魅力無窮的太空發(fā)電站

在1876年，兩位英國科學(xué)工作者亞當(dāng)斯和戴首先發(fā)現(xiàn)：用硒半導(dǎo)體可以把太陽光直接轉(zhuǎn)變成電能。盡管這種轉(zhuǎn)變的效率只有1％，即用100瓦的太陽光能只能得到1瓦的電能，但這仍然是一個(gè)歷史性的發(fā)現(xiàn)和突破!太陽光能的轉(zhuǎn)變效率至今仍停留在20％的水平上，預(yù)計(jì)不久可提高到30％～40％。即使能進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，在地面，太陽能發(fā)電也只能“一班作業(yè)”，因?yàn)橐惶熘兄挥邪滋礻柟馄照眨龅疥幱晏爝B“一班作業(yè)”也實(shí)現(xiàn)不了。而且，就連這“一班作業(yè)”，也只是利用了太陽光中很小的一部分能量。

1968年，時(shí)任美國利特爾咨詢公司太空業(yè)務(wù)主管的彼得·格拉澤，提出了在太空建立太陽能發(fā)電站的計(jì)劃。因?yàn)樵诖髿鈱油獾目臻g沒有云霧，沒有塵埃，無氣候影響之憂，也沒有大氣的吸收和散射，接收到的太陽能比地面上強(qiáng)7倍～15倍。更重要的是，太陽能電站進(jìn)入大氣層外的軌道時(shí)，能始終“跟蹤太陽”，做到“日不落”，一天24小時(shí)都能發(fā)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36 000千米高的地球靜止軌道上架設(shè)一條寬度為1000米的太陽能電池陣環(huán)帶，假定其轉(zhuǎn)換效率達(dá)100％，那么它在1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(chǔ)量所蘊(yùn)含的能量總和。同時(shí)這種太陽能取之不盡、用之不竭，既清潔又環(huán)保，其潛在的價(jià)值對于正面臨能源短缺、生態(tài)和環(huán)境惡化的地球人類來說，具有重大的戰(zhàn)略意義。空間太陽能發(fā)電站魅力無限，已引起全世界的高度關(guān)注。

空間太陽能發(fā)電站

什么是空間太陽能發(fā)電站?它是指在空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過無線方式傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。相對于目前已在空間應(yīng)用的衛(wèi)星和空間站等太陽能電源系統(tǒng)，其規(guī)模和能力要大得多。

空間太陽能發(fā)電站主要包括三大部分：太陽能發(fā)電裝置、能量的轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置、地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。太陽能發(fā)電裝置能將太陽能轉(zhuǎn)化成為電能；能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波或激光等形式(也可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為激光)，并利用天線向地面發(fā)送能束；地面接收系統(tǒng)接收空間發(fā)射來的能束，再通過轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能。整個(gè)過程經(jīng)歷了太陽能一電能一微波(激光)一電能的能量轉(zhuǎn)換過程。顯然。空間太陽能發(fā)電站的建造和運(yùn)行過程，還必須包括大型運(yùn)載系統(tǒng)和復(fù)雜的后勤保障系統(tǒng)。

幾起幾落

早在1968年，美國科學(xué)家格拉澤等人就提出了空間太陽能發(fā)電站的計(jì)劃。他們設(shè)想在距地面35 800千米的軌道上建造空間太陽能發(fā)電站，其太陽能帆板的空間面積為50平方千米，重5萬噸，太陽能電站的電力用微波傳遞到地面。但直到20世紀(jì)70年代第一次石油危機(jī)時(shí)，NASA才對其可行性進(jìn)行論證，結(jié)論是科學(xué)上可行，但實(shí)踐中具有無法克服的困難，估計(jì)建造一個(gè)5千兆瓦級的空間太陽能發(fā)電站需耗資3000億美元～10000億美元，為此只得作罷。到了20世紀(jì)90年代，雖然航天技術(shù)、現(xiàn)代技術(shù)已有巨大發(fā)展，但在高昂的成本面前，決策者只得暫時(shí)放棄對空間太陽能發(fā)電站的研制。

隨著石油價(jià)格的飛漲，能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)問題日漸突出，于是空間太陽能發(fā)電站再次成了關(guān)注的重點(diǎn)，美國、歐洲和日本競相開展各種相關(guān)技術(shù)和方案的研究。國際無線電科學(xué)聯(lián)合會(huì)發(fā)起的空間太陽能發(fā)電站的探索研究組成立于2001年，該組織策劃的《太陽能發(fā)電衛(wèi)星的白皮書》于2005年發(fā)表。2007年，在空間太陽能發(fā)電站的研制方面有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，如美國國家安全航天局在互聯(lián)網(wǎng)上面向全球?qū)＜艺骷臻g太陽能發(fā)電站的設(shè)計(jì)方案，美國航天學(xué)會(huì)還宣布成立“天基太陽能未來能源聯(lián)盟”。

