魅力無窮的太空發(fā)電站

高育紅

1876年，兩位英國科學(xué)工作者亞當(dāng)斯和戴首先發(fā)現(xiàn)：用硒半導(dǎo)體可以把太陽光直接轉(zhuǎn)變成電能。盡管這種轉(zhuǎn)變的效率只有百分之一。即用100瓦的太陽光能只能得到1瓦的電能，但這仍是一個歷史性的發(fā)現(xiàn)和突破!太陽光能的轉(zhuǎn)變效率至今仍停留在20％的水平，預(yù)計不久可提高到30％～40％。即使能進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，在地面，太陽能發(fā)電也只能“一班作業(yè)”，因為一天中只有白天陽光普照，遇到陰雨天連“一班作業(yè)”也實(shí)現(xiàn)不了。就是這“一班作業(yè)”也只是利用太陽光中很小的一部分能量。

1968年，時任美國利特爾咨詢公司太空業(yè)務(wù)主管的彼得·格拉澤，提出了在太空建立太陽能發(fā)電站的計劃。因為，在大氣層外的空間，沒有云霧，沒有塵埃，無氣候影響之?dāng)_，也沒有大氣的吸收和散射，接收到的太陽能比地面上強(qiáng)7～15倍。更重要的是太陽能電站進(jìn)入大氣層外的軌道時，能始終“跟蹤太陽”，做到“日不落”。一天24小時都能發(fā)電。從理論上說，在陽光充足的地球軌道上，太陽光在每平方米的面積上具有1336瓦的功率，如果在36000千米高的地球靜止軌道上，“架設(shè)”一條寬度為1000米的太陽電池陣環(huán)帶，假定其轉(zhuǎn)換效率達(dá)100％，那么它在一年中接收到的太陽能，幾乎等于目前地球上已知可開采石油儲量所蘊(yùn)含的能量總和，而且這種太陽能取之不盡，用之不竭，既清潔又環(huán)保，其潛在的價值對于正面臨能源短缺、生態(tài)和環(huán)境惡化的地球人類來說，具有重大的戰(zhàn)略意義?？臻g太陽能發(fā)電站魅力無限，已引起全世界的高度關(guān)注。

何謂空間太陽能發(fā)電站

什么是空間太陽能發(fā)電站?它是指在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過無線方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。相對于目前已在空間應(yīng)用的衛(wèi)星和空間站等太陽能電源系統(tǒng)，其規(guī)模和能力要大得多。

空間太陽能發(fā)電站主要包括三大部分：太陽能發(fā)電裝置、能量的轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置及地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。太陽能發(fā)電裝置能將太陽能轉(zhuǎn)化成為電能；能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波或激光等形式(也可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為激光)，并利用天線向地面發(fā)送能束：地面接收系統(tǒng)接收空間發(fā)射來的能束，再通過轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能。整個過程經(jīng)歷了太陽能一電能——微波(激光)——電能的能量轉(zhuǎn)換過程。顯然，空間太陽能發(fā)電站的建造和運(yùn)行過程還必須包括大型運(yùn)載系統(tǒng)和復(fù)雜的后勤保障系統(tǒng)。

幾起幾落

早在1968年，美國科學(xué)家格拉澤等人就提出了空間太陽能發(fā)電站的計劃。他們設(shè)想在距地面35800千米的軌道上建造空間太陽能發(fā)電站。其太陽能帆板的空間面積為5千米×10千米，重5萬噸，太陽能電站的電力用微波傳遞到地面。但直到上世紀(jì)70年代第一次石油危機(jī)時，美國航空航天局才對其可行性進(jìn)行論證，結(jié)論是科學(xué)上可行，但實(shí)踐中具有無法克服的困難(技術(shù)上和財力上)，估計建造一個5千兆瓦級的空間太陽能發(fā)電站需耗資3000億美元至10000億美元，為此只得作罷。到20世紀(jì)90年代，雖然航天技術(shù)、現(xiàn)代技術(shù)已有巨大發(fā)展，但在高昂的成本面前，決策者只得暫時放棄對空間太陽能發(fā)電站的研制。

隨著石油價格的飛漲，能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)問題日漸突出，于是空間太陽能發(fā)電站再次成了關(guān)注的重點(diǎn)。美國、歐洲和日本競相開展各種相關(guān)技術(shù)和方案的研究。國際無線電科學(xué)聯(lián)合會發(fā)起的空間太陽能發(fā)電站的探索研究組成立于2001年，該組織策劃的《太陽能發(fā)電衛(wèi)星的白皮書》于2005年發(fā)表。2007年在空間太陽能發(fā)電站的研制方面有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，如美國國家安全航天局(NSSO)在互聯(lián)網(wǎng)上面向全球?qū)＜艺骷臻g太陽能發(fā)電站的設(shè)計方案(有170多位專家作出響應(yīng))、美國航天學(xué)會還宣布成立“天基太陽能未來能源聯(lián)盟”(SSAFE)。

