衛(wèi)星太陽能電站：未來的希望之光

太空探索的內(nèi)容和范圍是無止境的，并正在不斷取得新的進(jìn)展。即以太陽能的利用來說，不僅激勵著航天科技人員的創(chuàng)新熱情，而且將會推動世界各國走上和平之路。據(jù)國外媒體近期報道，美國天體物理學(xué)家奈爾·德葛拉斯·泰森指出，太空探索將使地球變得更加和平，因為各國對地球資源的爭奪將隨之偃旗息鼓。泰森認(rèn)為，若我們能使太陽系成為“自家后院”，“或許會成為有史以來最大的和平推動因素?！庇纱艘部梢钥闯霭l(fā)展航天技術(shù)的重大意義。實際上，航天技術(shù)在開發(fā)太空資源方面的作用是不可估量的。衛(wèi)星太陽能電站就是其中的選項之一。

開發(fā)太陽能是人類發(fā)展的需要

太陽的2000億億億噸質(zhì)量中，氫占78%，即1560億億億噸。如果它全部進(jìn)行聚變，可維持800多億年的熱核反應(yīng)。對于人類來說，可以認(rèn)為太陽具有無窮的能量。太陽的核聚變產(chǎn)生的巨大能量源源不斷地向太陽系各個天體和角落提供著光和熱，其中到達(dá)地球的光和熱雖然只占其中的22億分之一，且有一半又被地球上層大氣反射回空間，但卻是億萬年來地球萬物生生不息的能量源泉。每秒真正被地球吸收的44億分之一的太陽能，計算起來，地球每年接受的太陽能仍達(dá)2.7×1024焦耳，是全世界每年發(fā)電量總和的幾萬倍。這也是通常說的太陽是萬物蔥蘢的地球的母親的重要緣由。

地球上能有興旺發(fā)達(dá)的景象、綠水青山的美麗和萬物茂盛的世界，人類要衷心感謝太陽不間斷地送來的光和熱，同時又特別惋惜更大量的太陽能在星際空間散失掉了。因此，在地球能源越來越緊張的情況下，在探測研究太陽的同時，大力開發(fā)和利用空間太陽能是人類當(dāng)前的一項重要任務(wù)。

衛(wèi)星太陽能電站原理

衛(wèi)星太陽能發(fā)電站就是利用衛(wèi)星技術(shù)，在太空把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，然后以某種方式傳回地球供人類使用的前所未有的天地工程系統(tǒng)。早在1968年，美國科學(xué)家彼得·格拉舍就在《自然》雜志上發(fā)表題為《來自太陽的能源：它的未來》的文章，首次提出了衛(wèi)星太陽能電站的設(shè)想。他認(rèn)為，最好的辦法是把衛(wèi)星太陽能發(fā)電站建在太空，位于地球同步軌道上。他實際指的是將其建在地球靜止軌道上運(yùn)行，連續(xù)不斷地向生活在地面上的人類提供各方面所要使用的電能。

地球同步軌道衛(wèi)星太陽能發(fā)電站，又稱為對地靜止軌道衛(wèi)星太陽能發(fā)電站。這里所講的地球同步軌道衛(wèi)星，是指衛(wèi)星距離地球的高度為35786公里，衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同、運(yùn)行軌道為位于地球赤道平面上的圓形軌道、運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)一周的時間相等，即23小時56分4秒；衛(wèi)星在軌道上的繞行速度約為每秒3.07公里，等于地球自轉(zhuǎn)的角速度。這種傾角為0的圓形地球同步軌道，就稱為地球靜止軌道。換句話說，對地面觀測者而言，每天相同時刻衛(wèi)星出現(xiàn)在相同的方向上，故而從地面上望去，猶如衛(wèi)星停留在空中不動一樣，始終位于地球表面的同一位置上空。按衛(wèi)星軌道高度來說，地球靜止軌道屬于高軌道。在地球靜止軌道上布設(shè)三顆通信衛(wèi)星，即可實現(xiàn)除兩極地區(qū)以外的全球通信，這早已變?yōu)楝F(xiàn)實。設(shè)置在地球靜止軌道上的衛(wèi)星，地面跟蹤容易，收發(fā)控制設(shè)備簡單，已被廣泛用于通信、導(dǎo)航、氣象、偵察、電視直播等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會影響。

彼得·格拉舍在文章中對衛(wèi)星太陽能電站的設(shè)計提出了以下原則：運(yùn)行軌道應(yīng)保證接受面能始終對準(zhǔn)太陽，不斷接收能量，傳輸裝置可把能量向任何地點發(fā)射；光電轉(zhuǎn)換即把太陽光轉(zhuǎn)換成電能的元件應(yīng)能達(dá)到最大的理論效率；傳輸裝置不僅會將電能轉(zhuǎn)換后送回地面，而且傳輸頻率能滿足大氣吸收量最小的要求；地球接受器能夠以需要的能量密度接收，并且能適時傳輸?shù)接脩裟抢?。顯而易見，這是最為節(jié)省能量的創(chuàng)新途徑。

