空間太陽能開始走向人間

錢煒

隨著一紙供電協(xié)議的簽署，被列為“未來七大工程奇跡”之一的空間太陽能技術(shù)已經(jīng)悄然邁入現(xiàn)實(shí)。在國外對(duì)空間太陽能電站的研究進(jìn)行了幾十年之后，中國制定了發(fā)展空間太陽能的路線圖：今年啟動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究，2050年實(shí)現(xiàn)商用

在赤道上方高遠(yuǎn)的地球靜止軌道，環(huán)繞著晶瑩閃耀的太陽能電池板帶，它們充分地吸收陽光，全天候地從36000公里以外的太空，以微波的形式連續(xù)不斷地向地球輸送電力。這聽起來像是最近流行的科幻小說《三體》里的情節(jié)，但實(shí)際上已離我們并不遙遠(yuǎn)——再過5年，美國舊金山及北加利福尼亞地區(qū)的部分居民即有望率先用上來自太空的電能。

今年4月，美國太平洋天然氣及電力公司(PG&E)同意從2016年起，向Solaren公司購買200兆瓦的電力。Solaren公司的特別之處在于，他們將把太陽能電池板發(fā)射到地球軌道上，再將其生成的能量傳送至位于加州弗雷斯諾的電站，并最終輸入到常規(guī)電網(wǎng)。

盡管航天器和衛(wèi)星經(jīng)常使用太陽能電池板為自身提供能量，但大規(guī)模開發(fā)太空太陽能，并將其傳輸?shù)降厍蛏希瑓s是個(gè)新奇而令人興奮的想法。雖然空間太陽能技術(shù)被列為“未來七大工程奇跡”之一，但是Solaren公司的最新嘗試卻令人感到，這項(xiàng)屬于未來的技術(shù)已在現(xiàn)實(shí)中悄然邁開腳步。

40年前的構(gòu)想，40年后的預(yù)期

理論上計(jì)算，在陽光充足的地球靜止軌道上，每平方米太陽能能產(chǎn)生1336瓦熱量。如果在這一區(qū)域部署一條寬度為1000米的太陽能電池陣環(huán)帶，假定其轉(zhuǎn)換效率為100% ,那么，它在一年中接收到的太陽輻射通量差不多等于目前地球上已知可開采石油儲(chǔ)量所包含能量的總和。

相對(duì)于地面太陽能光伏發(fā)電，空間太陽能發(fā)電具有明顯的效率優(yōu)勢。中國空間技術(shù)研究院副院長李明研究員表示，由于太空中無空氣效應(yīng)，且可以24小時(shí)正對(duì)太陽照射角度，因此其發(fā)電效率幾乎相當(dāng)于地面太陽能光伏設(shè)備的5～6倍。

實(shí)際上，利用太空中的太陽能并非是近幾年出現(xiàn)的新構(gòu)想。早在1968年，美國科學(xué)家彼得·格拉賽就提出了空間太陽能電站的原型。它實(shí)際上是一個(gè)太陽能發(fā)電衛(wèi)星(SPS），由大型聚光面鏡、大面積太陽能電池陣和微波發(fā)射器等組成。

格拉塞的這一設(shè)想在當(dāng)時(shí)很快引起了美國航空航天局（NASA）的興趣。1970年代，NASA投入了大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行研究，并提出了“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”方案。該系統(tǒng)由60個(gè)5吉瓦的衛(wèi)星組成，設(shè)計(jì)容量共300吉瓦，可滿足美國三分之二的電力需求。

然而，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件尚不成熟，再加上成本昂貴——預(yù)算高達(dá)2750億美元，該項(xiàng)目最終不了了之。NASA空間太陽能項(xiàng)目前主管、國際宇航學(xué)會(huì)第3委員會(huì)主席約翰·曼金斯分析說，導(dǎo)致這一計(jì)劃落空的另一個(gè)原因是，NASA的主業(yè)是空間探索，向地球提供能量并不屬于該機(jī)構(gòu)的使命。

