從太空收集太陽能

■ 李忠東 編譯

空間太陽能電站需突破3項(xiàng)技術(shù)

科學(xué)家們很早就將視線轉(zhuǎn)向太空，如果能從太空直接收集太陽能，那么太陽能的可用量將是地球上的數(shù)十億倍。早在1968年，美國科學(xué)家彼得·格拉就首先提出了建造空間太陽能電站的構(gòu)想。

2012年，英國斯特拉斯克萊德大學(xué)的研究人員在太空測試過一種裝置，可用于收集能量并以微波或鐳射束的形式傳回地球。馬斯米利亞諾·瓦斯勒博士指出：“太空是收集太陽能的理想之地，擁有巨大優(yōu)勢。在太空中，可在一天中的任何時(shí)刻收集太陽能，同時(shí)不會受到天氣條件的制約。”

從長遠(yuǎn)看，空間太陽能電站是可行的，前提條件是需要大力發(fā)展3項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。

首先，空間太陽能電站是一個(gè)巨型的發(fā)電站。太陽能電站、光伏電池、微波轉(zhuǎn)換和發(fā)射天線等裝置的重量將達(dá)到萬噸級以上，組裝時(shí)的運(yùn)輸成本極高，要耗資3000～10000億美元。如果無法減輕系統(tǒng)重量，就不可能降低技術(shù)的復(fù)雜性和建造成本。近年來，美國和日本等國競相研發(fā)太空電梯等空間課題。一旦空間運(yùn)輸技術(shù)的研發(fā)得到突破性發(fā)展，運(yùn)輸成本大幅降低，也許將為空間太陽能電站的建設(shè)提供較大便利。

其次，無線傳輸?shù)男时仨毺岣摺？茖W(xué)家目前研究較多的是微波傳輸、近距離電磁感應(yīng)和諧振，其中微波是實(shí)現(xiàn)從太空到地面最理想的傳輸方式。微波的傳輸距離最遠(yuǎn)，近距離電磁感應(yīng)的傳輸單位是mm～cm，而諧振的傳輸單位也只能到m。2.45 GH或5.8 GH是微波的理想頻率，這兩個(gè)波段都處于紅外線與FM/AM無線電信號之間，最容易穿透大氣層。但也應(yīng)看到，微波最大的問題是傳播效率低，約只有10%。在能量傳遞上，鐳射束損耗小且能量集中，可把地面接收站設(shè)計(jì)建造得更小。鐳射束具有很多優(yōu)勢，能夠定向損毀目標(biāo)。如果利用它來傳輸能量，就需有能夠接收這種高密度能量的技術(shù)。

最后，通過微波傳輸需在地面建造巨大接收天線的儲能電站。微波對環(huán)境的影響是太空向地面?zhèn)鬏斈芰康囊粋€(gè)障礙，在微波的傳輸通道上不能有生物存在。因此，接收微波的電站必須建在沙漠或海洋等無人區(qū)域，占地至少幾公里到幾十公里，條件十分苛刻。另外，在空中要避開航空活動。

美海軍擬用機(jī)器人從太空收集太陽能

圖1 太空太陽能裝置聚焦陽光將能量束傳輸至地面

據(jù)英國《每日郵報(bào)》2014年3月17日報(bào)道，美國海軍工程師公布了一項(xiàng)最新“從太空獲得能量束”的宏偉計(jì)劃。他們認(rèn)為，比國際太空站大9倍的巨型太空太陽能模塊可源源不斷的聚焦太陽能并發(fā)送至地面，為軍事設(shè)施或大小城市提供能量。

保羅·杰斐博士是美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室航天器的著名工程師，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已設(shè)計(jì)建造出兩種用于捕捉并傳輸太陽能的模塊類型，并在模擬太空環(huán)境的真空狀態(tài)內(nèi)進(jìn)行了測試。

