奇思妙想新能源技术

第八节　奇思妙想新能源技术

一、太空太阳能发电技术

太空太阳能发电技术是利用卫星在太空中把太阳能聚集起来，然后把能量集中射向地面，再转变成电能供人类使用的发电技术。太阳能卫星预计将于2016年建成，届时将给人类带来一种叫做“基于太空的太阳能”（SBSP）的新能源，但现在面临的困难还十分巨大。不过，有了气候变化给人类带来的压力和低成本太阳能技术的诱惑力，越来越多的国家加入到太空太阳能发电技术研发的行列中来。

（一）太空太阳能发电技术的意义

太空中没有云层和气流交锋，太阳光线在太空中穿行时的能量损失很小，这使得太空中的太阳辐照度比地球上大得多，大致为地球上的5～10倍。因此，从理论上说，只要能将太阳能接收装置安装在合适的位置，人类就能够在太空中以接近无损的方式获取大量太阳能。

在宇宙空间，太阳光线不会被大气减弱，太阳光的辐射能量十分稳定。因而在地球静止轨道上建设的太阳能发电站，一年有99%的时间是“白天”，其利用效率比在地面上要高出6～15倍。再有，太空太阳能发电站的发电系统相对简单，而且在微重力、超高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。

SBSP可提供恒定而没有污染的能量，这与地面上断断续续、受云层遮盖影响较大的太阳能利用方式有很大区别，而且不会像燃料发电厂那样排放污染物，也不会像核电站那样产生放射性废料。SBSP技术之所以能成为一项革命性技术，就在于这种技术所改变的将是能源的整体格局。

目前科学家已从科学角度论证了SBSP的可行性。而从太空轨道往地面发射微波的想法也被证实是可行的。例如，用一系列太阳能通信卫星就能够日以继夜地向地面接收站发射各种频率的电磁波，以接通移动电话或把电视信号中转给天台上的碟形天线。至于如何把从太空上发射来的太阳能转变成可以进入输电网中的电能，至今还在研究之中。

（二）太空太阳能发电技术的进展

太空太阳能发电厂所需的各种光能收集板、支架和中心发射器等，可先在地面建造。然后再把所有装备送上近地轨道（LEO）并将其安装成第一颗SBSP卫星，总共需要进行40～60次发射。在装备到达轨道后，所有的光电板会像雨伞那样自动展开，再由机器人来装配和集成。

装有太阳能板的太空发电卫星

1．传输方式的研究进展

激光和微波是太空太阳能发电技术中两种主要的传输方式，也是该技术的核心难题。科学家希望同时在这两个领域获得突破。

激光传输利用静止轨道上的反射镜将收集到的太阳光转换为激光，再传输到地面。由于激光与普通太阳光不同，不易发散，因此能够进行远距离传输。而在地面，日本科学家准备使用光电转换装置将接收到的激光转换为电力。

在微波传输方面，日本科学家希望将位于静止轨道上的太阳能电池发出的电力转换为微波传输到地面，在地面再将接收到的微波重新转换为电力。微波将在空中形成一道无形的微波柱。地面上有网格化排列的椭圆形天线，叫做网格天线，占地面积与微波柱相当。网格天线专门接受微波。

目前，美国和日本两国的科研人员已跨越了微波传输技术的一个重要门槛，他们在美国夏威夷两座相距145千米的海岛上，成功实现了微波级能量的无线远距传输，这个距离相当于从太空轨道传送能量到地面所要穿透的大气层厚度。

为了使微波能更高效地在大气中传输，研究人员特意选用了不受云、雨等气象条件影响的波段，目前被选中的有专门用于产业、科学和医疗领域的理想频率2．45吉赫带和5．8吉赫带。这两个波段都处于红外线与调频波/调幅波无线电信号之间，最容易穿透大气层，但在穿越大气层过程中仍有部分能量损失。

2．SBSP相关技术的进展

近些年来，很多与SBSP技术有关的技术也取得了重大进展。大约10年前，太阳能电池的光电转换效率只有10%，而现在已能达到40%，因此所需的电池板的面积可大大缩小。卫星技术也得到了飞跃性的发展，全自动计算机系统以及先进的轻质建材的应用成为亮点。

