太空發(fā)電廠

在衛(wèi)星上安裝龐大的太陽能電池板，將太陽能直接轉化成電能，再把電能轉化為微波束發(fā)回地面重新轉化成電能。一個標準接收站的發(fā)電功率可達50億瓦，相當于5個大型核電廠的發(fā)電量

當人們?yōu)榈厍蛏厦禾?、石油等能源的日漸減少和消耗能源帶來的全球變暖問題煩惱時，一些科學家把尋找新能源的目光投向了浩瀚太空。美聯(lián)社援引美國五角大樓近期公布的研究報告指出，太空太陽能有望成為一種具有利用價值的新能源?？茖W家設想，通過向太空發(fā)射帶有能量搜集裝置的衛(wèi)星，并將其搜集的能量轉化為微波傳送回地球，再轉化為直流電，從而為人類提供“廉價、清潔、安全、可靠、可持續(xù)、可增加”的能源。

帕勞實驗

2007年10月，五角大樓向美國國家安全太空辦公室提交了一份75頁的報告。報告指出，裝置在巨型衛(wèi)星上的太陽能電池板可以搜集太空能量，為地面上位于各地的美軍基地提供能源。

目前，大部分太空能源研究集中于利用同步衛(wèi)星搜集太空太陽能。同步衛(wèi)星在距離地球3萬多公里的太空運行，展開的太陽能電池板長10公里、寬5公里，可以為地球傳送源源不斷的能量。依照美國國家航空和航天局（ＮＡＳＡ）的設想，能量被傳送到地球后，再用相同面積的接收器接收。

相關專家認為，從技術層面考慮，這種設想的確具有可行性。然而從經(jīng)濟角度考慮，向太空發(fā)射幾千噸重的巨型設備并不現(xiàn)實。

由于發(fā)射巨型衛(wèi)星目前還不可行，研究人員提議在西太平洋小國帕勞先開展小型模擬試驗。帕勞的國土由零散的島嶼組成，共有2萬人口。

在第58屆國際宇航大會上，美國企業(yè)家凱文·雷德提議說，帕勞的海倫島荒無人煙，是進行小型太空太陽能開發(fā)試驗的理想選地。

試驗中，一枚距地球480公里運行的衛(wèi)星將把太空能量傳送到地面，一個直徑為79米的接收器將接收相當于1兆瓦的能量。這些能量足夠為1000個家庭提供電力。如果試驗成功并運用到居民區(qū)，帕勞人便可以享受太空能源。

帕勞總統(tǒng)小湯米·雷門格紹對這個項目表示出興趣。他說：“我們很渴望找到替代能源。如果這個項目能造福帕勞人，我們很愿意了解它?！?/p>

雷德說，他希望在兩年內(nèi)生產(chǎn)出一種超輕薄太陽能電池板，同時尋找足夠資金支持使這個項目得以實現(xiàn)。據(jù)雷德估計，這個項目大約要花費8億美元，最早能在2012年完成。

倡導者相信，隨著油價飆升、全球氣候面臨嚴重威脅，越來越多的人開始嚴肅考慮開發(fā)這種新型能源。

美國全國航天協(xié)會副主席馬克·霍普金斯說：“氣候變化已經(jīng)非常明顯。太空能源不含二氧化碳，我們需要做的就是降低利用太空能源的成本。”

五角大樓在報告中總結：“能源問題已經(jīng)刻不容緩，我們不能僅僅‘向下挖’，還要‘向上鉆’。”

報告建議美國政府發(fā)起一個跨學科、跨行業(yè)的全國性工程，鼓勵、支持這方面的技術研發(fā)，而第一步是在10年內(nèi)發(fā)射一顆輸出功率為1萬千瓦級的小型實驗衛(wèi)星，在外太空做實證研究。

報告資助方太空電力協(xié)會主席約翰·曼金說，首個大型宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為一座城市提供足夠的電力。曼金對這一研究的前景充滿樂觀?！拔覀儽仨毎l(fā)現(xiàn)比現(xiàn)在世界消費量多得多的綠色能源，不是一倍，而是兩倍、三倍，許多倍?！彼f。

前世今生

事實上，有關在太空建造太陽能電站的設想由來已久。1968年，美國利特爾咨詢公司太空業(yè)務副總經(jīng)理彼得·格拉澤提出了一個大膽的設想，要將太陽能電站搬到太空去，在宇宙空間建造太陽能電站，引起了人們的極大興趣。