為了保證24小時都在工作，應(yīng)當(dāng)在同步軌道上布置兩個衛(wèi)星太陽能電站。被航天器運(yùn)送到地球靜止軌道和通過高超的空間作業(yè)技術(shù)將其組裝成功的太陽能電池板要足夠大，光電轉(zhuǎn)換元件要選擇比較成熟的硅光電池，能把太陽能轉(zhuǎn)化成電能供地球上的人們使用。實際上，經(jīng)學(xué)者論證，要滿足全球各國用電需求，必須建造10多個地球靜止軌道衛(wèi)星太陽能電站。

空間利用太陽能的優(yōu)勢

空間太陽能電站包括具有如下功能的三部分設(shè)施組成：首先是主要由太陽電池組成的大面積的太陽能收集器，即兩塊大型太陽能電池板，通過光電效應(yīng)直接把太陽能轉(zhuǎn)換成電能；其次是把直流電轉(zhuǎn)換成微波電能的設(shè)備，通過發(fā)射天線24小時不停地送往地球；最后是地面接收站接收衛(wèi)星太陽能站發(fā)來的微波束后，經(jīng)過整流即可向用戶供電，達(dá)到使用目的。

在宇宙空間利用太陽能具有比在地球表面利用太陽能更為優(yōu)越的條件，這無疑是一種極大的創(chuàng)新之舉。一是由于地球的自轉(zhuǎn)，地球表面一天中將近一半時間無法充分利用太陽能，而宇宙空間則基本上沒有白天黑夜之分，衛(wèi)星即可解決這一問題。地球靜止軌道易于對地球定向，落入地影的時間短，除春分和秋分少量時間外，一年四季不分晝夜都可供電。這種不受氣候條件限制的太陽能站比同樣規(guī)模的地球太陽能站接收的太陽能要高出5～6倍，預(yù)計它的送電能力可達(dá)到3000～15000兆瓦。二是太陽光穿過大氣層到達(dá)地球表面時，其輻射強(qiáng)度已經(jīng)大大減弱，到達(dá)地面的陽光，又有相當(dāng)一部分被反射回去。據(jù)計算，在宇宙空間接收的太陽能要比在地球上至少多4倍以上，為衛(wèi)星電站提供了充分能源。三是在太空地球靜止軌道上建電站不像在地球上那樣會受到緯度、地理環(huán)境、云層等客觀因素的影響。四是太空接近真空狀態(tài)，并且溫度非常低，這樣可以大大延長太陽電池以及輔助設(shè)備的工作壽命，從而長期使用更顯得節(jié)省成本。況且太空電站無需蓄能設(shè)備就可以源源不斷地向地球輸送電能，如果在太空中建起足夠數(shù)量的衛(wèi)星太陽能電站，地球的環(huán)境將不會再受到當(dāng)前難以避免的如此大的污染和破壞，各國也不會為能源屬地問題、價格高低原因而爭執(zhí)甚至動武。目前，已經(jīng)有一些國家提出了衛(wèi)星太陽能電站的設(shè)計方案。

在地面上使用硅整流二極管天線接收衛(wèi)星太陽能電站發(fā)回的微波，并將其直接轉(zhuǎn)換成直流電輸送給用戶。這里需要說明的是，硅整流二極管天線是利用硅肖特基勢壘二極管串并聯(lián)連接起來的作用，并要求各偶極串的長度及配置間隔與微波的波長相吻合，這樣就能把直接經(jīng)過全波整流的直流輸出在饋線導(dǎo)體部分取出。采用這種硅整流二極管天線接受微波的效果甚佳，可以達(dá)到90%以上，損失不到10%。這也是遙遠(yuǎn)的空間太陽能電站的優(yōu)勢之一。

初期建設(shè)成本高

經(jīng)過大量研究，得出的結(jié)論是令人樂觀的。建造大型衛(wèi)星太陽能電站并不存在很大的技術(shù)難題，只是初期建設(shè)成本很高，其建設(shè)工程浩大、技術(shù)復(fù)雜，僅電池板就有幾十平方公里之大，數(shù)千噸重，需要類似航天飛機(jī)的載人航天器分批送往軌道，航天員逐步將其組裝成型，但建成以后的運(yùn)行成本很低。這一勢在必行的設(shè)想，無疑對于解決地球能源危機(jī)問題提供了一個新的思路和途徑。鑒于航天飛機(jī)己經(jīng)停飛，且在使用期間也從未飛到3.6萬公里的高空，研制新型載人航天器并到達(dá)地球靜止軌道的高度尚有一定難度，要實現(xiàn)上述目標(biāo)，尚需時日。

利用太陽能，代表著21世紀(jì)能源科學(xué)發(fā)展的方向。盡管空間太陽能電站的研究離人類實際應(yīng)用還有一定的距離，但這種創(chuàng)新的構(gòu)想一定程度上也標(biāo)志著人類大規(guī)模開發(fā)利用太陽能資源的開始。假如在太空中建成多個衛(wèi)星太陽能電站，那將解決人類對能源的需求。勿容置疑，此一壯舉如獲成功，必將啟發(fā)智慧的人類在利用其他太空資源上廣開思路、多下功夫，加速航天事業(yè)的前進(jìn)步伐，造福子孫后代。