在天上发电

□ 迟 惑

地球上的几乎所有电力，其根本来源都是阳光，这已经是常识了。如果能直接利用阳光发电，就可以省去挖掘石油或者煤炭的麻烦，也省去了建造和运行核电站的危险。但是阳光的能量经过大气的过滤和遮挡，能抵达地面的已经不足80%。何况，即使在地球上光照最充足的地方建设的太阳能电站，在夜间也只能停工。加上当今的太阳能电池转换效率极为有限，地面发电能力不足以和热电厂、核电站或者水电站相提并论。

如果把太阳电池搬出大气层，漂浮在太空中，发电能力是不是会有所提高呢？

良好的前景

如果把太阳能电站搬到天上，不但可以避免大气对太阳光能量的损耗，还可以避免夜晚、恶劣天气等导致的电站停工。另外，太阳光可以垂直入射到太阳电池板上，利用效率很高。总体来说，太空中的太阳光能密度可以达到1365W/m2，比地球表面高10倍以上。

早在1968年，美国科学家彼得·格拉泽博士在《科学》杂志上提出了“太阳能发电卫星”（Solar Power Satellite，SPS）的概念。此后，美国、欧洲、日本等发达国家的科研人员都对此进行了广泛研究，并成立了一个国际研究组织，称为空间发电联合会。

当前设想的太阳能发电系统，由太阳能发电部分、天对地能量传输部分和地面接收部分组成。就发电部分而言，学术界提出过两种方案，一种使用太阳能电池直接发电，一种是用太阳热能驱动机械式发电机发电。前者的系统组成相对简单，是当前研究的重点。

天对地能量传输部分和地面接收部分的争议最大。目前各方提出的方案集中在微波和激光两类。也就是把发电部分输出的电力变成微波或者激光，照射到地面的接收阵上，再变成电力。这听起来很简单，可是如何能把强大的电力穿过大气送达地球，又不伤及波束中的人、动物和其他设备呢？很多科幻电影中都设想过天基激光或者天基微波武器攻击地面目标的场景，桥梁、建筑和汽车像被无形的刀刃划过一样断裂开来。这种事情当然不能发生在太阳能发电系统里。因此，波束内的功率会被限制在一个值以下，

阿斯特里姆公司技术总监罗伯特·莱恩表示，红外激光可以实现每平方米1千瓦～2千瓦的功率密度，且完全符合有关安全限制。他说：“人们可以在这样的激光波束中行走，鸟类也可以在其中飞翔，没有任何环境问题。”

各国积极研究

当下，世界多个国家都对空间太阳能发电有兴趣，特别是具有航天能力的美、俄、欧、日、加、印等国。其中美、日、欧的研究较为深入。

天基太阳能发电站示意图

天基太阳能发电系统由空间段和地面接收设施组成。空间段包括3个部分；一是太阳能收集器，用于将太阳能转化成直流电；二是转换器，将直流电转换为微波能量；三是一部巨型天线阵，将微波能量通过波束传回地面

太阳能电力转换成的微波能量到达地面

日本作为一个资源极为短缺的国家，早在1987年就成立了太阳能发电卫星研究组，进入21世纪后又提出了实施空间太阳能发电卫星的工程方案，到2009年日本启动了新的微波功率传输研究计划。按照日本的计划，将在2020年发射和试验10兆瓦的柔性光伏电源结构，2040年建造100万千瓦和500万千瓦的天基太阳能发电站，并通过1千米长的天线将微波能发射回地球。由于日本国土狭小，其设想的地面接收阵设在海上。2011年的大地震导致福岛核电站事故后，日本航天部门更加重视天基太阳能发电的工程化、应用化。但以日本当前的财力，是否能实现2040年建造电站的计划，尚在未定之天。

欧洲同样重视空间太阳能发电，欧洲航天局组织德国、法国、意大利等国开展研究，提出了多个方案。

在空间太阳能发电方面，研究水平最高的当然还是美国。而且美国是军、政、商一起上阵。NASA在上世纪60年代就开始研究无线电力传输技术，到70年代就开展了空间太阳能发电的可行性研究。但到了80年代，美国国家研究委员会和国会技术评估办公室计算发现，空间太阳能电站在经济上难以实现——换言之，花钱太多了，于是停止开发。但到了1995年，NASA再次把空间太阳能电站提上了议事日程。NASA提出的第一种方案称为“太阳塔”（Sun Tower），是用一个塔型桁架配装多个圆盘形太阳能部件。圆盘发射时折叠起来，装配完成后充气展开，每一对圆盘的输出功率2兆瓦～3兆瓦。“太阳塔”用一个直径500米圆形设备，以5.8GHz的频率向地面发射电力，纬度±50º内可以接收到约1200兆瓦的功率。另一种方案称为“太阳盘”，采用自动跟踪太阳的大型自旋稳定向太阳电池阵。输出功率约5吉瓦。