太陽能發(fā)電有著無可比擬的優(yōu)越性。地球所接受到的太陽能，只占太陽表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，而僅這些能量就相當于全球所需總能量的3—4萬倍，可謂取之不盡，用之不竭。但由于陽光照射地面后大部分已經(jīng)被大氣層吸收或者反射掉了，目前設在地面上的太陽能電站，可以接收到的太陽能只是太空中太陽能的1/4至1/5，此外，地面太陽能電站還受到陰云密布和雨雪天氣的影響，因而其利用效率大打折扣。

曾在太空業(yè)務管理工作過許多年的格拉澤提出，假如把太陽能電站建造在太空中，就能避免出現(xiàn)以上弊端，更全面地利用太陽能。宇宙空間沒有晝夜和四季之分，也沒有烏云和陰影，輻射能量十分穩(wěn)定。因而發(fā)電系統(tǒng)相對說來比地面簡單，而且在無重量、高真空的宇宙環(huán)境中，對設備構件的強度要求也不太高。此外與石油、煤炭等礦物燃料不同，太陽能不會導致溫室效應和全球性氣候變化，也不會造成環(huán)境污染。

但是，格拉澤要想建造的太空太陽能電站和普通地面的太陽能熱電站有些不一樣，它不是把太陽光能轉化為熱能，然后通過產(chǎn)生蒸汽來促使氣輪發(fā)電組發(fā)電，而是利用太陽能電池直接將光能轉化成電能。

想要實現(xiàn)這一構想，就必須研制一種太陽能動力衛(wèi)星，并且將它送到距離地面36000千米的軌道上，它將直接將能量傳輸至地球。

實現(xiàn)能量傳輸?shù)脑砗芎唵?，那就是共振作用?/p>

物理學家早就知道，在兩個共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱。歌唱家演唱能將裝有不同水量瓶子中的一個震碎，而不影響其他瓶子就是這個道理。這也好比人們蕩秋千時，只需坐在上面讓下垂的雙腿同步擺動就能給秋千帶來動力一樣。從事相關研究的科學家阿里斯蒂迪斯·卡拉利斯說：“這就是奇特之處。能量轉移的效率可以達到45%，比普通的非共振磁感應效率要高出100萬倍之多。”

在動力衛(wèi)星上安裝有龐大的太陽能電池板，可以將太陽能直接轉化成電能，之后再把電能轉化為微波束發(fā)回地面。地面微波接收站將巨型天線用衛(wèi)星送回地面的微波重新轉化成電能。

一個標準接收站，相當于5個大型核電廠太陽能發(fā)電衛(wèi)星系統(tǒng)，主要由收集太陽能的光電板、微波發(fā)射器和接收器、太陽能衛(wèi)星及其發(fā)射裝置等構成。衛(wèi)星上的光電板先收集足夠的太陽能，并使電子從汞原子或氬原子中脫落出來，獲得的帶電粒子或離子，會變成高速微波，發(fā)射到地面接收站。地面接收站通過特制的金屬板，把接受到的微波轉變成電流，再經(jīng)整流器把交流電變成直流電，就可以加以利用。據(jù)測算，一個標準接收站的發(fā)電功率可達50億瓦，相當于5個大型核電廠的發(fā)電量。

在科學家們的設想中，太陽能電站最好設置在赤道平面內(nèi)的地球同步軌道上，位于西經(jīng)123度和東經(jīng)57度附近。

由于處在赤道平面的同步軌道上，因此空間太陽能電站與地面任何地方的相對位置都保持不變。電站上需帶有少量推進劑，以便克服由太陽和月球重力作用、太陽光壓和地球偏心率等因素造成的軌道漂移。不過當空間太陽能電站繞地球運動時，總有一部分時間內(nèi)被地球遮擋住陽光。但由于該站設置在靜止軌道上，每年有277天是全日照，僅每年的春分、秋分前后各有45天時間，軌道上的發(fā)電設施才出現(xiàn)地球陰影（亦稱星食期），最長的停電時間也只不過75分鐘，而停電時間又是可以正確預測的，如此，空間太陽能電站平均每天有99％的時間可向地上接收設備輸電。因此與同一規(guī)模的地面太陽能電站相比，空間太陽能電站接收的太陽能要高出 6～15 倍。