“9·11”事件后，反恐戰(zhàn)爭改變了美國的國家安全戰(zhàn)略，空間太陽能電站技術(shù)再次成為關(guān)注的重點(diǎn)。資料顯示，在過去30年里，美國共耗資8000萬美元對(duì)空間太陽能發(fā)電概念進(jìn)行研究。

除了美國，日本與歐盟也早已展開了對(duì)該領(lǐng)域的探索。2009年，日本宣布以三菱公司為主的集團(tuán)將在2030～2040年間建設(shè)世界第一個(gè)吉瓦級(jí)商業(yè)SPS系統(tǒng)，總投資額將超過200億美元。而歐盟則提出了“太陽帆塔”計(jì)劃，該計(jì)劃主要采用一種可展開的輕型結(jié)構(gòu)——太陽帆。其中每一塊太陽帆電池陣為一個(gè)模塊，尺寸為150米×150米，發(fā)射入軌后自動(dòng)展開，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過電推力器轉(zhuǎn)移至地球同步軌道。

國外對(duì)空間太陽能電站的研究已進(jìn)行了幾十年，估計(jì)到2030年，空間電力產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入商業(yè)化階段。面對(duì)此發(fā)展態(tài)勢，中國的很多專家都認(rèn)為，如果再不迎頭趕上，就將被美、日等國家遠(yuǎn)遠(yuǎn)地甩在后邊。

在去年8月的空間太陽能電站發(fā)展技術(shù)研討會(huì)上，12位兩院院士與100多位業(yè)內(nèi)專家經(jīng)過討論，拿出了中國發(fā)展空間太陽能的路線圖，并制定了詳細(xì)的“分四步走”戰(zhàn)略。根據(jù)該方案，中國將從2011年起啟動(dòng)對(duì)空間太陽能電站關(guān)鍵技術(shù)的研究，在2030年發(fā)射空間太陽能電站的“測試版”系統(tǒng)，并在2050年實(shí)現(xiàn)商用。

對(duì)此，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張迎春對(duì)《中國新聞周刊》表示，目前，以中國空間技術(shù)研究院為主的一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了實(shí)際的研究。

龐大的系統(tǒng)工程

空間太陽能電站的電能傳輸有兩種技術(shù)路線。在Solaren公司的計(jì)劃中，是用微波來傳輸能量。該公司CEO加里·斯皮納克表示，這一過程使用的技術(shù)實(shí)際上是基于通信衛(wèi)星技術(shù)，因而目前已相當(dāng)成熟；而另一方面，微波傳送過程中的能耗也低于地球上傳輸電纜的能耗。

而日本的項(xiàng)目則是采用激光傳輸。張迎春對(duì)此解釋說，雖然原理相同，但由于傳輸方式的不同，這兩種類型的空間太陽能電站的結(jié)構(gòu)完全不同?！凹す鈧鬏?shù)目臻g太陽能電站是將太陽能直接轉(zhuǎn)化為激光，發(fā)射回地球，再轉(zhuǎn)化為電能；而微波傳輸，則是把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)化為微波，輸送到地球后最終還原為電能。”兩種技術(shù)路線相比較，激光會(huì)受到天氣的影響，而微波技術(shù)則相對(duì)穩(wěn)定，也更成熟一些。張迎春透露說，中國目前傾向于發(fā)展基于微波傳輸?shù)目臻g太陽能電站。

無論哪種技術(shù)路線，都涉及到新材料的研發(fā)?；诩す獾目臻g太陽能電站，需要有將太陽能轉(zhuǎn)化為激光的介質(zhì)。而對(duì)于微波傳輸系統(tǒng)來說，其核心材料是適用于太空的太陽能電池板。與用于地面的太陽能電池板相比，太空中的太陽能電池板需有防宇宙射線輻射的能力，有更高的發(fā)電效率，以及更長的使用壽命。“由于成本昂貴，空間太陽能電池板不能像在地球上一樣，用個(gè)十幾年就報(bào)廢了，需要起碼能使用30來年。而理想的發(fā)電效率在30%～40%?！睆堄赫f。

