从太空收集太阳能

■ 李忠东 编译

空间太阳能电站需突破3项技术

科学家们很早就将视线转向太空，如果能从太空直接收集太阳能，那么太阳能的可用量将是地球上的数十亿倍。早在1968年，美国科学家彼得·格拉就首先提出了建造空间太阳能电站的构想。

2012年，英国斯特拉斯克莱德大学的研究人员在太空测试过一种装置，可用于收集能量并以微波或镭射束的形式传回地球。马斯米利亚诺·瓦斯勒博士指出：“太空是收集太阳能的理想之地，拥有巨大优势。在太空中，可在一天中的任何时刻收集太阳能，同时不会受到天气条件的制约。”

从长远看，空间太阳能电站是可行的，前提条件是需要大力发展3项关键性技术。

首先，空间太阳能电站是一个巨型的发电站。太阳能电站、光伏电池、微波转换和发射天线等装置的重量将达到万吨级以上，组装时的运输成本极高，要耗资3000～10000亿美元。如果无法减轻系统重量，就不可能降低技术的复杂性和建造成本。近年来，美国和日本等国竞相研发太空电梯等空间课题。一旦空间运输技术的研发得到突破性发展，运输成本大幅降低，也许将为空间太阳能电站的建设提供较大便利。

其次，无线传输的效率必须提高。科学家目前研究较多的是微波传输、近距离电磁感应和谐振，其中微波是实现从太空到地面最理想的传输方式。微波的传输距离最远，近距离电磁感应的传输单位是mm～cm，而谐振的传输单位也只能到m。2.45 GH或5.8 GH是微波的理想频率，这两个波段都处于红外线与FM/AM无线电信号之间，最容易穿透大气层。但也应看到，微波最大的问题是传播效率低，约只有10%。在能量传递上，镭射束损耗小且能量集中，可把地面接收站设计建造得更小。镭射束具有很多优势，能够定向损毁目标。如果利用它来传输能量，就需有能够接收这种高密度能量的技术。

最后，通过微波传输需在地面建造巨大接收天线的储能电站。微波对环境的影响是太空向地面传输能量的一个障碍，在微波的传输通道上不能有生物存在。因此，接收微波的电站必须建在沙漠或海洋等无人区域，占地至少几公里到几十公里，条件十分苛刻。另外，在空中要避开航空活动。

美海军拟用机器人从太空收集太阳能

图1 太空太阳能装置聚焦阳光将能量束传输至地面

据英国《每日邮报》2014年3月17日报道，美国海军工程师公布了一项最新“从太空获得能量束”的宏伟计划。他们认为，比国际太空站大9倍的巨型太空太阳能模块可源源不断的聚焦太阳能并发送至地面，为军事设施或大小城市提供能量。

保罗·杰斐博士是美国海军研究实验室航天器的著名工程师，他领导的团队现已设计建造出两种用于捕捉并传输太阳能的模块类型，并在模拟太空环境的真空状态内进行了测试。

第一种模块采用“三明治”结构，由两块方形的太阳能板夹住所有的电子零件，当顶层的太阳能发电板吸收阳光后，中间的零件便将能源转化成无线电波频，透过底板天线向地面目标传输能量。这种太阳能模块将由机器人在太空中进行装配，最终成为一颗直径达1 km的人造卫星。它功率强大，将太空收集的太阳能转化成无线电波频，传送回地球作电力供应。

第二种模块为“梯级”模块，面板和底板摊开后呈Z形。这使太阳电池板在无需加热的前提下，更有效地接收更多阳光的照射。机器人会在太空将多块方形板砌成巨型卫星为地球供电。

与第一种“三明治”模块的设计相比，“梯级”模块的性能要高4倍，Z形可使太阳能发电板吸收更多的阳光但不会过热。现在已为“梯级”模块设计申请专利。

日本欲打造“月球环”向地球输送能量

日本清水公司计划建造“月球环”向地球输送能量。从有限资源的经济使用向清洁能源的无限使用转变，是人类的最终梦想，“月球环”将通过独创性的想法与先进的太空技术相结合，将这一梦想变为现实。

据该公司的规划，其将沿着月球1.1万km的赤道铺设一组宽400 km的太阳电池板带，以确保始终受到太阳照射，把无碳能源以激光或微波传输方式不断地发送回地球，在地面接收站转化为电能。月球不存在天气和光线的障碍，轨道太阳电池板可昼夜发电。

清水公司认为2035年将是“月球环”合适的开工时间，因为那时轨道太阳电池板，以及通过微波发射器将能量反射回地球等空间太阳能技术日臻完善，有足够的太空基础设施来支持这一项目。

图2 “月球环”沿着月球1.1万km的赤道铺设

“月球环”将由机器人建造，它们将在月球表面执行各种任务，包括抬高地平面和发掘坚硬的地层。科学家负责整个项目，机器人实施的任务将由他们从地球上远距离操控。对微波和激光来说，地球的大气层几乎是透明的，因此设想将通过微波/激光发射器将太阳能传回地球正对月球的那一面。随着月球环绕地球运行且地球本身在自转，国际接收站可将接收到的大量月球太阳能传递给电网。

如果一切顺利，月球将变成一个巨型的“空间(太阳能)站”，环月球太阳能发电厂可连续不断地向地球输送1.3万TW的电能。相比之下，2011年全美国的发电量仅为4100 TW。清水公司表示：“用之不竭且无污染的太阳能是终极的绿色能源，‘月球环’将给地球和人类带来永久共存，成功繁荣。”

然而，将太阳电池板搬到轨道上，费用要比在地球上建造光电工厂高很多。另外，即使最终环月球太阳能发电厂产出的能源可保证赚回建造太阳能发电厂的开销，也还要面临对月球宣布主权的挑战。

“月球环”可能仅是个概念，看起来似乎有点“遥不可及”。然而随着当今科技的高度发展，环月球太阳能发电厂在经历几个迭代过程后，并非不可能实现。