时间可以接受太阳能辐射，每平方米太阳能可以产生1336瓦热量，而且从太空轨道往地面发射微波的概念也证实是可行的。1968年，美国科学家彼得·格拉就首先提出了建造空间太阳能电站的构想。
2014年，英国斯特拉斯克莱德大学的马斯米利亚诺·瓦斯勒博士在太空测试过一种装置，这种装置可用于收集能量并将能量以微波或者镭射束的形式传回地球。他说：“太空是收集太阳能的理想之地，拥有巨大优势。在太空中，可以在一天中的任何时刻收集太阳能，同时不会受到天气条件的制约。”
“三明治”与“梯级”的诞生
在美国日前公布的“从太空获得能量束”的宏伟计划中，美国海军工程师认为，比国际太空站大9倍的巨型太空太阳能模块可以从太空源源不断地聚焦太阳能并且发送至地面，为军事设施或者大小城市提供能量。美国海军研究实验室的著名航天器工程师保罗·杰斐博士领导的团队现在已设计建造出两种用于捕捉并传输太阳能的模块类型，并且在模拟太空环境的真空状态内进行了测试。
第一种模块类型采用“三明治”结构，所有的电子零件由两块方形的太阳能板夹住。当顶侧的太阳能发电面板吸收阳光后，中间的零件便会将能源转化成无线电波频，透过底板天线向地面目标传输能量。这种太阳能模块将由机器人在太空中进行装配，最终成为一颗直径达1千米的人造卫星。它功率强大，将太空收集的太阳能转化成无线电波频，传送回地球作为电力供应。
第二种模块类型为“梯级”模块，顶层的太阳能发电面板和底板摊开之后呈现出“之”字形。这将使太阳能电池板在无需加热的前提下，更有效地接收更多阳光的照射。机器人会在太空将多块方形板砌成巨型卫星，为地球供电。
“发射物体至太空的成本是非常高昂的，因此找到一种使组件变得更轻的方法是实现‘从太空获得能量束’计划的基本条件。与第一种‘三明治’模块的设计相比，‘梯级’模块的效果要高4倍。”杰斐指出，“我们正在尝试使用‘梯级’模块解决热量问题，‘之’字形可以使太阳能发电面板吸收更多的阳光但不会过热，现在已为‘梯级’模块设计申请专利。”
“折纸”太阳能面板阵列
美国航空航天局（NASA）的一个研究团队最近开发的一种新款太阳能电池面板造型相当新颖。该团队由加利福尼亚州帕萨迪纳NASA喷气推进实验室机械工程师布莱恩·特雷斯和位于犹他州普罗沃的美国杨百翰大学研究团队以及折纸专家罗伯特·朗等人组成。他们对如何通过运用日本折纸术原理有效地建造航天器部件进行了卓有成效的探索，共同开发的折纸太阳能面板阵列原型装置集技术与造型艺术于一体，十分引人注目。
设计概念中应用这种结构的装置能够折叠成直径8.9英尺（约2.71米）的原型，展开后能够扩展成82英尺（约25米）的阵列。为了验证这种设计概念，研究团队通过组合不同类型的折纸褶皱开发出桌面大小的原型，可以扩展到4英尺（约1.22米），比较理想地演示了概念中的设备折叠与扩展方式。折纸太阳能面板阵列的设计是艺术、文化与技术的一种独特结合，能够部署至各种航天器中，并应用至低成本的卫星中。特雷斯说：“目前该设备仍在原型阶段，团队开发的方向或许预示了未来航天科技设备的发展方向，即优美造型与实用性互相结合。”
特雷斯研发团队现在面临的一个重大难点是太阳能电池板不像纸张那样薄，为了适应每次折叠所累加的厚度，必须在设计方面重新思考很多事情。折纸太阳能面板阵列现在只是一个模型，而且由于太阳能电池板通常是由较厚的材料制成的，最终的解决方案可能需要一些调整。虽然目前该项目仍然在雏形阶段，但是研发人员正在将这种由艺术所带来的灵感变为现实。在此基础上，由一个绕轨道运行的发电厂利用微波向地球发射电能的梦想很有可能实现。另外，它也可以用在小型卫星上。
在此之前，NASA已经将执行太空任务的太阳能电池面板装置设计成简单的手风琴结构，以便在把它们运往太空时更加容易一些。但是特雷斯研发团队现在设计的折纸太阳能面板阵列原型更复杂更紧凑，能够在更小的空间内提供更大的表面面积，以捕捉尽可能多的太阳光线。与此同时，它可以收折成便携的小件，发射的时候缠绕在卫星上。折纸太阳能面板阵列便于在太空展开部署，它的展开不需要宇航员的协助。
事实上，折纸太阳能面板阵列的应用并不新鲜。受日本折纸术启发而制成的太阳能折叠板排所使用的技术之一被称为三浦折叠法，它的发明人是一位名字叫高丽三浦的日本天文物理学家，他有意将这种折叠法用于太阳折叠板。早在1995年，日本卫星“太空飞行器”的太阳能电池板就使用了高丽三浦开发的折纸褶皱。尽管如此，迄今这项技术仍处在初期研发的阶段，基本上是一个未被发掘的前沿领域，现在NASA的研发团队正在对它重新审视并完善其概念。
研究人员表示，折纸术的折叠原理将来有一天可能被用于太空太阳能的开发。因为折纸太阳能面板阵列可以被完全折叠，一次火箭发射便能够完成运送任务，而且不需要宇航员组装，所以到那时向太空运送太阳电池面板装置的难度将大大降低。