對(duì)于材料問題，Solaren公司副總裁凱爾·伯爾曼在接受《中國新聞周刊》電話采訪時(shí)不愿透露具體的信息。但他表示，他們的“多衛(wèi)星空間太陽能運(yùn)行系統(tǒng)”已于2006年獲得美國的“整系統(tǒng)專利保護(hù)”。

除了材料上的難題，建造空間太陽能電站更是一個(gè)涉及到多學(xué)科、龐大的系統(tǒng)工程，對(duì)現(xiàn)有的航天器技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。首先是空間太陽能電站的規(guī)模更大，質(zhì)量達(dá)到萬噸以上，比目前的衛(wèi)星高出4個(gè)數(shù)量級(jí)，需要采用新材料和新型運(yùn)載技術(shù)；其次，它的面積延綿數(shù)公里以上，比目前的衛(wèi)星高出6個(gè)數(shù)量級(jí)，需要采用特殊的結(jié)構(gòu)、空間組裝和姿態(tài)控制技術(shù)；此外，空間太陽能的功率也更大，為吉瓦級(jí)，比目前的衛(wèi)星高出6個(gè)數(shù)量級(jí)，需要特別的電源管理和熱控技術(shù)。

將來一旦空間太陽能電站開始運(yùn)行，還會(huì)面臨更多新的問題，比如，需采取相應(yīng)措施對(duì)波束進(jìn)行安全控制，解決空間太陽能電站對(duì)飛行器的影響，以及防止空間碎片可能對(duì)其造成損害等問題。

與未來“簽約”

與技術(shù)相比，成本問題或許是制約空間太陽能電站發(fā)展更主要的因素。歷史上，美國在該領(lǐng)域數(shù)次折戟，都與預(yù)算太高有關(guān)。據(jù)中國國內(nèi)有關(guān)專家估算，建設(shè)一個(gè)空間太陽能發(fā)電站需要耗資3000億至1萬億美元。以一個(gè)1吉瓦量級(jí)的空間太陽能電站為例，假設(shè)壽命為30年，總發(fā)電量大約為2400億千瓦時(shí)，以目前的地面太陽能電價(jià)計(jì)算，其所獲得的收益不超過400億美元。

Solaren公司同樣面臨資金問題的困擾。據(jù)伯爾曼透露，盡管他們這套系統(tǒng)造價(jià)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以往的類似計(jì)劃，但總共所需要的幾十億美元資金仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可再生能源項(xiàng)目通常所需的1億至2億美元投資。目前，Solaren與PG&E的協(xié)議剛剛經(jīng)過加州公用事業(yè)管理局和加州能源局的許可，正在等待美國聯(lián)邦政府的最終批準(zhǔn)。所以，PG&G公司實(shí)際上尚未向Solaren注入資金。不過，伯爾曼表示，他們已經(jīng)找到更大的投資者，愿意為此提供支持。

約翰·曼金斯則告訴《中國新聞周刊》，太空太陽能的電價(jià)，最初約為2～3美元，隨著相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的突破，未來其電價(jià)成本應(yīng)可以降至每度5美分～15美分。

而在張迎春看來，按照目前航天器的研制、發(fā)射成本，空間太陽能確實(shí)還無法與現(xiàn)有能源競爭。但若考慮到全球能源日益緊缺的局面，作為未來的戰(zhàn)略能源，空間太陽能則不失為很好的選擇。

他還補(bǔ)充說，除了從能源角度出發(fā)，發(fā)展空間太陽能也有軍事上的考慮?？臻g太陽能電站雖然不具有特別的攻擊能力，但作為一個(gè)大功率空間電源系統(tǒng)，可與其他軍事技術(shù)結(jié)合成為攻擊性武器。此外，空間太陽能電站可能用于軍事設(shè)施的無線供電，從而充當(dāng)間接的軍事設(shè)施。

展望更為遙遠(yuǎn)的未來，張迎春描述了一幅頗具“科幻”色彩的場景：“人類探索太空的步伐會(huì)走得越來越遠(yuǎn)。而未來的空間太陽能電站，不僅可以設(shè)在地球靜止軌道上，也可以設(shè)置在太空中的其他地方，作為人類太空飛行器的中途能源補(bǔ)給站?！?/p>