魅力无穷的太空发电站

高育红

1876年，两位英国科学工作者亚当斯和戴首先发现：用硒半导体可以把太阳光直接转变成电能。尽管这种转变的效率只有百分之一。即用100瓦的太阳光能只能得到1瓦的电能，但这仍是一个历史性的发现和突破!太阳光能的转变效率至今仍停留在20％的水平，预计不久可提高到30％～40％。即使能进一步提高转换效率，在地面，太阳能发电也只能“一班作业”，因为一天中只有白天阳光普照，遇到阴雨天连“一班作业”也实现不了。就是这“一班作业”也只是利用太阳光中很小的一部分能量。

1968年，时任美国利特尔咨询公司太空业务主管的彼得·格拉泽，提出了在太空建立太阳能发电站的计划。因为，在大气层外的空间，没有云雾，没有尘埃，无气候影响之扰，也没有大气的吸收和散射，接收到的太阳能比地面上强7～15倍。更重要的是太阳能电站进入大气层外的轨道时，能始终“跟踪太阳”，做到“日不落”。一天24小时都能发电。从理论上说，在阳光充足的地球轨道上，太阳光在每平方米的面积上具有1336瓦的功率，如果在36000千米高的地球静止轨道上，“架设”一条宽度为1000米的太阳电池阵环带，假定其转换效率达100％，那么它在一年中接收到的太阳能，几乎等于目前地球上已知可开采石油储量所蕴含的能量总和，而且这种太阳能取之不尽，用之不竭，既清洁又环保，其潜在的价值对于正面临能源短缺、生态和环境恶化的地球人类来说，具有重大的战略意义。空间太阳能发电站魅力无限，已引起全世界的高度关注。

何谓空间太阳能发电站

什么是空间太阳能发电站?它是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线方式传输到地面的电力系统。相对于目前已在空间应用的卫星和空间站等太阳能电源系统，其规模和能力要大得多。

空间太阳能发电站主要包括三大部分：太阳能发电装置、能量的转换和发射装置及地面接收和转换装置。太阳能发电装置能将太阳能转化成为电能；能量转换装置将电能转换成微波或激光等形式(也可以直接将太阳能转化为激光)，并利用天线向地面发送能束：地面接收系统接收空间发射来的能束，再通过转换装置将其转换成为电能。整个过程经历了太阳能一电能——微波(激光)——电能的能量转换过程。显然，空间太阳能发电站的建造和运行过程还必须包括大型运载系统和复杂的后勤保障系统。

几起几落

早在1968年，美国科学家格拉泽等人就提出了空间太阳能发电站的计划。他们设想在距地面35800千米的轨道上建造空间太阳能发电站。其太阳能帆板的空间面积为5千米×10千米，重5万吨，太阳能电站的电力用微波传递到地面。但直到上世纪70年代第一次石油危机时，美国航空航天局才对其可行性进行论证，结论是科学上可行，但实践中具有无法克服的困难(技术上和财力上)，估计建造一个5千兆瓦级的空间太阳能发电站需耗资3000亿美元至10000亿美元，为此只得作罢。到20世纪90年代，虽然航天技术、现代技术已有巨大发展，但在高昂的成本面前，决策者只得暂时放弃对空间太阳能发电站的研制。

随着石油价格的飞涨，能源危机和环境保护问题日渐突出，于是空间太阳能发电站再次成了关注的重点。美国、欧洲和日本竞相开展各种相关技术和方案的研究。国际无线电科学联合会发起的空间太阳能发电站的探索研究组成立于2001年，该组织策划的《太阳能发电卫星的白皮书》于2005年发表。2007年在空间太阳能发电站的研制方面有了实质性的进展，如美国国家安全航天局(NSSO)在互联网上面向全球专家征集空间太阳能发电站的设计方案(有170多位专家作出响应)、美国航天学会还宣布成立“天基太阳能未来能源联盟”(SSAFE)。

