空間太陽能開始走向人間

錢煒

隨著一紙供電協議的簽署，被列為“未來七大工程奇跡”之一的空間太陽能技術已經悄然邁入現實。在國外對空間太陽能電站的研究進行了幾十年之后，中國制定了發展空間太陽能的路線圖：今年啟動關鍵技術研究，2050年實現商用

在赤道上方高遠的地球靜止軌道，環繞著晶瑩閃耀的太陽能電池板帶，它們充分地吸收陽光，全天候地從36000公里以外的太空，以微波的形式連續不斷地向地球輸送電力。這聽起來像是最近流行的科幻小說《三體》里的情節，但實際上已離我們并不遙遠——再過5年，美國舊金山及北加利福尼亞地區的部分居民即有望率先用上來自太空的電能。

今年4月，美國太平洋天然氣及電力公司(PG&E)同意從2016年起，向Solaren公司購買200兆瓦的電力。Solaren公司的特別之處在于，他們將把太陽能電池板發射到地球軌道上，再將其生成的能量傳送至位于加州弗雷斯諾的電站，并最終輸入到常規電網。

盡管航天器和衛星經常使用太陽能電池板為自身提供能量，但大規模開發太空太陽能，并將其傳輸到地球上，卻是個新奇而令人興奮的想法。雖然空間太陽能技術被列為“未來七大工程奇跡”之一，但是Solaren公司的最新嘗試卻令人感到，這項屬于未來的技術已在現實中悄然邁開腳步。

40年前的構想，40年后的預期

理論上計算，在陽光充足的地球靜止軌道上，每平方米太陽能能產生1336瓦熱量。如果在這一區域部署一條寬度為1000米的太陽能電池陣環帶，假定其轉換效率為100% ,那么，它在一年中接收到的太陽輻射通量差不多等于目前地球上已知可開采石油儲量所包含能量的總和。

相對于地面太陽能光伏發電，空間太陽能發電具有明顯的效率優勢。中國空間技術研究院副院長李明研究員表示，由于太空中無空氣效應，且可以24小時正對太陽照射角度，因此其發電效率幾乎相當于地面太陽能光伏設備的5～6倍。

實際上，利用太空中的太陽能并非是近幾年出現的新構想。早在1968年，美國科學家彼得·格拉賽就提出了空間太陽能電站的原型。它實際上是一個太陽能發電衛星(SPS），由大型聚光面鏡、大面積太陽能電池陣和微波發射器等組成。

格拉塞的這一設想在當時很快引起了美國航空航天局（NASA）的興趣。1970年代，NASA投入了大量經費進行研究，并提出了“1979 SPS基準系統”方案。該系統由60個5吉瓦的衛星組成，設計容量共300吉瓦，可滿足美國三分之二的電力需求。

然而，由于當時技術條件尚不成熟，再加上成本昂貴——預算高達2750億美元，該項目最終不了了之。NASA空間太陽能項目前主管、國際宇航學會第3委員會主席約翰·曼金斯分析說，導致這一計劃落空的另一個原因是，NASA的主業是空間探索，向地球提供能量并不屬于該機構的使命。

“9·11”事件后，反恐戰爭改變了美國的國家安全戰略，空間太陽能電站技術再次成為關注的重點。資料顯示，在過去30年里，美國共耗資8000萬美元對空間太陽能發電概念進行研究。

除了美國，日本與歐盟也早已展開了對該領域的探索。2009年，日本宣布以三菱公司為主的集團將在2030～2040年間建設世界第一個吉瓦級商業SPS系統，總投資額將超過200億美元。而歐盟則提出了“太陽帆塔”計劃，該計劃主要采用一種可展開的輕型結構——太陽帆。其中每一塊太陽帆電池陣為一個模塊，尺寸為150米×150米，發射入軌后自動展開，在低地軌道進行系統組裝，再通過電推力器轉移至地球同步軌道。

國外對空間太陽能電站的研究已進行了幾十年，估計到2030年，空間電力產業將進入商業化階段。面對此發展態勢，中國的很多專家都認為，如果再不迎頭趕上，就將被美、日等國家遠遠地甩在后邊。

在去年8月的空間太陽能電站發展技術研討會上，12位兩院院士與100多位業內專家經過討論，拿出了中國發展空間太陽能的路線圖，并制定了詳細的“分四步走”戰略。根據該方案，中國將從2011年起啟動對空間太陽能電站關鍵技術的研究，在2030年發射空間太陽能電站的“測試版”系統，并在2050年實現商用。

