魅力無窮的太空發電站

高育紅

1876年，兩位英國科學工作者亞當斯和戴首先發現：用硒半導體可以把太陽光直接轉變成電能。盡管這種轉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現和突破!太陽光能的轉變效率至今仍停留在20％的水平，預計不久可提高到30％～40％。即使能進一步提高轉換效率，在地面，太陽能發電也只能“一班作業”，因為一天中只有白天陽光普照，遇到陰雨天連“一班作業”也實現不了。就是這“一班作業”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務主管的彼得·格拉澤，提出了在太空建立太陽能發電站的計劃。因為，在大氣層外的空間，沒有云霧，沒有塵埃，無氣候影響之擾，也沒有大氣的吸收和散射，接收到的太陽能比地面上強7～15倍。更重要的是太陽能電站進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”一條寬度為1000米的太陽電池陣環帶，假定其轉換效率達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，既清潔又環保，其潛在的價值對于正面臨能源短缺、生態和環境惡化的地球人類來說，具有重大的戰略意義。空間太陽能發電站魅力無限，已引起全世界的高度關注。

何謂空間太陽能發電站

什么是空間太陽能發電站?它是指在空間將太陽能轉化為電能，再通過無線方式傳輸到地面的電力系統。相對于目前已在空間應用的衛星和空間站等太陽能電源系統，其規模和能力要大得多。

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

幾起幾落

早在1968年，美國科學家格拉澤等人就提出了空間太陽能發電站的計劃。他們設想在距地面35800千米的軌道上建造空間太陽能發電站。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70年代第一次石油危機時，美國航空航天局才對其可行性進行論證，結論是科學上可行，但實踐中具有無法克服的困難(技術上和財力上)，估計建造一個5千兆瓦級的空間太陽能發電站需耗資3000億美元至10000億美元，為此只得作罷。到20世紀90年代，雖然航天技術、現代技術已有巨大發展，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電站的研制。

隨著石油價格的飛漲，能源危機和環境保護問題日漸突出，于是空間太陽能發電站再次成了關注的重點。美國、歐洲和日本競相開展各種相關技術和方案的研究。國際無線電科學聯合會發起的空間太陽能發電站的探索研究組成立于2001年，該組織策劃的《太陽能發電衛星的白皮書》于2005年發表。2007年在空間太陽能發電站的研制方面有了實質性的進展，如美國國家安全航天局(NSSO)在互聯網上面向全球專家征集空間太陽能發電站的設計方案(有170多位專家作出響應)、美國航天學會還宣布成立“天基太陽能未來能源聯盟”(SSAFE)。

航天學會的代表馬克·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電站已達成共識：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定的能源。這就為空間太陽能發電站的實施打下了基礎。雖經幾起幾落，空間太陽能發電站終將在數十年后浮出水面，造福人類。

典型方案

日本：從1987年就開始研究空間太陽能發電，并于1990年成立了“SPS2000”空間太陽能系統實用化研究小組，其目標是在2000年。在圍繞地球軌道上組建輸出10000千瓦的太陽能發電衛星，衛星是一個正三棱柱體，邊長335米。柱長303米。總重2401噸，采用分部發射，然后由機器人和自動組裝機進行組裝，建成后也由機器人維護保養。

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

日本還提出了分布式系繩衛星的方案。它由100米×95米的單元板和衛星平臺組成，在單元板和衛星平臺間用4根2～10千米的系繩懸掛在一起。單元板為太陽電池。總重42.5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，電站組裝和維護十分方便，但重量仍偏大。

美國：美國航空航天局的新構想是在空間建造兩種大型太陽能發電站。即“太陽塔”和“太陽碟”。“太陽塔”由一組人造衛星構成，每顆衛星提供200～400兆瓦功率，它們在赤道上空12000千米的低地球軌道上運行。可以同時向幾個不同的地面位置提供電能。“太陽碟”可發射到距地球表面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，其衛星外形與“太陽塔”相似，但發電量可達2000兆瓦。這兩種空間太陽能電站由大量標準構件組成，可以在太空中自動裝配，無須航天員動手。計劃20年內能投入運行。

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

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

三大難題

空間太陽能發電站是一項耗資巨大、高風險、高回報的戰略性航天工程。按照現有的航天技術水平與能力，要將它變成現實，至少還需攻克三大難題：

一是如何把龐大的空間電站發射到太空。估計若需獲得50億瓦電力，發電站總量將達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。現有幾種方案。一種是將電能通過微波由一架小飛機運回地球，這是日本等國的打算。另一種是準備在同步軌道上裝一面直徑為1千米的鏡子，將呈微波狀態的電能反射傳輸到所需的地方，這是法國人的設想。

三是如何保證地面安全及保護地球環境。人們擔心，萬一強大的微波技術失控，會不會對人類的健康造成影響?會不會干擾地球的通信聯系?科學家們認為只要通過地面信號控制微波發射裝置，使它始終對準地面接收站，并將微波泄漏量控制在國際安全標準之內，就不會影響人類的健康和自然界的生態平衡。同時，美國科學家還將設計失效保險裝置，萬一微波能量失控，可讓其在太空中立即自行消散。

此外，大幅度降低進入太空的運輸成本，極大地降低技術風險等，也都對建造空間太陽能發電站產生重要影響，不可等閑視之。