衛星太陽能電站：未來的希望之光

太空探索的內容和范圍是無止境的，并正在不斷取得新的進展。即以太陽能的利用來說，不僅激勵著航天科技人員的創新熱情，而且將會推動世界各國走上和平之路。據國外媒體近期報道，美國天體物理學家奈爾·德葛拉斯·泰森指出，太空探索將使地球變得更加和平，因為各國對地球資源的爭奪將隨之偃旗息鼓。泰森認為，若我們能使太陽系成為“自家后院”，“或許會成為有史以來最大的和平推動因素。”由此也可以看出發展航天技術的重大意義。實際上，航天技術在開發太空資源方面的作用是不可估量的。衛星太陽能電站就是其中的選項之一。

開發太陽能是人類發展的需要

太陽的2000億億億噸質量中，氫占78%，即1560億億億噸。如果它全部進行聚變，可維持800多億年的熱核反應。對于人類來說，可以認為太陽具有無窮的能量。太陽的核聚變產生的巨大能量源源不斷地向太陽系各個天體和角落提供著光和熱，其中到達地球的光和熱雖然只占其中的22億分之一，且有一半又被地球上層大氣反射回空間，但卻是億萬年來地球萬物生生不息的能量源泉。每秒真正被地球吸收的44億分之一的太陽能，計算起來，地球每年接受的太陽能仍達2.7×1024焦耳，是全世界每年發電量總和的幾萬倍。這也是通常說的太陽是萬物蔥蘢的地球的母親的重要緣由。

地球上能有興旺發達的景象、綠水青山的美麗和萬物茂盛的世界，人類要衷心感謝太陽不間斷地送來的光和熱，同時又特別惋惜更大量的太陽能在星際空間散失掉了。因此，在地球能源越來越緊張的情況下，在探測研究太陽的同時，大力開發和利用空間太陽能是人類當前的一項重要任務。

衛星太陽能電站原理

衛星太陽能發電站就是利用衛星技術，在太空把太陽能轉化成電能，然后以某種方式傳回地球供人類使用的前所未有的天地工程系統。早在1968年，美國科學家彼得·格拉舍就在《自然》雜志上發表題為《來自太陽的能源：它的未來》的文章，首次提出了衛星太陽能電站的設想。他認為，最好的辦法是把衛星太陽能發電站建在太空，位于地球同步軌道上。他實際指的是將其建在地球靜止軌道上運行，連續不斷地向生活在地面上的人類提供各方面所要使用的電能。

地球同步軌道衛星太陽能發電站，又稱為對地靜止軌道衛星太陽能發電站。這里所講的地球同步軌道衛星，是指衛星距離地球的高度為35786公里，衛星的運行方向與地球自轉方向相同、運行軌道為位于地球赤道平面上的圓形軌道、運行周期與地球自轉一周的時間相等，即23小時56分4秒；衛星在軌道上的繞行速度約為每秒3.07公里，等于地球自轉的角速度。這種傾角為0的圓形地球同步軌道，就稱為地球靜止軌道。換句話說，對地面觀測者而言，每天相同時刻衛星出現在相同的方向上，故而從地面上望去，猶如衛星停留在空中不動一樣，始終位于地球表面的同一位置上空。按衛星軌道高度來說，地球靜止軌道屬于高軌道。在地球靜止軌道上布設三顆通信衛星，即可實現除兩極地區以外的全球通信，這早已變為現實。設置在地球靜止軌道上的衛星，地面跟蹤容易，收發控制設備簡單，已被廣泛用于通信、導航、氣象、偵察、電視直播等領域，產生了巨大的經濟效益和社會影響。

彼得·格拉舍在文章中對衛星太陽能電站的設計提出了以下原則：運行軌道應保證接受面能始終對準太陽，不斷接收能量，傳輸裝置可把能量向任何地點發射；光電轉換即把太陽光轉換成電能的元件應能達到最大的理論效率；傳輸裝置不僅會將電能轉換后送回地面，而且傳輸頻率能滿足大氣吸收量最小的要求；地球接受器能夠以需要的能量密度接收，并且能適時傳輸到用戶那里。顯而易見，這是最為節省能量的創新途徑。