此后，美国科技界不断提出和完善不同的天基太阳能电站方案，基本瞄准了2030年前后投入使用这个时间节点。最近，空间发电联合会主席约翰·曼金斯宣布，他参加的一项由NASA出资“太阳能发电卫星”先进研究项目取得了进展。这个项目采用了所谓“任意大型相控阵”(SPS-Alpha)技术。这种技术不再试图建造大型空间结构，而是大量生产质量在100千克～300千克的“智能”发电小卫星和电力发射小卫星。前者入轨后组成蜂巢状的星座，采集、转换太阳能。后者也组成一个星座，将前者采集到的电力发射回地球。因为卫星的产量大，所以成本较低。他说：“这将显著降低研发的时间和费用，能用更低的价格、更容易地实施制造，并显著提高可靠性。”

太阳能发电站收集器的蜂巢结构

太阳能发电站的收集器

太阳能电力地面接收设备

地面接收设备接收微波

天基太阳能电站的收集器安放在遥远的太空中

当然，空间太阳能发电距离真正建造和发射发电卫星，还有很长的距离。即使最热心的日本人也承认，前方还存在着巨大的技术障碍。日本宇航科学研究所的佐佐木进在第63届IAF大会上发表论文称：“天基太阳能发电（SSP）面临的主要问题是要将SSP技术应用到吉瓦功率、千米尺寸、万吨质量等级的巨型SSP系统中，并且有必要保证其发电的价格能与现有地面发电系统相竞争。”佐佐木进认为，如果要在2030年代开始部署商用SSP航天器，首先必须在今后10年内在SSP电力传输方面取得“巨大的进步”，此后再用10年时间在大型空间结构方面取得显著进步，最后再用5年时间来推动航天运输技术的发展，以启动SSP服务。例如在日本模式中，光伏电池的效率要从当前的15%～30%提高到35%～40%，单位发电功率所需的质量要从当前的10～100g/W改进到1g/W，设计寿命要从当前的10年提高到30～40年。而发电成本要从今天的每瓦4美元～6美元降低到每瓦0.5美元～1美元。

空间太阳能发电与载人航天

此外，空间太阳能电站的建设依赖于载人航天技术的发展。不但电站的建设很可能需要航天员来实施，电站的维护也需要人来实施。。著名科幻作家阿西莫夫就曾经在《我 机器人》系列作品中，设想过由两个人在指挥一群机器人，在空间太阳能电站上工作，把电力传回地球。

人类第一次进入太空已经是50多年前的事情。世界主要航天国家也为载人航天投入了巨大的资源，如果没有实际的效益产生，要说服民众和立法机构继续大量投资于载人航天，会存在一些阻力。为此，近年来国际航天界一直在探索载人航天的未来是什么。

在去年的一份航天政策论文中，提出载人航天的未来可能有四个发展方向：探索火星、加速太空旅行、对地的空间太阳能发电和到月球定居。经过分析，作者明显倾向于把对地的空间太阳能发电作为载人航天的发展方向。作者指出，要想建设太阳能电站，必须把大量千米级大小的发电卫星部署到高轨道上。不但如此，还为这些卫星提供维护。那么空间建设和维护就成为日常化的工作，需要大量的人手，将会有上百甚至上千的技术工人长期驻扎在太空。相应地就需要大量的空间工作者来对服务提供支持，譬如打理宿舍、餐厅、杂货店、医院等服务工作。

其实，当代著名中国科幻作家刘慈欣也在作品《中国太阳》曾经做过类似的设想。他在作品中描绘了一位农村少年，因为完全没有恐高症，进城当了一名高层建筑的玻璃幕墙清洗工。他结识了一位航天专家后，被选拔到空间太阳反射镜上负责清理镜面，最后踏上了星际航行的旅程。所以，今天在摩天大楼顶端忙碌的青年建筑工，也许就是多少年后的空间电站技师呢。

小结

从长远来说，人类要想普遍性地提高生活水平，是肯定不能仅仅依赖化石能源的。多年以来一直流传着一个论调：如果中国达到美国的生活水平，可能要两个地球的资源才够用。而这些资源当中，首当其冲的就是能源。但是任何国家和民族都拥有追求美好富足生活的权利。当地表以下的能源不再够用，人们把目光投向外太空，是合情合理的。

总体来说，SSP似乎是个不错的主意。不过一些民间人士却提出了自己的观点：无论是用微波还是激光来回传能量，波束在穿过大气层的过程中，都会有一部分能量被大气吸收，转换为气体的热能。而传到地面，为人们所用的能量，最终也会在各种机械、电子设备等的运行中，变成热能耗散到大气中。这些能量原本是不会存在于地球大气层之内的。它们的存在，会不会改变大气的流动，乃至影响全球气候和环境？会不会真的导致全球变暖？这或许是需要科学家们进一步计算、分析的问题。

天基太阳能电力将照亮未来城市的夜空