在天上發(fā)電

□ 遲 惑

地球上的幾乎所有電力，其根本來源都是陽光，這已經(jīng)是常識(shí)了。如果能直接利用陽光發(fā)電，就可以省去挖掘石油或者煤炭的麻煩，也省去了建造和運(yùn)行核電站的危險(xiǎn)。但是陽光的能量經(jīng)過大氣的過濾和遮擋，能抵達(dá)地面的已經(jīng)不足80%。何況，即使在地球上光照最充足的地方建設(shè)的太陽能電站，在夜間也只能停工。加上當(dāng)今的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率極為有限，地面發(fā)電能力不足以和熱電廠、核電站或者水電站相提并論。

如果把太陽電池搬出大氣層，漂浮在太空中，發(fā)電能力是不是會(huì)有所提高呢？

良好的前景

如果把太陽能電站搬到天上，不但可以避免大氣對(duì)太陽光能量的損耗，還可以避免夜晚、惡劣天氣等導(dǎo)致的電站停工。另外，太陽光可以垂直入射到太陽電池板上，利用效率很高?？傮w來說，太空中的太陽光能密度可以達(dá)到1365W/m2，比地球表面高10倍以上。

早在1968年，美國科學(xué)家彼得·格拉澤博士在《科學(xué)》雜志上提出了“太陽能發(fā)電衛(wèi)星”（Solar Power Satellite，SPS）的概念。此后，美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家的科研人員都對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究，并成立了一個(gè)國際研究組織，稱為空間發(fā)電聯(lián)合會(huì)。

當(dāng)前設(shè)想的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，由太陽能發(fā)電部分、天對(duì)地能量傳輸部分和地面接收部分組成。就發(fā)電部分而言，學(xué)術(shù)界提出過兩種方案，一種使用太陽能電池直接發(fā)電，一種是用太陽熱能驅(qū)動(dòng)機(jī)械式發(fā)電機(jī)發(fā)電。前者的系統(tǒng)組成相對(duì)簡單，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

天對(duì)地能量傳輸部分和地面接收部分的爭議最大。目前各方提出的方案集中在微波和激光兩類。也就是把發(fā)電部分輸出的電力變成微波或者激光，照射到地面的接收陣上，再變成電力。這聽起來很簡單，可是如何能把強(qiáng)大的電力穿過大氣送達(dá)地球，又不傷及波束中的人、動(dòng)物和其他設(shè)備呢？很多科幻電影中都設(shè)想過天基激光或者天基微波武器攻擊地面目標(biāo)的場景，橋梁、建筑和汽車像被無形的刀刃劃過一樣斷裂開來。這種事情當(dāng)然不能發(fā)生在太陽能發(fā)電系統(tǒng)里。因此，波束內(nèi)的功率會(huì)被限制在一個(gè)值以下，

阿斯特里姆公司技術(shù)總監(jiān)羅伯特·萊恩表示，紅外激光可以實(shí)現(xiàn)每平方米1千瓦～2千瓦的功率密度，且完全符合有關(guān)安全限制。他說：“人們可以在這樣的激光波束中行走，鳥類也可以在其中飛翔，沒有任何環(huán)境問題?！?/p>

各國積極研究

當(dāng)下，世界多個(gè)國家都對(duì)空間太陽能發(fā)電有興趣，特別是具有航天能力的美、俄、歐、日、加、印等國。其中美、日、歐的研究較為深入。

天基太陽能發(fā)電站示意圖

天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)由空間段和地面接收設(shè)施組成?？臻g段包括3個(gè)部分；一是太陽能收集器，用于將太陽能轉(zhuǎn)化成直流電；二是轉(zhuǎn)換器，將直流電轉(zhuǎn)換為微波能量；三是一部巨型天線陣，將微波能量通過波束傳回地面

太陽能電力轉(zhuǎn)換成的微波能量到達(dá)地面

日本作為一個(gè)資源極為短缺的國家，早在1987年就成立了太陽能發(fā)電衛(wèi)星研究組，進(jìn)入21世紀(jì)后又提出了實(shí)施空間太陽能發(fā)電衛(wèi)星的工程方案，到2009年日本啟動(dòng)了新的微波功率傳輸研究計(jì)劃。按照日本的計(jì)劃，將在2020年發(fā)射和試驗(yàn)10兆瓦的柔性光伏電源結(jié)構(gòu)，2040年建造100萬千瓦和500萬千瓦的天基太陽能發(fā)電站，并通過1千米長的天線將微波能發(fā)射回地球。由于日本國土狹小，其設(shè)想的地面接收陣設(shè)在海上。2011年的大地震導(dǎo)致福島核電站事故后，日本航天部門更加重視天基太陽能發(fā)電的工程化、應(yīng)用化。但以日本當(dāng)前的財(cái)力，是否能實(shí)現(xiàn)2040年建造電站的計(jì)劃，尚在未定之天。