對此，北京科技大學材料科學與工程學院教授張迎春對《中國新聞周刊》表示，目前，以中國空間技術研究院為主的一些科研機構已經開展了實際的研究。

龐大的系統工程

空間太陽能電站的電能傳輸有兩種技術路線。在Solaren公司的計劃中，是用微波來傳輸能量。該公司CEO加里·斯皮納克表示，這一過程使用的技術實際上是基于通信衛星技術，因而目前已相當成熟；而另一方面，微波傳送過程中的能耗也低于地球上傳輸電纜的能耗。

而日本的項目則是采用激光傳輸。張迎春對此解釋說，雖然原理相同，但由于傳輸方式的不同，這兩種類型的空間太陽能電站的結構完全不同。“激光傳輸的空間太陽能電站是將太陽能直接轉化為激光，發射回地球，再轉化為電能；而微波傳輸，則是把太陽能轉化為電能，再將電能轉化為微波，輸送到地球后最終還原為電能。”兩種技術路線相比較，激光會受到天氣的影響，而微波技術則相對穩定，也更成熟一些。張迎春透露說，中國目前傾向于發展基于微波傳輸的空間太陽能電站。

無論哪種技術路線，都涉及到新材料的研發。基于激光的空間太陽能電站，需要有將太陽能轉化為激光的介質。而對于微波傳輸系統來說，其核心材料是適用于太空的太陽能電池板。與用于地面的太陽能電池板相比，太空中的太陽能電池板需有防宇宙射線輻射的能力，有更高的發電效率，以及更長的使用壽命。“由于成本昂貴，空間太陽能電池板不能像在地球上一樣，用個十幾年就報廢了，需要起碼能使用30來年。而理想的發電效率在30%～40%。”張迎春說。

對于材料問題，Solaren公司副總裁凱爾·伯爾曼在接受《中國新聞周刊》電話采訪時不愿透露具體的信息。但他表示，他們的“多衛星空間太陽能運行系統”已于2006年獲得美國的“整系統專利保護”。

除了材料上的難題，建造空間太陽能電站更是一個涉及到多學科、龐大的系統工程，對現有的航天器技術提出了很大的挑戰。首先是空間太陽能電站的規模更大，質量達到萬噸以上，比目前的衛星高出4個數量級，需要采用新材料和新型運載技術；其次，它的面積延綿數公里以上，比目前的衛星高出6個數量級，需要采用特殊的結構、空間組裝和姿態控制技術；此外，空間太陽能的功率也更大，為吉瓦級，比目前的衛星高出6個數量級，需要特別的電源管理和熱控技術。

將來一旦空間太陽能電站開始運行，還會面臨更多新的問題，比如，需采取相應措施對波束進行安全控制，解決空間太陽能電站對飛行器的影響，以及防止空間碎片可能對其造成損害等問題。

與未來“簽約”

與技術相比，成本問題或許是制約空間太陽能電站發展更主要的因素。歷史上，美國在該領域數次折戟，都與預算太高有關。據中國國內有關專家估算，建設一個空間太陽能發電站需要耗資3000億至1萬億美元。以一個1吉瓦量級的空間太陽能電站為例，假設壽命為30年，總發電量大約為2400億千瓦時，以目前的地面太陽能電價計算，其所獲得的收益不超過400億美元。

Solaren公司同樣面臨資金問題的困擾。據伯爾曼透露，盡管他們這套系統造價要遠遠低于以往的類似計劃，但總共所需要的幾十億美元資金仍遠遠高于可再生能源項目通常所需的1億至2億美元投資。目前，Solaren與PG&E的協議剛剛經過加州公用事業管理局和加州能源局的許可，正在等待美國聯邦政府的最終批準。所以，PG&G公司實際上尚未向Solaren注入資金。不過，伯爾曼表示，他們已經找到更大的投資者，愿意為此提供支持。

約翰·曼金斯則告訴《中國新聞周刊》，太空太陽能的電價，最初約為2～3美元，隨著相關關鍵技術的突破，未來其電價成本應可以降至每度5美分～15美分。

而在張迎春看來，按照目前航天器的研制、發射成本，空間太陽能確實還無法與現有能源競爭。但若考慮到全球能源日益緊缺的局面，作為未來的戰略能源，空間太陽能則不失為很好的選擇。

他還補充說，除了從能源角度出發，發展空間太陽能也有軍事上的考慮。空間太陽能電站雖然不具有特別的攻擊能力，但作為一個大功率空間電源系統，可與其他軍事技術結合成為攻擊性武器。此外，空間太陽能電站可能用于軍事設施的無線供電，從而充當間接的軍事設施。

展望更為遙遠的未來，張迎春描述了一幅頗具“科幻”色彩的場景：“人類探索太空的步伐會走得越來越遠。而未來的空間太陽能電站，不僅可以設在地球靜止軌道上，也可以設置在太空中的其他地方，作為人類太空飛行器的中途能源補給站。”