航天学会的代表马克·霍普金斯指出，太阳能的潜力比地球上所有能源的总和还要大。其能量比全球目前所使用的能源还多几万亿倍。目前人们对空间太阳能发电站已达成共识：它可以为全世界提供清洁、安全、可靠、取之不尽用之不竭的长期稳定的能源。这就为空间太阳能发电站的实施打下了基础。虽经几起几落，空间太阳能发电站终将在数十年后浮出水面，造福人类。

典型方案

日本：从1987年就开始研究空间太阳能发电，并于1990年成立了“SPS2000”空间太阳能系统实用化研究小组，其目标是在2000年。在围绕地球轨道上组建输出10000千瓦的太阳能发电卫星，卫星是一个正三棱柱体，边长335米。柱长303米。总重2401吨，采用分部发射，然后由机器人和自动组装机进行组装，建成后也由机器人维护保养。

由于多种原因，这一计划未能最终实观，但研制工作并没有中断过。现考虑2010年起开始发射空间太阳能电站的部件，直至2040年。预计将建成100万千瓦和500万千瓦的空间太阳能发电站，并通过微波，经1千米长的天线将微波能发射回地球。预计空间太阳能发电站的发电成本为每千瓦小时23日元。

日本还提出了分布式系绳卫星的方案。它由100米×95米的单元板和卫星平台组成，在单元板和卫星平台间用4根2～10千米的系绳悬挂在一起。单元板为太阳电池。总重42.5吨，微波能量传输功率为2.1兆瓦。整个空间太阳能电站由25块单元板组成子板，再由25块子板组成。按这个方案，电站组装和维护十分方便，但重量仍偏大。

美国：美国航空航天局的新构想是在空间建造两种大型太阳能发电站。即“太阳塔”和“太阳碟”。“太阳塔”由一组人造卫星构成，每颗卫星提供200～400兆瓦功率，它们在赤道上空12000千米的低地球轨道上运行。可以同时向几个不同的地面位置提供电能。“太阳碟”可发射到距地球表面3.6万千米的地球同步轨道上，能24小时不间断地将太阳能输送到地面上的一个指定地点，其卫星外形与“太阳塔”相似，但发电量可达2000兆瓦。这两种空间太阳能电站由大量标准构件组成，可以在太空中自动装配，无须航天员动手。计划20年内能投入运行。

美国还提出了“集成对称聚光系统”方案，主要采用先进的轻型薄膜聚光设计概念，可以大大减小系统的重量，并采用了更高效的能量转化传输系统。

欧洲：于1998年提出了太阳帆塔的概念，该方案的基础是美国提出的“太阳塔”，但采用了许多新技术，其中最主要的是采用了可展开的轻型结构——太阳帆，能大大降低重量，减小装配难度，尺寸为150米×150米，发射入轨后可自动展开。在低地球轨道进行组装，再通过电推力器转移至地球同步轨道。

三大难题

空间太阳能发电站是一项耗资巨大、高风险、高回报的战略性航天工程。按照现有的航天技术水平与能力，要将它变成现实，至少还需攻克三大难题：

一是如何把庞大的空间电站发射到太空。估计若需获得50亿瓦电力，发电站总量将达4000多吨。只能采用“化整为零，集零成整”的办法。

二是如何把微波能量传回地球。现有几种方案。一种是将电能通过微波由一架小飞机运回地球，这是日本等国的打算。另一种是准备在同步轨道上装一面直径为1千米的镜子，将呈微波状态的电能反射传输到所需的地方，这是法国人的设想。

三是如何保证地面安全及保护地球环境。人们担心，万一强大的微波技术失控，会不会对人类的健康造成影响?会不会干扰地球的通信联系?科学家们认为只要通过地面信号控制微波发射装置，使它始终对准地面接收站，并将微波泄漏量控制在国际安全标准之内，就不会影响人类的健康和自然界的生态平衡。同时，美国科学家还将设计失效保险装置，万一微波能量失控，可让其在太空中立即自行消散。

此外，大幅度降低进入太空的运输成本，极大地降低技术风险等，也都对建造空间太阳能发电站产生重要影响，不可等闲视之。