前景廣闊的字宙太陽能發(fā)電站

□吳 碩 編譯

前景廣闊的字宙太陽能發(fā)電站

□吳 碩 編譯

宇宙太陽能發(fā)電站前景廣闊。在不久的將來，人類將發(fā)射一萬千瓦的實驗衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星運行接近地面接收天線時，便立即進(jìn)行輸電……

宇宙太陽能發(fā)電站的構(gòu)思

美國航空航天局古文皮特·格雷加博士于1968年最早提出了建造宇宙太陽能發(fā)電站（SPS）的設(shè)想。他的基本思路是把太陽能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射到空間軌道上去，并在太空將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電，通過微波傳送到地面接收站后即可投入使用。

太陽是個巨大的能源庫。

由太陽內(nèi)部氫核聚變成氦核的熱核反應(yīng)能產(chǎn)生巨大的能量，并以輻射的形式發(fā)射到宇宙空間。在沒有大氣吸收的情況下，太陽向地球表面輻射的能量為每分鐘19.5千卡。由于地球包圍著一層厚厚的大氣層，太陽向地球的輻射能量就會受到影響。相比之下，沒有空氣、沒有陰雨的太空才是利用太陽能量最理想的環(huán)境。太空中太陽能強度約為地面的兩倍，加之日照時間是地上的四五倍，所以其發(fā)電量是地面的8~10倍。也就是說，宇宙發(fā)電的效率遠(yuǎn)比地面要高，是極其穩(wěn)定的“電力供給源”。這就是為什么要把太陽能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射到?jīng)]有空氣的外層空間軌道上去的原因。

但是，圍繞著這個構(gòu)思，也有幾個問題需要我們深思。首先，建設(shè)100萬千瓦的發(fā)電站必須發(fā)射21000噸的器材，并且要分成千上萬次發(fā)射升空才能達(dá)到這個量。這就需要很長時間和巨額的成本。因此，我們有必要開發(fā)宇宙穿梭機，使費用降低到現(xiàn)在火箭發(fā)射成本的1/20。

其次，使用與微波爐等相同頻率或ISM波段（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療用波段）輸出電力讓人感到擔(dān)憂：如果微波從天空射向地面，電波會不會擊中飛鳥把它烤成“燒鵝”？事實上絕對不會。按照已定的電波防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，如果以每平方米10瓦左右的微波輸出，365天24小時不間斷地直接照射，人也不會有問題。

奧

美日設(shè)計的SPS方案

20世紀(jì)70年代，美國NASA與能源部設(shè)計了一臺被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的“大型宇宙太陽能發(fā)電站”，重量約5萬噸，用規(guī)格為10×5（千米）的太陽電池板發(fā)電，通過直徑約1千米的輸電天線，以2.45千兆赫的微波將電能輸送到地面。地上接收裝置的面積是10×13（千米）。SPS的發(fā)電能力是1000萬千瓦，最終地上能夠利用的直流電力是500萬千瓦（相當(dāng)于原子能發(fā)電站的5臺機組）。但是，其建設(shè)費用高達(dá)25萬億美元，作為發(fā)電站，不具備性價比而作罷。

其后，受日本在微波技術(shù)上取得進(jìn)步的刺激，1995年NASA對SPS的可行性進(jìn)行了再評估，并提出稱之為“圣戰(zhàn)”的下一代SPS方案?！笆?zhàn)”采用長約15千米的集電線為主干，反射鏡像樹葉那樣串聯(lián)在主干上。用反射鏡收集的太陽能經(jīng)太陽電池變?yōu)殡娏?，通過集電線輸送到輸電天線。圣戰(zhàn)SPS具有25萬千瓦級發(fā)電能力，建設(shè)費用0.8億～1.5億美元，比起20世紀(jì)70年代的標(biāo)準(zhǔn)模型，成本大為降低。

其實，日本研究人員自20世紀(jì)80年代起就對被視作SPS關(guān)鍵技術(shù)的微波輸電進(jìn)行研究，2006－2007年日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)在世界上首次用火箭向距地面400千米的電離層發(fā)射母子衛(wèi)星進(jìn)行相關(guān)實驗。母衛(wèi)星直徑最大為40千米，具有50千瓦的發(fā)電能力。它將進(jìn)行用微波向子衛(wèi)星或地面輸電的實驗工作，并了解給電離層帶來什么影響，結(jié)果實驗取得成功。由此計劃在2015－2020年之間發(fā)射1萬～10萬千瓦級的電力衛(wèi)星，2040年左右達(dá)到建造100萬千瓦級商用SPS的目標(biāo)。但是問題向?qū)嵱没穆烦踢€很遙遠(yuǎn)。首要困難是巨額經(jīng)費問題。100萬千瓦的日本版SPS的建設(shè)費用是200多億美元。發(fā)電單價以SPS30年的壽命來計算，每千瓦小時是0.2美元，約是火力發(fā)電或原子能發(fā)電單價的2倍。

建設(shè)費用中三成以上是將SPS的部件運送到宇宙的運輸費。

再說2015－2020年發(fā)射的1萬千瓦實驗衛(wèi)星，它呈三角柱狀，將在距地面1000千米的高空運行。它巧妙地利用地球引力與離心力的不平衡性，以重力穩(wěn)定方式，始終以同一側(cè)面向著地球。就像指南針始終指向南北方向一樣，衛(wèi)星的軸始終向著南北方向。

衛(wèi)星向著地球的一面安裝著輸電天線，另二面則布滿了太陽能電池陣。太陽能電池陣是板狀的，由非晶硅組成。

這顆衛(wèi)星的運行軌道是由西而東。在赤道某點上看，每兩小時繞地球一圈。當(dāng)衛(wèi)星運行接近地面接收天線時，便立即進(jìn)行輸電。輸電天線呈相控陣型，從那里發(fā)射出的是頻率為2.45千兆赫的微波。

其次，地面為了接收來自SPS輸電的微波束，就要建設(shè)被稱之為“接收天線陣列”的受電設(shè)施。地面接收天線的設(shè)計有兩種類型：一種為“魔術(shù)絨毯”型，像變戲法的人手中經(jīng)常拿的絨毯，抖來抖去，使毯子呈凹凸不平的波浪形。其方式是把簡易天線安裝在許多立柱上，拉成網(wǎng)眼狀，上面蓋一層塑料薄膜就成了接收天線。一種類型是用金屬絲做成的反射面，這種類型的接收器通過由天線與二極管構(gòu)成的接收天線，將接收的微波再次轉(zhuǎn)換成直流電力。

此外，假定SPS的輸電天線直徑為2～2.5千米，那么接收天線列陣的直徑也應(yīng)當(dāng)是同樣尺寸。這樣龐大的接收天線列陣，科學(xué)家建議應(yīng)選在靠近能量消費地的海岸邊或廢棄的高爾夫球場等休閑場所。也有人提議可建造海上的無人島，用于安置受電裝置。因為微波的射束差不多靠近赤道且筆直地射下，接收天線就要盡可能設(shè)置在南邊，這樣受電效率就高。在海上無人島所得的電力通過電解水部分轉(zhuǎn)換為氫，再將氫用罐裝運到本土，利用以氫為燃料的燃料電池等發(fā)電。