航天學(xué)會的代表馬克·霍普金斯指出，太陽能的潛力比地球上所有能源的總和還要大。其能量比全球目前所使用的能源還多幾萬億倍。目前人們對空間太陽能發(fā)電站已達(dá)成共識：它可以為全世界提供清潔、安全、可靠、取之不盡用之不竭的長期穩(wěn)定的能源。這就為空間太陽能發(fā)電站的實(shí)施打下了基礎(chǔ)。雖經(jīng)幾起幾落，空間太陽能發(fā)電站終將在數(shù)十年后浮出水面，造福人類。

典型方案

日本：從1987年就開始研究空間太陽能發(fā)電，并于1990年成立了“SPS2000”空間太陽能系統(tǒng)實(shí)用化研究小組，其目標(biāo)是在2000年。在圍繞地球軌道上組建輸出10000千瓦的太陽能發(fā)電衛(wèi)星，衛(wèi)星是一個正三棱柱體，邊長335米。柱長303米?？傊?401噸，采用分部發(fā)射，然后由機(jī)器人和自動組裝機(jī)進(jìn)行組裝，建成后也由機(jī)器人維護(hù)保養(yǎng)。

由于多種原因，這一計劃未能最終實(shí)觀，但研制工作并沒有中斷過?，F(xiàn)考慮2010年起開始發(fā)射空間太陽能電站的部件，直至2040年。預(yù)計將建成100萬千瓦和500萬千瓦的空間太陽能發(fā)電站，并通過微波，經(jīng)1千米長的天線將微波能發(fā)射回地球。預(yù)計空間太陽能發(fā)電站的發(fā)電成本為每千瓦小時23日元。

日本還提出了分布式系繩衛(wèi)星的方案。它由100米×95米的單元板和衛(wèi)星平臺組成，在單元板和衛(wèi)星平臺間用4根2～10千米的系繩懸掛在一起。單元板為太陽電池?？傊?2.5噸，微波能量傳輸功率為2.1兆瓦。整個空間太陽能電站由25塊單元板組成子板，再由25塊子板組成。按這個方案，電站組裝和維護(hù)十分方便，但重量仍偏大。

美國：美國航空航天局的新構(gòu)想是在空間建造兩種大型太陽能發(fā)電站。即“太陽塔”和“太陽碟”。“太陽塔”由一組人造衛(wèi)星構(gòu)成，每顆衛(wèi)星提供200～400兆瓦功率，它們在赤道上空12000千米的低地球軌道上運(yùn)行。可以同時向幾個不同的地面位置提供電能。“太陽碟”可發(fā)射到距地球表面3.6萬千米的地球同步軌道上，能24小時不間斷地將太陽能輸送到地面上的一個指定地點(diǎn)，其衛(wèi)星外形與“太陽塔”相似，但發(fā)電量可達(dá)2000兆瓦。這兩種空間太陽能電站由大量標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成，可以在太空中自動裝配，無須航天員動手。計劃20年內(nèi)能投入運(yùn)行。

美國還提出了“集成對稱聚光系統(tǒng)”方案，主要采用先進(jìn)的輕型薄膜聚光設(shè)計概念，可以大大減小系統(tǒng)的重量，并采用了更高效的能量轉(zhuǎn)化傳輸系統(tǒng)。

歐洲：于1998年提出了太陽帆塔的概念，該方案的基礎(chǔ)是美國提出的“太陽塔”，但采用了許多新技術(shù)，其中最主要的是采用了可展開的輕型結(jié)構(gòu)——太陽帆，能大大降低重量，減小裝配難度，尺寸為150米×150米，發(fā)射入軌后可自動展開。在低地球軌道進(jìn)行組裝，再通過電推力器轉(zhuǎn)移至地球同步軌道。

三大難題

空間太陽能發(fā)電站是一項耗資巨大、高風(fēng)險、高回報的戰(zhàn)略性航天工程。按照現(xiàn)有的航天技術(shù)水平與能力，要將它變成現(xiàn)實(shí)，至少還需攻克三大難題：

一是如何把龐大的空間電站發(fā)射到太空。估計若需獲得50億瓦電力，發(fā)電站總量將達(dá)4000多噸。只能采用“化整為零，集零成整”的辦法。

二是如何把微波能量傳回地球?，F(xiàn)有幾種方案。一種是將電能通過微波由一架小飛機(jī)運(yùn)回地球，這是日本等國的打算。另一種是準(zhǔn)備在同步軌道上裝一面直徑為1千米的鏡子，將呈微波狀態(tài)的電能反射傳輸?shù)剿璧牡胤?，這是法國人的設(shè)想。

三是如何保證地面安全及保護(hù)地球環(huán)境。人們擔(dān)心，萬一強(qiáng)大的微波技術(shù)失控，會不會對人類的健康造成影響?會不會干擾地球的通信聯(lián)系?科學(xué)家們認(rèn)為只要通過地面信號控制微波發(fā)射裝置，使它始終對準(zhǔn)地面接收站，并將微波泄漏量控制在國際安全標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，就不會影響人類的健康和自然界的生態(tài)平衡。同時，美國科學(xué)家還將設(shè)計失效保險裝置，萬一微波能量失控，可讓其在太空中立即自行消散。

此外，大幅度降低進(jìn)入太空的運(yùn)輸成本，極大地降低技術(shù)風(fēng)險等，也都對建造空間太陽能發(fā)電站產(chǎn)生重要影響，不可等閑視之。