第一種模塊采用“三明治”結(jié)構(gòu)，由兩塊方形的太陽能板夾住所有的電子零件，當(dāng)頂層的太陽能發(fā)電板吸收陽光后，中間的零件便將能源轉(zhuǎn)化成無線電波頻，透過底板天線向地面目標(biāo)傳輸能量。這種太陽能模塊將由機(jī)器人在太空中進(jìn)行裝配，最終成為一顆直徑達(dá)1 km的人造衛(wèi)星。它功率強(qiáng)大，將太空收集的太陽能轉(zhuǎn)化成無線電波頻，傳送回地球作電力供應(yīng)。

第二種模塊為“梯級”模塊，面板和底板攤開后呈Z形。這使太陽電池板在無需加熱的前提下，更有效地接收更多陽光的照射。機(jī)器人會在太空將多塊方形板砌成巨型衛(wèi)星為地球供電。

與第一種“三明治”模塊的設(shè)計(jì)相比，“梯級”模塊的性能要高4倍，Z形可使太陽能發(fā)電板吸收更多的陽光但不會過熱。現(xiàn)在已為“梯級”模塊設(shè)計(jì)申請專利。

日本欲打造“月球環(huán)”向地球輸送能量

日本清水公司計(jì)劃建造“月球環(huán)”向地球輸送能量。從有限資源的經(jīng)濟(jì)使用向清潔能源的無限使用轉(zhuǎn)變，是人類的最終夢想，“月球環(huán)”將通過獨(dú)創(chuàng)性的想法與先進(jìn)的太空技術(shù)相結(jié)合，將這一夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

據(jù)該公司的規(guī)劃，其將沿著月球1.1萬km的赤道鋪設(shè)一組寬400 km的太陽電池板帶，以確保始終受到太陽照射，把無碳能源以激光或微波傳輸方式不斷地發(fā)送回地球，在地面接收站轉(zhuǎn)化為電能。月球不存在天氣和光線的障礙，軌道太陽電池板可晝夜發(fā)電。

清水公司認(rèn)為2035年將是“月球環(huán)”合適的開工時(shí)間，因?yàn)槟菚r(shí)軌道太陽電池板，以及通過微波發(fā)射器將能量反射回地球等空間太陽能技術(shù)日臻完善，有足夠的太空基礎(chǔ)設(shè)施來支持這一項(xiàng)目。

圖2 “月球環(huán)”沿著月球1.1萬km的赤道鋪設(shè)

“月球環(huán)”將由機(jī)器人建造，它們將在月球表面執(zhí)行各種任務(wù)，包括抬高地平面和發(fā)掘堅(jiān)硬的地層。科學(xué)家負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目，機(jī)器人實(shí)施的任務(wù)將由他們從地球上遠(yuǎn)距離操控。對微波和激光來說，地球的大氣層幾乎是透明的，因此設(shè)想將通過微波/激光發(fā)射器將太陽能傳回地球正對月球的那一面。隨著月球環(huán)繞地球運(yùn)行且地球本身在自轉(zhuǎn)，國際接收站可將接收到的大量月球太陽能傳遞給電網(wǎng)。

如果一切順利，月球?qū)⒆兂梢粋€(gè)巨型的“空間(太陽能)站”，環(huán)月球太陽能發(fā)電廠可連續(xù)不斷地向地球輸送1.3萬TW的電能。相比之下，2011年全美國的發(fā)電量僅為4100 TW。清水公司表示：“用之不竭且無污染的太陽能是終極的綠色能源，‘月球環(huán)’將給地球和人類帶來永久共存，成功繁榮。”

然而，將太陽電池板搬到軌道上，費(fèi)用要比在地球上建造光電工廠高很多。另外，即使最終環(huán)月球太陽能發(fā)電廠產(chǎn)出的能源可保證賺回建造太陽能發(fā)電廠的開銷，也還要面臨對月球宣布主權(quán)的挑戰(zhàn)。

“月球環(huán)”可能僅是個(gè)概念，看起來似乎有點(diǎn)“遙不可及”。然而隨著當(dāng)今科技的高度發(fā)展，環(huán)月球太陽能發(fā)電廠在經(jīng)歷幾個(gè)迭代過程后，并非不可能實(shí)現(xiàn)。