身遠(yuǎn)心近，漫談空間太陽(yáng)能電站

四川省南充市纖維檢驗(yàn)所 陳春全

到太空找能源

我國(guó)先民利用太陽(yáng)能的歷史相當(dāng)悠久，周代的《考工記》便有記載：“陽(yáng)燧以銅為之，向日則生火。”也就是說(shuō)，周代人用青銅做成凹面鏡，用凹面向太陽(yáng)聚光而取得火種。這種利用太陽(yáng)能取火的凹面鏡被稱為“陽(yáng)燧”，而這種取火的方式也被稱為“陽(yáng)燧取火”。

到了現(xiàn)代，人類利用太陽(yáng)能的步伐更是日新月異。我國(guó)先后建設(shè)了世界上最大的青海龍羊峽水光互補(bǔ)并網(wǎng)光伏電站和全世界球聚光規(guī)模最大的甘肅敦煌熔鹽塔式光熱電站。

然而，太陽(yáng)能發(fā)電站一般都會(huì)受到太陽(yáng)光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及天氣條件等的影響。一場(chǎng)突如其來(lái)的霧霾或者沙塵暴都會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能發(fā)電站發(fā)電量的波動(dòng)。

那么，有沒(méi)有能夠徹底解決影響太陽(yáng)能發(fā)電站工作效率問(wèn)題的辦法呢？

“Of course！”在上世紀(jì)60 年代末，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主彼得·格拉賽博士就提出過(guò)到太空去建造一座太陽(yáng)能發(fā)電站。在太空中特定的軌道上，太陽(yáng)能發(fā)電板能夠始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，每天能有大約99%的時(shí)間在持續(xù)發(fā)電。在發(fā)電效率高的同時(shí)，空間太陽(yáng)能電站還具有不受氣候干擾、不受季節(jié)晝夜變化和地理位置影響及不存在污染排放等優(yōu)點(diǎn)。

建在何處

“行百里者半于九十”，由于受到成本、技術(shù)、安全、設(shè)備等方面的制約，空間太陽(yáng)能電站從被科學(xué)家提出開(kāi)始的很長(zhǎng)時(shí)間里，一直停留在理論層面。不過(guò)，隨著上世紀(jì)70 年代和90 年代幾次能源危機(jī)的發(fā)生，美國(guó)、日本等國(guó)家又開(kāi)始對(duì)空間太陽(yáng)能電站項(xiàng)目進(jìn)行投資，同時(shí)還有不少民間資本也進(jìn)入到這一領(lǐng)域。

我國(guó)雖然是全世界第一能源消費(fèi)大國(guó)，但是在空間太陽(yáng)能發(fā)電方面卻起步較晚。直到2010 年，科學(xué)家們才初步提出了我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展路線圖。

建設(shè)空間太陽(yáng)能電站并不是把地面的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備發(fā)射到太空中這么簡(jiǎn)單的事情。首先，咱們要從技術(shù)、成本以及費(fèi)效比等方面考慮，這電站建在太空中的哪一個(gè)地方比較合適。

目前，學(xué)術(shù)界大致有兩種意見(jiàn)。其中一個(gè)設(shè)想是將其建設(shè)在地球上空大約3.6萬(wàn)千米的同步軌道上。這里距離地球比較近，電能傳輸以及我們對(duì)它進(jìn)行管理和維護(hù)都很方便。但是，地球同步軌道的軌道資源非常緊張，各種各樣的衛(wèi)星以及航天器大多都會(huì)占用這個(gè)軌道。

另外一種設(shè)想則是將空間太陽(yáng)能電站建設(shè)到距離地球超過(guò)30 萬(wàn)千米的月球軌道上去。建在那里的優(yōu)點(diǎn)是受地球陰影的影響比同步軌道小得多，可以增加發(fā)電的效率。并且，還可以為我們以后建立月球前沿基地帶來(lái)幫助。但問(wèn)題是，月球軌道距離地球很遠(yuǎn)，建設(shè)的難度和成本都會(huì)大幅度增加。

我國(guó)的空間太陽(yáng)能電站究竟建在哪里，還得等待科學(xué)家們的進(jìn)一步研究、論證才能最終確定。

太空電能的生產(chǎn)

那么，空間太陽(yáng)能電站又是如何發(fā)電的呢？

眾所周知，太陽(yáng)能發(fā)電大致就是利用眾多太陽(yáng)能板收集太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能電池又分為半導(dǎo)體和光化學(xué)兩種。

半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的技術(shù)比較成熟，硅（單晶硅、多晶硅、非晶硅）太陽(yáng)能電池、多元化合物太陽(yáng)能電池、有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、納米晶體太陽(yáng)能電池都已經(jīng)投入使用。不過(guò)從技術(shù)和成本上來(lái)說(shuō)，有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、納米晶體太陽(yáng)能電池應(yīng)該是空間太陽(yáng)能電站不錯(cuò)的選擇。因?yàn)樗鼈兌寄茉跇O低的溫度下發(fā)電，而且使用壽命可達(dá)20 年左右，同時(shí)其成本還不到硅太陽(yáng)能電池的五分之一。