在外層空間軌道上，空間太陽能電站處于失重或微重力環(huán)境下，也就是說處于受很小外力作用的環(huán)境之中。這對于超級大型太陽電池陣和太陽能收集器的構筑十分有利?？刹捎幂p型或展開式結構。此外，在太空高真空和高潔凈環(huán)境下，也不必為太陽轉換裝置加設清洗、排水等機械設備，可大大簡化裝置。

格拉澤在20世紀60年代末期提出這一宏偉構想時，因為要花費一大筆款項，美國政府方面并沒多表現(xiàn)出多大的興趣。

直至20世紀70年代中期，由于發(fā)生能源危機，格拉澤的計劃才被重新得到了重視。美國宇航局和能源部曾組織專家對這一設想進行論證。專家們經(jīng)過論證后，提出一個名為“1979SPS基準系統(tǒng)”的太空電站方案，該方案需要2500億美元的投資和18000人年的在軌工作量(相當于600名航天員裝配工在太空工作30年)這個龐大的方案一出臺，就因耗資過大招來眾多的非議和責難。再加上里根政府對空間太陽能發(fā)電興趣不大，更愿意支持“星球大戰(zhàn)”計劃和自由號空間站。在一片反對聲中，美國航宇局不得不把這個方案束之高閣，美國關于空間太陽電站的研究暫告停頓。

起初，格拉澤策劃的這座電站體積會達5萬噸，其中單太陽能電池板的空間面積就達50多平方千米，并且向地球輸送電力的微波發(fā)射天線的直徑也達1千米。依據(jù)美國航天飛機每次最多可以運送30噸物資來計算，也要發(fā)射1000多次才可以把電站的設備全都送上天。而在20世紀70年代，美國的航天飛機并沒有正式投入使用，所以當時認為，格拉澤的策劃在短期內(nèi)很難實現(xiàn)。不過，在進入20世紀90年代之后，由于航天飛機往返太空已變成現(xiàn)實，格拉澤的計劃又再次引起了科學家們的興趣。

在1991年8月，來自世界各個國家的幾十名太陽能專家會聚在法國巴黎，專門探討了太空太陽能電站的問題，之后不長時間，美國國家航空與航天局和能源部聯(lián)合宣布，1995年將會在距地面36000千米的地球同步軌道上建立第一座太陽能電站。此后，在紐約州的北部建設一個有幾個足球場大小的地面微波接收站，接收從太空電站用微波輸送的太陽能，并且一天24小時都能工作。而后，微波接收站把接收到的太陽能微波經(jīng)過能量轉化器轉換成約50億瓦的電能輸?shù)郊~約州的電網(wǎng)。這50億瓦的電力約等同于5座大型核電廠的發(fā)電量。

專家表示，如果能建成宇宙太陽能發(fā)電站，它一年內(nèi)采集的太陽能相當于地球上已探明儲量的常規(guī)能源總和。

太空競賽

在美國之外，其他空間國家或組織，如俄羅斯、歐盟、日本等也在緊鑼密鼓地進行其太空電站計劃。

蘇聯(lián)宇航之父齊奧爾柯夫斯基曾設想用很薄的反光薄片在陽光下受光壓推動可以獲得宇宙速度，這就是太陽帆。這一設想最終沒能成為現(xiàn)實，原因是實現(xiàn)太陽帆帆面至少要大如足球場，但要把它支撐伸展開卻有難度。

據(jù)俄塔社報道，俄羅斯齊奧爾科夫斯基航天學院執(zhí)行院長利修克在2007年11月召開的載人太空飛行國際會議上表示，俄羅斯學者有意推出太空能源供應系統(tǒng)的若干設計方案，其基礎是太陽能的利用。

俄羅斯的太空能源供應系統(tǒng)將由若干航天器和地面接收裝置組合而成，利修克說，航天器有若干位置選擇，可以處于較低的近極地軌道、周期12小時的高橢圓軌道上，也可以在地球同步軌道上。

第一階段是向太空發(fā)射功率為5兆瓦的試驗電站，然后再經(jīng)3個階段研制系統(tǒng)本身，逐步提高發(fā)電裝置的功率，從10兆瓦一直到數(shù)百萬兆瓦。