航天學(xué)會(huì)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(fā)電站已達(dá)成共識(shí)：它可以為全世界提供清潔、安全、可靠的能源，并且取之不盡、用之不竭。這就為空間太陽能發(fā)電站的實(shí)施打下了基礎(chǔ)。雖經(jīng)幾起幾落，空間太陽能發(fā)電站終將浮出水面，造福人類。典型方案

日本：日本從1987年就開始研究空間太陽能發(fā)電，并于1990年成立了“SPS2000”空間太陽能系統(tǒng)實(shí)用化研究小組。該小組計(jì)劃在地球軌道上組建輸出10 000千瓦的太陽能發(fā)電衛(wèi)星，衛(wèi)星是一個(gè)正三棱柱體，邊長336米，柱長303米，總重2401噸，采用分部發(fā)射，然后由機(jī)器人和自動(dòng)組裝機(jī)進(jìn)行組裝，建成后也由機(jī)器人維護(hù)保養(yǎng)。

由于多種原因，這一計(jì)劃未能最終實(shí)觀，但研制工作并沒有中斷。該小組計(jì)劃從2010年起開始發(fā)射空間太陽能電站的部件，直至2040年，預(yù)計(jì)將建成100萬千瓦和500萬千瓦的空間太陽能發(fā)電站，并通過微波，經(jīng)1000米長的天線將微波能發(fā)射回地球。預(yù)計(jì)空間太陽能發(fā)電站的發(fā)電成本為每千瓦每小時(shí)23日元。

日本還提出了分布式系繩衛(wèi)星的方案。它由100米×95米的單元板和衛(wèi)星平臺(tái)組成，在單元板和衛(wèi)星平臺(tái)間用四根2千米～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(gè)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(gè)方案，電站的組裝和維護(hù)很方便，但重量仍偏大。

美國：NASA的新構(gòu)想是在空間建造兩種大型太陽能發(fā)電站，即太陽塔和太陽碟。太陽塔由一組人造衛(wèi)星構(gòu)成，每顆衛(wèi)星提供200兆瓦一400兆瓦。它們在赤道上空12 000千米的低地球軌道上運(yùn)行，可以同時(shí)向幾個(gè)不同的地面位置提供電能。太陽碟可發(fā)射到距地球表面36 000千米的地球同步軌道上，能24小時(shí)不間斷地將太陽能輸送到地面上的一個(gè)指定地點(diǎn)。太陽碟的外形與太陽塔相似，但發(fā)電量可達(dá)2000兆瓦／小時(shí)。這兩種空間太陽能電站由大量標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成，可以在太空中自動(dòng)裝配，無須航天員親自動(dòng)手。該方案計(jì)劃20年內(nèi)能投入運(yùn)行。

美國還提出了“集成對稱聚光系統(tǒng)”方案，主要采用先進(jìn)的輕型薄膜聚光設(shè)計(jì)概念，可以大大減小系統(tǒng)的重量，并采用更高效的能量轉(zhuǎn)化傳輸系統(tǒng)。

歐洲：歐洲于1998年提出了太陽帆塔的概念。該方案的基礎(chǔ)是美國提出的太陽塔，但加入了許多新技術(shù)，其中最主要的是采用了可展開的輕型結(jié)構(gòu)——太陽帆，從而大大降低了重量，減小裝配難度。它的尺寸為150米×150米，發(fā)射入軌后可自動(dòng)展開，在低地球軌道進(jìn)行組裝，再通過電推力器轉(zhuǎn)移至地球同步軌道。

三大難題

空間太陽能發(fā)電站是一項(xiàng)耗資巨大、高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)的戰(zhàn)略性航天工程。按照現(xiàn)有的航天技術(shù)水平與能力，要將它變成現(xiàn)實(shí)，至少還要攻克三大難題：

一是如何把龐大的空間電站發(fā)射到太空。據(jù)估計(jì)，若要獲得50億瓦的電力，發(fā)電站總的總重將達(dá)4000余噸，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(xiàn)有兩種方案：一種是將電能通過微波由一架小飛機(jī)運(yùn)回地球，這是日本等國的打算；另一種是準(zhǔn)備在同步軌道上裝一面直徑為1000米的鏡子，將呈微波狀態(tài)的電能反射傳輸?shù)剿璧牡胤剑@是法國人的設(shè)想。

三是如何保證地面安全及保護(hù)地球環(huán)境。人們擔(dān)心，萬一強(qiáng)大的微波技術(shù)失控，會(huì)對人類的健康造成影響，還會(huì)干擾地球的通信聯(lián)系。科學(xué)家認(rèn)為，只要通過地面信號控制微波發(fā)射裝置，使它始終對準(zhǔn)地面接收站，并將微波泄漏量控制在國際安全標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，就不會(huì)影響人類的健康和自然界的生態(tài)平衡。同時(shí)，美國科學(xué)家還將設(shè)計(jì)失效保險(xiǎn)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(jìn)入太空的運(yùn)輸成本，極大地降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等，也都是建造空間太陽能發(fā)電站的攔路虎，不可等閑視之。