前景廣闊的字宙太陽能發電站

□吳 碩 編譯

前景廣闊的字宙太陽能發電站

□吳 碩 編譯

宇宙太陽能發電站前景廣闊。在不久的將來，人類將發射一萬千瓦的實驗衛星，當衛星運行接近地面接收天線時，便立即進行輸電……

宇宙太陽能發電站的構思

美國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陽能發電站（SPS）的設想。他的基本思路是把太陽能發電衛星發射到空間軌道上去，并在太空將太陽能轉換成直流電，通過微波傳送到地面接收站后即可投入使用。

太陽是個巨大的能源庫。

由太陽內部氫核聚變成氦核的熱核反應能產生巨大的能量，并以輻射的形式發射到宇宙空間。在沒有大氣吸收的情況下，太陽向地球表面輻射的能量為每分鐘19.5千卡。由于地球包圍著一層厚厚的大氣層，太陽向地球的輻射能量就會受到影響。相比之下，沒有空氣、沒有陰雨的太空才是利用太陽能量最理想的環境。太空中太陽能強度約為地面的兩倍，加之日照時間是地上的四五倍，所以其發電量是地面的8~10倍。也就是說，宇宙發電的效率遠比地面要高，是極其穩定的“電力供給源”。這就是為什么要把太陽能發電衛星發射到沒有空氣的外層空間軌道上去的原因。

但是，圍繞著這個構思，也有幾個問題需要我們深思。首先，建設100萬千瓦的發電站必須發射21000噸的器材，并且要分成千上萬次發射升空才能達到這個量。這就需要很長時間和巨額的成本。因此，我們有必要開發宇宙穿梭機，使費用降低到現在火箭發射成本的1/20。

其次，使用與微波爐等相同頻率或ISM波段（工業、科學、醫療用波段）輸出電力讓人感到擔憂：如果微波從天空射向地面，電波會不會擊中飛鳥把它烤成“燒鵝”？事實上絕對不會。按照已定的電波防護標準，如果以每平方米10瓦左右的微波輸出，365天24小時不間斷地直接照射，人也不會有問題。

奧

美日設計的SPS方案

20世紀70年代，美國NASA與能源部設計了一臺被稱為標準模型的“大型宇宙太陽能發電站”，重量約5萬噸，用規格為10×5（千米）的太陽電池板發電，通過直徑約1千米的輸電天線，以2.45千兆赫的微波將電能輸送到地面。地上接收裝置的面積是10×13（千米）。SPS的發電能力是1000萬千瓦，最終地上能夠利用的直流電力是500萬千瓦（相當于原子能發電站的5臺機組）。但是，其建設費用高達25萬億美元，作為發電站，不具備性價比而作罷。

其后，受日本在微波技術上取得進步的刺激，1995年NASA對SPS的可行性進行了再評估，并提出稱之為“圣戰”的下一代SPS方案。“圣戰”采用長約15千米的集電線為主干，反射鏡像樹葉那樣串聯在主干上。用反射鏡收集的太陽能經太陽電池變為電力，通過集電線輸送到輸電天線。圣戰SPS具有25萬千瓦級發電能力，建設費用0.8億～1.5億美元，比起20世紀70年代的標準模型，成本大為降低。

其實，日本研究人員自20世紀80年代起就對被視作SPS關鍵技術的微波輸電進行研究，2006－2007年日本宇宙開發事業團在世界上首次用火箭向距地面400千米的電離層發射母子衛星進行相關實驗。母衛星直徑最大為40千米，具有50千瓦的發電能力。它將進行用微波向子衛星或地面輸電的實驗工作，并了解給電離層帶來什么影響，結果實驗取得成功。由此計劃在2015－2020年之間發射1萬～10萬千瓦級的電力衛星，2040年左右達到建造100萬千瓦級商用SPS的目標。但是問題向實用化的路程還很遙遠。首要困難是巨額經費問題。100萬千瓦的日本版SPS的建設費用是200多億美元。發電單價以SPS30年的壽命來計算，每千瓦小時是0.2美元，約是火力發電或原子能發電單價的2倍。

建設費用中三成以上是將SPS的部件運送到宇宙的運輸費。

再說2015－2020年發射的1萬千瓦實驗衛星，它呈三角柱狀，將在距地面1000千米的高空運行。它巧妙地利用地球引力與離心力的不平衡性，以重力穩定方式，始終以同一側面向著地球。就像指南針始終指向南北方向一樣，衛星的軸始終向著南北方向。

衛星向著地球的一面安裝著輸電天線，另二面則布滿了太陽能電池陣。太陽能電池陣是板狀的，由非晶硅組成。

這顆衛星的運行軌道是由西而東。在赤道某點上看，每兩小時繞地球一圈。當衛星運行接近地面接收天線時，便立即進行輸電。輸電天線呈相控陣型，從那里發射出的是頻率為2.45千兆赫的微波。

其次，地面為了接收來自SPS輸電的微波束，就要建設被稱之為“接收天線陣列”的受電設施。地面接收天線的設計有兩種類型：一種為“魔術絨毯”型，像變戲法的人手中經常拿的絨毯，抖來抖去，使毯子呈凹凸不平的波浪形。其方式是把簡易天線安裝在許多立柱上，拉成網眼狀，上面蓋一層塑料薄膜就成了接收天線。一種類型是用金屬絲做成的反射面，這種類型的接收器通過由天線與二極管構成的接收天線，將接收的微波再次轉換成直流電力。

此外，假定SPS的輸電天線直徑為2～2.5千米，那么接收天線列陣的直徑也應當是同樣尺寸。這樣龐大的接收天線列陣，科學家建議應選在靠近能量消費地的海岸邊或廢棄的高爾夫球場等休閑場所。也有人提議可建造海上的無人島，用于安置受電裝置。因為微波的射束差不多靠近赤道且筆直地射下，接收天線就要盡可能設置在南邊，這樣受電效率就高。在海上無人島所得的電力通過電解水部分轉換為氫，再將氫用罐裝運到本土，利用以氫為燃料的燃料電池等發電。