空间太阳能发电站

人口膨胀、能源危机、环境污染是当前人类面临的三大难题。石油、煤炭、天然气等燃料日趋贫乏，有些科学家悲观地估计，到2l个世纪末，这些燃料将接近枯竭。尽管各国正在千方百计地挖掘、开发新的燃料资源，但资源是有限的，因此探索新一代的能源被提到议事日程上来了。那么这新一代的能源又是什么呢？目前科学家们有两种设想，一种是原子能发电。但应用这一能源存在放射性废物的安全保管问题，弄不好就会招致生物灭绝的大灾难，当然也包括人类在内，因而这条途径使人望而生畏。

我们知道，太阳以光的形式向宇宙空间源源不断地辐射能量，每秒就将相当于550万吨原煤的热能运送给地球，然而这只占太阳辐射能的二十二亿分之一。就是这二十二亿分之一的能量，也只有64%来到了地面，其余的全被无情的大气吞掉了。你想想看，这是多么可惜呀！如果能在太空兴建太阳能电站，把太阳能最大限度地转换成电能，然后再输送回大地，这该是多么理想而又具有巨大的实际意义呀！

l968年，美国工程师彼得·格拉塞尔提出了在空间建立太阳能电站的大胆设想，一时间舆论为之哗然，有人讥笑说，这只不过是一个美妙的幻想。然而事隔不久，波音公司却公布了卫星太阳能电站的第一个设计构想，此后具体方案被接二连三地提了出来。美、日、联邦德国等一些国家十分重视太阳能电站的研究，多年以来，在进行了一系列可行性论证的基础上，目前已经转入工程论证和实验研究阶段。美国能源部和宇航局成立了25个科研工业组织，对设计方案、空间技术、微波技术和低成本太阳电池生产工艺等，进行了广泛的实验研究，并发表了数十篇极有教益的研究报告。

太阳能电站的工作原理是怎样的呢？根据格拉塞尔的设想，波音公司设计了一个500万千瓦的太阳能电站，电站设在地球静止轨道上，日照时间不受黑夜白昼以及气象变化的影响，所以它比在地面上的日照时间要长6～l5倍，日照强度也要强2倍。电站采用光电转换的太阳电池，这种转换比其他形式(如热电转换)更为简单，也更容易在空间生产和维修。太阳能电池帆板上装有l40亿个太阳电池，旁边的反射镜将阳光聚集在太阳能电池上，使入射的光进一步增强。太阳能电池将太阳能转换为直流电，微波管又将直流电变成微波能量，最后由相控阵天线发射到地面接收站，并把它转换成普通电网的电能。

当然无可讳言，建造空间太阳能电站是一项极其庞大而艰苦的空间活动，它要在空间构造一座小城镇那样大小的庞然大物，不用说技术上的，仅在工程上就面临着严重挑战。

首先是能量转换问题。电站的太阳能电池结构庞大，总重l2400吨，中心旋转轴的直径达l00米，而旋转起来要非常稳定和准确。如此大的构件，在地面上建造是不可想象的，只能在空间工厂中加工制造。根据计算，太阳电池的数量需要l40亿个呢！因此，电站成败的关键，归结为解决太阳电池的生产能力和巨额的生产费用。近年来，美国正在加紧研究单晶硅和多晶硅的生产技术，力图尽快满足电站的需求。另外，太阳电池的空间生产亦在积极研究之中，这项技术一旦实现，就为建造电站铺平了道路。

第二是能量空间微波传输的问题。将太阳能电池帆板所产生的直流功率转换成微波功率时，要采用数百万个大功率微波管。不过目前美国的生产能力基本上可以满足建立电站的要求，这当然是令人乐观的。但在这个环节中，还有发射天线和地面接收天线的制造问题需要加以解决。

发射天线是直径为l000米的圆形相控阵天线，天线的子阵阵面为20平方米，天线的指向要十分精确。这种天线目前正处在论证阶段，到投入生产还有个过程。

地面接收天线也非同一般，它是一个长l4千米、宽l0千米的偶极子天线阵，接收的微波经过专门设备整流后再投入电网。已经做过的模拟实验表明，接收和整流效率为82%。

第三是空间生产和轨道搬运。美国航空航天局和格鲁曼公司研究了两种电站组装方法:一是低轨道组装法。即先在低轨道上建立一个700人左右的空间工厂，桁架结构和太阳电池均在这工厂生产和组装，整个电站装配完毕后，再用电力推动系统将它送到地球静止轨道上去:二是静止轨道组装法。这就需要工厂设在静止轨道上，人员和器材经低轨道过渡到静止轨道工厂中，最终在那里制造并组装。这两种方案都在实验之中，一旦实验成功，就又扫除了一个大拦路虎。

一座太阳能电站需要建筑材料l0万吨左右，空间作业人员数百人，怎样把这么多的人员和物资送到宇宙太空呢？根据上面介绍的两种组装方法，将分别采用不同的运载工具。对于低轨道方案来说，早期设想用单级火箭和航天飞机运输，运载量为70吨～200吨。现在设想用两级火箭推进的有翼飞行器——空间运输船。它的起飞重量为ll000吨，载重量已经相当可观，每次可以将4000至4500吨的大批物资送达施工现场。如此计算，空间运输船只要往返22次左右，即能把建造一座电站的器材全部运送完毕。而由低轨道向高轨道转送阶段，将采用离子火箭发动机或化学推进剂工作的轨道运输船。

综上所述，太阳能电站的建设，尽管还有不少问题需要解决，但是，可以满怀信心地说，前景是美好的。按照美国航空航天局的计划，目前主要是在地面试验装配办法，这一阶段后期要发射一颗实验性的发电卫星；第二阶段要发射一颗发电能力为20万～50万千瓦的样星，这一阶段可望在近期完成；第三阶段为全面实施阶段，计划到公元20l4年建造数个500万千瓦的卫星电站，公元2050年将突破l00个大关。波音公司研究部负责人C.R.伍德科克乐观地预言:“在遥远的未来，围绕地球将有数百个卫星电站来满足人类对能源的需求。”