光化學(xué)太陽(yáng)能電池是通過(guò)化學(xué)過(guò)程將光能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，也稱為濕式太陽(yáng)能電池。不過(guò)，到目前為止這種技術(shù)尚不完全成熟。

根據(jù)科學(xué)家們的設(shè)想，我國(guó)的空間太陽(yáng)能電站大致會(huì)由許多個(gè)小型發(fā)電基站集群而成。每個(gè)小基站在10 萬(wàn)千瓦級(jí)左右，都具有獨(dú)立發(fā)電、儲(chǔ)電和傳輸?shù)哪芰?。這樣不但能夠大大減輕建設(shè)、維護(hù)的難度，同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際情況掌控空間太陽(yáng)能電站的規(guī)模。

太空電能的傳輸

空間太陽(yáng)能電站生產(chǎn)的電能如何傳輸?shù)降厍蚧蛘咂渌枰牡胤侥?？拉幾條電纜線顯然是不可能的，一來(lái)距離太遠(yuǎn)，二來(lái)技術(shù)上也不能實(shí)現(xiàn)。目前人類進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線能量傳輸?shù)霓k法有微波輸電和激光輸電兩種。

微波是波長(zhǎng)介于無(wú)線電波和紅外線輻射之間的電磁波，它能順利通過(guò)電離層而不反射。微波輸電就是先通過(guò)微波轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換成微波，再通過(guò)發(fā)射站將其傳輸至地面接收站，地面接收站再將接收到的微波通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為工頻交流電。值得注意的是，微波輸電在宇宙空間幾乎沒(méi)有能量損耗，即便是在通過(guò)大氣層的時(shí)候也僅有2%左右的能量損耗。

激光輸電則是利用激光轉(zhuǎn)換器，將常規(guī)電能轉(zhuǎn)換成可視激光束。這種光束可在空氣中傳播，被接收后在專門的光電電池中再轉(zhuǎn)換回電能。不過(guò)，激光輸電會(huì)受到云層、霧霾等天氣條件的影響。

需要說(shuō)明的是，這兩種遠(yuǎn)距離傳輸電能的方法，目前還都不太成熟，尚需進(jìn)一步研究和發(fā)展。同時(shí)，空間太陽(yáng)能電站的儲(chǔ)能問(wèn)題也尚待解決。目前，傳統(tǒng)的儲(chǔ)電設(shè)備都不太適合太空高密度、超低溫儲(chǔ)能的需求?？茖W(xué)家們正在考慮利用超導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)在太空中對(duì)電能的長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)損耗存儲(chǔ)。

我國(guó)研究的進(jìn)度

空間太陽(yáng)能電站一旦建成，在尺寸和重量上都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前所有的航天器。因此，它是一個(gè)超級(jí)龐大的系統(tǒng)工程。根據(jù)之前提出的我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展路線圖，科學(xué)家們計(jì)劃到2030 年左右，開(kāi)始建設(shè)兆瓦級(jí)小型空間太陽(yáng)能試驗(yàn)電站，到2050 年基本具備建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)空間太陽(yáng)能電站的能力。

目前，重慶大學(xué)和西安電子科技大學(xué)分別對(duì)空間太陽(yáng)能電站展開(kāi)了研究。

重慶大學(xué)的科研隊(duì)伍已經(jīng)在重慶市璧山區(qū)開(kāi)始了空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)，預(yù)計(jì)2021 年底完工，2022 年正式開(kāi)始相關(guān)試驗(yàn)。他們考慮到直接在3.6 萬(wàn)千米的同步軌道做試驗(yàn)不太現(xiàn)實(shí)，便計(jì)劃利用高空氣球，從300 米的低空到2 000 米的高空，再到平流層建立一個(gè)簡(jiǎn)易的太陽(yáng)能電站。逐步實(shí)現(xiàn)平流層的太陽(yáng)能收集、儲(chǔ)能，并以微波和激光的方式向無(wú)人機(jī)充電及向地面應(yīng)急供電。

西安電子科技大學(xué)的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)項(xiàng)目被命名為“逐日工程”。目前，他們已經(jīng)在學(xué)校里建起了一個(gè)巨大的三角形鐵塔，在離地約55 米高的塔中心安裝有4個(gè)直徑6.7 米的半球面聚光裝置。這些裝置會(huì)將太陽(yáng)光匯聚起來(lái)使太陽(yáng)能電池產(chǎn)生直流電，隨后他們將其轉(zhuǎn)換成微波再發(fā)射到地面。其主要目的是，進(jìn)一步測(cè)試微波輸電理論和研究其中的關(guān)鍵技術(shù)。

雖然空間太陽(yáng)能電站還面臨諸多技術(shù)、設(shè)備、資金上甚至是未知的困難，比如說(shuō)尺寸如此之大的電站，在太空中如何應(yīng)對(duì)隕石、太空垃圾或者小行星等的威脅。但是科學(xué)家們深信，通過(guò)百倍努力，在2030～2050 年我國(guó)有可能研發(fā)出第一個(gè)商業(yè)化空間太陽(yáng)能發(fā)電站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電站的商業(yè)運(yùn)行。