為了保證24小時都在工作，應當在同步軌道上布置兩個衛星太陽能電站。被航天器運送到地球靜止軌道和通過高超的空間作業技術將其組裝成功的太陽能電池板要足夠大，光電轉換元件要選擇比較成熟的硅光電池，能把太陽能轉化成電能供地球上的人們使用。實際上，經學者論證，要滿足全球各國用電需求，必須建造10多個地球靜止軌道衛星太陽能電站。

空間利用太陽能的優勢

空間太陽能電站包括具有如下功能的三部分設施組成：首先是主要由太陽電池組成的大面積的太陽能收集器，即兩塊大型太陽能電池板，通過光電效應直接把太陽能轉換成電能；其次是把直流電轉換成微波電能的設備，通過發射天線24小時不停地送往地球；最后是地面接收站接收衛星太陽能站發來的微波束后，經過整流即可向用戶供電，達到使用目的。

在宇宙空間利用太陽能具有比在地球表面利用太陽能更為優越的條件，這無疑是一種極大的創新之舉。一是由于地球的自轉，地球表面一天中將近一半時間無法充分利用太陽能，而宇宙空間則基本上沒有白天黑夜之分，衛星即可解決這一問題。地球靜止軌道易于對地球定向，落入地影的時間短，除春分和秋分少量時間外，一年四季不分晝夜都可供電。這種不受氣候條件限制的太陽能站比同樣規模的地球太陽能站接收的太陽能要高出5～6倍，預計它的送電能力可達到3000～15000兆瓦。二是太陽光穿過大氣層到達地球表面時，其輻射強度已經大大減弱，到達地面的陽光，又有相當一部分被反射回去。據計算，在宇宙空間接收的太陽能要比在地球上至少多4倍以上，為衛星電站提供了充分能源。三是在太空地球靜止軌道上建電站不像在地球上那樣會受到緯度、地理環境、云層等客觀因素的影響。四是太空接近真空狀態，并且溫度非常低，這樣可以大大延長太陽電池以及輔助設備的工作壽命，從而長期使用更顯得節省成本。況且太空電站無需蓄能設備就可以源源不斷地向地球輸送電能，如果在太空中建起足夠數量的衛星太陽能電站，地球的環境將不會再受到當前難以避免的如此大的污染和破壞，各國也不會為能源屬地問題、價格高低原因而爭執甚至動武。目前，已經有一些國家提出了衛星太陽能電站的設計方案。

在地面上使用硅整流二極管天線接收衛星太陽能電站發回的微波，并將其直接轉換成直流電輸送給用戶。這里需要說明的是，硅整流二極管天線是利用硅肖特基勢壘二極管串并聯連接起來的作用，并要求各偶極串的長度及配置間隔與微波的波長相吻合，這樣就能把直接經過全波整流的直流輸出在饋線導體部分取出。采用這種硅整流二極管天線接受微波的效果甚佳，可以達到90%以上，損失不到10%。這也是遙遠的空間太陽能電站的優勢之一。

初期建設成本高

經過大量研究，得出的結論是令人樂觀的。建造大型衛星太陽能電站并不存在很大的技術難題，只是初期建設成本很高，其建設工程浩大、技術復雜，僅電池板就有幾十平方公里之大，數千噸重，需要類似航天飛機的載人航天器分批送往軌道，航天員逐步將其組裝成型，但建成以后的運行成本很低。這一勢在必行的設想，無疑對于解決地球能源危機問題提供了一個新的思路和途徑。鑒于航天飛機己經停飛，且在使用期間也從未飛到3.6萬公里的高空，研制新型載人航天器并到達地球靜止軌道的高度尚有一定難度，要實現上述目標，尚需時日。

利用太陽能，代表著21世紀能源科學發展的方向。盡管空間太陽能電站的研究離人類實際應用還有一定的距離，但這種創新的構想一定程度上也標志著人類大規模開發利用太陽能資源的開始。假如在太空中建成多個衛星太陽能電站，那將解決人類對能源的需求。勿容置疑，此一壯舉如獲成功，必將啟發智慧的人類在利用其他太空資源上廣開思路、多下功夫，加速航天事業的前進步伐，造福子孫后代。