歐洲同樣重視空間太陽能發(fā)電，歐洲航天局組織德國、法國、意大利等國開展研究，提出了多個(gè)方案。

在空間太陽能發(fā)電方面，研究水平最高的當(dāng)然還是美國。而且美國是軍、政、商一起上陣。NASA在上世紀(jì)60年代就開始研究無線電力傳輸技術(shù)，到70年代就開展了空間太陽能發(fā)電的可行性研究。但到了80年代，美國國家研究委員會(huì)和國會(huì)技術(shù)評(píng)估辦公室計(jì)算發(fā)現(xiàn)，空間太陽能電站在經(jīng)濟(jì)上難以實(shí)現(xiàn)——換言之，花錢太多了，于是停止開發(fā)。但到了1995年，NASA再次把空間太陽能電站提上了議事日程。NASA提出的第一種方案稱為“太陽塔”（Sun Tower），是用一個(gè)塔型桁架配裝多個(gè)圓盤形太陽能部件。圓盤發(fā)射時(shí)折疊起來，裝配完成后充氣展開，每一對(duì)圓盤的輸出功率2兆瓦～3兆瓦?！疤査庇靡粋€(gè)直徑500米圓形設(shè)備，以5.8GHz的頻率向地面發(fā)射電力，緯度±50o內(nèi)可以接收到約1200兆瓦的功率。另一種方案稱為“太陽盤”，采用自動(dòng)跟蹤太陽的大型自旋穩(wěn)定向太陽電池陣。輸出功率約5吉瓦。

此后，美國科技界不斷提出和完善不同的天基太陽能電站方案，基本瞄準(zhǔn)了2030年前后投入使用這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。最近，空間發(fā)電聯(lián)合會(huì)主席約翰·曼金斯宣布，他參加的一項(xiàng)由NASA出資“太陽能發(fā)電衛(wèi)星”先進(jìn)研究項(xiàng)目取得了進(jìn)展。這個(gè)項(xiàng)目采用了所謂“任意大型相控陣”(SPS-Alpha)技術(shù)。這種技術(shù)不再試圖建造大型空間結(jié)構(gòu)，而是大量生產(chǎn)質(zhì)量在100千克～300千克的“智能”發(fā)電小衛(wèi)星和電力發(fā)射小衛(wèi)星。前者入軌后組成蜂巢狀的星座，采集、轉(zhuǎn)換太陽能。后者也組成一個(gè)星座，將前者采集到的電力發(fā)射回地球。因?yàn)樾l(wèi)星的產(chǎn)量大，所以成本較低。他說：“這將顯著降低研發(fā)的時(shí)間和費(fèi)用，能用更低的價(jià)格、更容易地實(shí)施制造，并顯著提高可靠性。”

太陽能發(fā)電站收集器的蜂巢結(jié)構(gòu)

太陽能發(fā)電站的收集器

太陽能電力地面接收設(shè)備

地面接收設(shè)備接收微波

天基太陽能電站的收集器安放在遙遠(yuǎn)的太空中

當(dāng)然，空間太陽能發(fā)電距離真正建造和發(fā)射發(fā)電衛(wèi)星，還有很長的距離。即使最熱心的日本人也承認(rèn)，前方還存在著巨大的技術(shù)障礙。日本宇航科學(xué)研究所的佐佐木進(jìn)在第63屆IAF大會(huì)上發(fā)表論文稱：“天基太陽能發(fā)電（SSP）面臨的主要問題是要將SSP技術(shù)應(yīng)用到吉瓦功率、千米尺寸、萬噸質(zhì)量等級(jí)的巨型SSP系統(tǒng)中，并且有必要保證其發(fā)電的價(jià)格能與現(xiàn)有地面發(fā)電系統(tǒng)相競爭?！弊糇裟具M(jìn)認(rèn)為，如果要在2030年代開始部署商用SSP航天器，首先必須在今后10年內(nèi)在SSP電力傳輸方面取得“巨大的進(jìn)步”，此后再用10年時(shí)間在大型空間結(jié)構(gòu)方面取得顯著進(jìn)步，最后再用5年時(shí)間來推動(dòng)航天運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展，以啟動(dòng)SSP服務(wù)。例如在日本模式中，光伏電池的效率要從當(dāng)前的15%～30%提高到35%～40%，單位發(fā)電功率所需的質(zhì)量要從當(dāng)前的10～100g/W改進(jìn)到1g/W，設(shè)計(jì)壽命要從當(dāng)前的10年提高到30～40年。而發(fā)電成本要從今天的每瓦4美元～6美元降低到每瓦0.5美元～1美元。

