前景广阔的字宙太阳能发电站

□吴 硕 编译

前景广阔的字宙太阳能发电站

□吴 硕 编译

宇宙太阳能发电站前景广阔。在不久的将来，人类将发射一万千瓦的实验卫星，当卫星运行接近地面接收天线时，便立即进行输电……

宇宙太阳能发电站的构思

美国航空航天局古文皮特·格雷加博士于1968年最早提出了建造宇宙太阳能发电站（SPS）的设想。他的基本思路是把太阳能发电卫星发射到空间轨道上去，并在太空将太阳能转换成直流电，通过微波传送到地面接收站后即可投入使用。

太阳是个巨大的能源库。

由太阳内部氢核聚变成氦核的热核反应能产生巨大的能量，并以辐射的形式发射到宇宙空间。在没有大气吸收的情况下，太阳向地球表面辐射的能量为每分钟19.5千卡。由于地球包围着一层厚厚的大气层，太阳向地球的辐射能量就会受到影响。相比之下，没有空气、没有阴雨的太空才是利用太阳能量最理想的环境。太空中太阳能强度约为地面的两倍，加之日照时间是地上的四五倍，所以其发电量是地面的8~10倍。也就是说，宇宙发电的效率远比地面要高，是极其稳定的“电力供给源”。这就是为什么要把太阳能发电卫星发射到没有空气的外层空间轨道上去的原因。

但是，围绕着这个构思，也有几个问题需要我们深思。首先，建设100万千瓦的发电站必须发射21000吨的器材，并且要分成千上万次发射升空才能达到这个量。这就需要很长时间和巨额的成本。因此，我们有必要开发宇宙穿梭机，使费用降低到现在火箭发射成本的1/20。

其次，使用与微波炉等相同频率或ISM波段（工业、科学、医疗用波段）输出电力让人感到担忧：如果微波从天空射向地面，电波会不会击中飞鸟把它烤成“烧鹅”？事实上绝对不会。按照已定的电波防护标准，如果以每平方米10瓦左右的微波输出，365天24小时不间断地直接照射，人也不会有问题。

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美日设计的SPS方案

20世纪70年代，美国NASA与能源部设计了一台被称为标准模型的“大型宇宙太阳能发电站”，重量约5万吨，用规格为10×5（千米）的太阳电池板发电，通过直径约1千米的输电天线，以2.45千兆赫的微波将电能输送到地面。地上接收装置的面积是10×13（千米）。SPS的发电能力是1000万千瓦，最终地上能够利用的直流电力是500万千瓦（相当于原子能发电站的5台机组）。但是，其建设费用高达25万亿美元，作为发电站，不具备性价比而作罢。

其后，受日本在微波技术上取得进步的刺激，1995年NASA对SPS的可行性进行了再评估，并提出称之为“圣战”的下一代SPS方案。“圣战”采用长约15千米的集电线为主干，反射镜像树叶那样串联在主干上。用反射镜收集的太阳能经太阳电池变为电力，通过集电线输送到输电天线。圣战SPS具有25万千瓦级发电能力，建设费用0.8亿～1.5亿美元，比起20世纪70年代的标准模型，成本大为降低。

其实，日本研究人员自20世纪80年代起就对被视作SPS关键技术的微波输电进行研究，2006－2007年日本宇宙开发事业团在世界上首次用火箭向距地面400千米的电离层发射母子卫星进行相关实验。母卫星直径最大为40千米，具有50千瓦的发电能力。它将进行用微波向子卫星或地面输电的实验工作，并了解给电离层带来什么影响，结果实验取得成功。由此计划在2015－2020年之间发射1万～10万千瓦级的电力卫星，2040年左右达到建造100万千瓦级商用SPS的目标。但是问题向实用化的路程还很遥远。首要困难是巨额经费问题。100万千瓦的日本版SPS的建设费用是200多亿美元。发电单价以SPS30年的寿命来计算，每千瓦小时是0.2美元，约是火力发电或原子能发电单价的2倍。

建设费用中三成以上是将SPS的部件运送到宇宙的运输费。

再说2015－2020年发射的1万千瓦实验卫星，它呈三角柱状，将在距地面1000千米的高空运行。它巧妙地利用地球引力与离心力的不平衡性，以重力稳定方式，始终以同一侧面向着地球。就像指南针始终指向南北方向一样，卫星的轴始终向着南北方向。

卫星向着地球的一面安装着输电天线，另二面则布满了太阳能电池阵。太阳能电池阵是板状的，由非晶硅组成。

这颗卫星的运行轨道是由西而东。在赤道某点上看，每两小时绕地球一圈。当卫星运行接近地面接收天线时，便立即进行输电。输电天线呈相控阵型，从那里发射出的是频率为2.45千兆赫的微波。

其次，地面为了接收来自SPS输电的微波束，就要建设被称之为“接收天线阵列”的受电设施。地面接收天线的设计有两种类型：一种为“魔术绒毯”型，像变戏法的人手中经常拿的绒毯，抖来抖去，使毯子呈凹凸不平的波浪形。其方式是把简易天线安装在许多立柱上，拉成网眼状，上面盖一层塑料薄膜就成了接收天线。一种类型是用金属丝做成的反射面，这种类型的接收器通过由天线与二极管构成的接收天线，将接收的微波再次转换成直流电力。

此外，假定SPS的输电天线直径为2～2.5千米，那么接收天线列阵的直径也应当是同样尺寸。这样庞大的接收天线列阵，科学家建议应选在靠近能量消费地的海岸边或废弃的高尔夫球场等休闲场所。也有人提议可建造海上的无人岛，用于安置受电装置。因为微波的射束差不多靠近赤道且笔直地射下，接收天线就要尽可能设置在南边，这样受电效率就高。在海上无人岛所得的电力通过电解水部分转换为氢，再将氢用罐装运到本土，利用以氢为燃料的燃料电池等发电。