以非晶硅化合物制成的薄膜太陽能電池是太空電站的基礎，它將通過超高頻輻射向地球傳輸電能。該系統(tǒng)可以人工操作，也可以自動運行。

利修克表示：“應當使用太陽所提供的一切資源?！?/p>

日本方面，盡管近年來在航天領域屢遭挫折， 日本經(jīng)濟、貿(mào)易和工業(yè)部(METI)仍雄心勃勃地計劃在2040年之前向太空發(fā)射太陽能電站。日本從2001財年4月份開始太陽能衛(wèi)星的研究，到2040年系統(tǒng)將開始運作。

METI計劃發(fā)射的太陽能衛(wèi)星在地球同步軌道每秒可產(chǎn)生100萬瓦的能量， 相當于一個核電站產(chǎn)生的能量。太陽能衛(wèi)星將擁有2個3公里長的太陽能發(fā)電翼板，兩個翼板之間是一個直徑1000米的能量傳輸天線。所產(chǎn)生的電能將以微波的形式傳送回地球，微波的強度將低于移動電話發(fā)射的微波強度，以保證發(fā)射的微波不影響移動通信和其他通信。衛(wèi)星地面接收天線的直徑將達幾公里，可能會建在沙漠或海洋地區(qū)。衛(wèi)星計劃重20000噸，總的建設費用預計為2萬億日元（約170億美元）。與目前熱發(fā)電或核能發(fā)電每千瓦小時9日圓相比，在空間發(fā)電的成本是每千瓦小時23日元。

技術難題

盡管在太空建造空間太陽能電站的前景已然明朗，但有一系列的技術問題留待科學家們解決。

由于現(xiàn)在太陽能電池的光電轉換效率不高，一般不超過20％，因此建立大型太空電站的材料數(shù)量將十分之多。舉例而言，如果要用太陽能電池來獲得50億瓦的電力，必須并排裝上兩塊長5公里、寬6公里的巨大電池翼片，加上衛(wèi)星自重，總重量將有4000多噸。而現(xiàn)在發(fā)射的衛(wèi)星最大載重量也僅10余噸，要想把這樣一個龐然大物發(fā)送上天并不容易。專家們的方案是采取化整為零的辦法，讓航天飛機往返于地球和太空，將零部件一個個運送到3萬多公里高的衛(wèi)星軌道進行組裝，這無疑將是一個史無前例的巨大工程。

科學家們指出，如果能夠在月球上采掘制作光電板和架子所需的硅和鋁這些材料約占衛(wèi)星重量的90%，那將意味著可大大減輕必須從地球上送入軌道的重量，從而進一步降低太陽能發(fā)電的成本，方便它的推廣和普及。

對于人們關心的微波能量的傳輸，微波對電離層的影響，微波輻射對通信的影響，以及微波對生物的影響等問題，科學家們的設想是：通過地面發(fā)出的信號控制衛(wèi)星上的微波發(fā)射裝置，使微波束始終對準地面的接收天線；同時將微波的泄漏量保持在國際上規(guī)定的安全標準之內(nèi)，即每平方厘米不超過10毫瓦，不讓它影響人類的健康和自然界的生態(tài)平衡。美國還設計了一種失效保險裝置，萬一衛(wèi)星失控，可使微波束在太空中立即自行擴散，不讓它傳到地面來。

此外，尋找制造成本低、性能好、重量輕的太陽能電池，以及輕型耐久的結構材料也是科學家們面臨的挑戰(zhàn)之一?？梢杂米魈柲馨l(fā)電的電池主要有硅系和砷化鎵系兩類。二者由太陽能至電能的轉換效率，目前已提高到20%左右。只是目前的造價還較高，在進一步改進制造工藝后，造價可望再降低一個數(shù)量級。預計用太陽能電池生產(chǎn)的電，將比熱電站生產(chǎn)的電還要便宜。如一種用聚酰亞胺薄膜制造的膜鏡集能器，能夠只把太陽光線的有效部分聚集到太陽能電池上，從而可以進一步降低衛(wèi)星的體積、重量和成本。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會專家羅伯特·Ｎ·朔克認為，太空能源的利用不再僅存在于科幻小說。“如果下個世紀初，甚至更早，我們能看見人類大規(guī)模利用太空能源，我不會感到驚奇?！彼f。