空間太陽能發(fā)電與載人航天

此外，空間太陽能電站的建設(shè)依賴于載人航天技術(shù)的發(fā)展。不但電站的建設(shè)很可能需要航天員來實(shí)施，電站的維護(hù)也需要人來實(shí)施。。著名科幻作家阿西莫夫就曾經(jīng)在《我 機(jī)器人》系列作品中，設(shè)想過由兩個(gè)人在指揮一群機(jī)器人，在空間太陽能電站上工作，把電力傳回地球。

人類第一次進(jìn)入太空已經(jīng)是50多年前的事情。世界主要航天國家也為載人航天投入了巨大的資源，如果沒有實(shí)際的效益產(chǎn)生，要說服民眾和立法機(jī)構(gòu)繼續(xù)大量投資于載人航天，會(huì)存在一些阻力。為此，近年來國際航天界一直在探索載人航天的未來是什么。

在去年的一份航天政策論文中，提出載人航天的未來可能有四個(gè)發(fā)展方向：探索火星、加速太空旅行、對(duì)地的空間太陽能發(fā)電和到月球定居。經(jīng)過分析，作者明顯傾向于把對(duì)地的空間太陽能發(fā)電作為載人航天的發(fā)展方向。作者指出，要想建設(shè)太陽能電站，必須把大量千米級(jí)大小的發(fā)電衛(wèi)星部署到高軌道上。不但如此，還為這些衛(wèi)星提供維護(hù)。那么空間建設(shè)和維護(hù)就成為日?；墓ぷ?，需要大量的人手，將會(huì)有上百甚至上千的技術(shù)工人長期駐扎在太空。相應(yīng)地就需要大量的空間工作者來對(duì)服務(wù)提供支持，譬如打理宿舍、餐廳、雜貨店、醫(yī)院等服務(wù)工作。

其實(shí)，當(dāng)代著名中國科幻作家劉慈欣也在作品《中國太陽》曾經(jīng)做過類似的設(shè)想。他在作品中描繪了一位農(nóng)村少年，因?yàn)橥耆珱]有恐高癥，進(jìn)城當(dāng)了一名高層建筑的玻璃幕墻清洗工。他結(jié)識(shí)了一位航天專家后，被選拔到空間太陽反射鏡上負(fù)責(zé)清理鏡面，最后踏上了星際航行的旅程。所以，今天在摩天大樓頂端忙碌的青年建筑工，也許就是多少年后的空間電站技師呢。

小結(jié)

從長遠(yuǎn)來說，人類要想普遍性地提高生活水平，是肯定不能僅僅依賴化石能源的。多年以來一直流傳著一個(gè)論調(diào)：如果中國達(dá)到美國的生活水平，可能要兩個(gè)地球的資源才夠用。而這些資源當(dāng)中，首當(dāng)其沖的就是能源。但是任何國家和民族都擁有追求美好富足生活的權(quán)利。當(dāng)?shù)乇硪韵碌哪茉床辉賶蛴?，人們把目光投向外太空，是合情合理的?/p>

總體來說，SSP似乎是個(gè)不錯(cuò)的主意。不過一些民間人士卻提出了自己的觀點(diǎn)：無論是用微波還是激光來回傳能量，波束在穿過大氣層的過程中，都會(huì)有一部分能量被大氣吸收，轉(zhuǎn)換為氣體的熱能。而傳到地面，為人們所用的能量，最終也會(huì)在各種機(jī)械、電子設(shè)備等的運(yùn)行中，變成熱能耗散到大氣中。這些能量原本是不會(huì)存在于地球大氣層之內(nèi)的。它們的存在，會(huì)不會(huì)改變大氣的流動(dòng)，乃至影響全球氣候和環(huán)境？會(huì)不會(huì)真的導(dǎo)致全球變暖？這或許是需要科學(xué)家們進(jìn)一步計(jì)算、分析的問題。

天基太陽能電力將照亮未來城市的夜空