由于微波传送技术水平也已大大提高，利用固定装置就能使微波光束实现精确指向，而不再需要旋转天线。因此可以用体积小、组装简便的模块天线替代原来1千米长的天线。另外，机器人也可以替代航天员在太空中完成组装工作。

在太空建设一个巨型太阳能发电站

（三）太空太阳能发电技术的特殊用途

太空发电站传输回地球的微波束较为集中，因此如果给战场上的士兵配发接收天线，他们就能随时用微波对设备充电。另外，太空太阳能也能为边远地区的军事基地提供便利。在这些地区，传统供电方式的成本在每千瓦时1美元以上。

若太阳光被转为激光，激光又被远距离传输至地面。地面基地再将激光转换成电力，直接使水分解，生成氢气。制成的氢气可用作燃料电池车和燃料电池发电机的能源。也就是说，该系统并不是直接把能源转换成电能，而是把从宇宙中获得的太阳光能转化成能够储存的氢能源。

（四）太空太阳能发电技术的安全性

发电系统传回地面的微波能量束和科幻小说提到的致命射线十分相似，可是科学家认为，从该系统中扩散出去的能量束对人或动物不会构成健康威胁，人即使处在能量最强的中心地带也不会受影响。

这是由于微波辐射是一种非离子化过程，就像可见光或无线电信号一样。也就是说，微波辐射与X射线和伽马射线不同，是不具有足够的能量的，因而不会使原子或分子失去电子而变成带电粒子，造成DNA及其他生命分子的损坏。

鸟类若飞过从太空辐射到地面的微波核心地带，可能会感到有丝丝暖意，但体温并不会升得很高。万一有微波束偏离网格天线，也可以人为地使其分散开来。

此外，部分研究机构曾对用激光传输太阳能的安全性提出质疑，他们认为激光束会摧毁空中的飞机并威胁空中生物的安全，而且这可能会引发公众不安，从而不利于项目顺利开展。

（五）太空太阳能开发展望

随着全球变暖和能源短缺问题日益严重，向太空要能源也愈发迫切。和“向下钻取能源”一样，“向上钻取能源”的工作也已开始。有很多国家非常重视开发太空太阳能，随着科学技术的进步，在太空进行试验发电的国家有美国、日本、法国、德国、俄罗斯和乌克兰等，其中大多采用微波传送方式，只有德国和日本采用激光传送。而今，欧洲国家在非洲建造的一座10万千瓦试验型微波输电装置，已成功实现送电。

1．美国建议在10年内开展太空太阳能发电实验

为了在2050年前使可向地球输电的太空太阳能发电站变为现实，美国希望和其他国家联手在10年内发射小型太阳能发电实验卫星。

设想中的这套具有实用性的发电系统由两组相距50千米的反光镜及太阳能电池板等组成，位于离地高度约3．6万千米的地球静止轨道上。反光镜可将太阳光集中到中央的电池板上，然后转换成微波输送给地上直径500米以上的接受装置。

国际空间站航天员正在拆装太阳能板

该系统的最大输出功率可达1000万千瓦，相当于8到10座核电站。整套系统的质量约为3000吨，是国际空间站的6倍多。估计需要分120多次才能将所有建设材料送入太空，因此开发低成本的运载火箭将是今后重要的研究课题。

2．日本计划2030年前在太空中搭建太阳能发电站

日本科学家正加紧研究向距离500米远的接收站发射800瓦的激光束。他们采用了一种只反射波长为1064纳米的光线的镜子，已经能够把这种光传导至实验型太阳能电池板中。选择这种波长的光是因为其很少被大气吸收，衰减率可控制在10%以下。今后他们的研究重点将放在寻找可以高效地将阳光转换为激光的材料方面。

他们计划到2015年发射一个载有太阳能电池板的小型卫星，以检测电力能否通过电离层和地球高层大气。

在2030年之前，他们将在地球大气层外的地球静止轨道上，布设一个巨型太阳能电池板阵列，这些电池板能够储存太阳能，然后再利用激光或者微波将收集到的太阳能传回地面进行发电。据称，接收端很可能将设在远离居民区的海洋和水库上，这里将树立起巨大的天线装置以接收来自太空的太阳能。

用太阳能电池板吸收太阳能，然后将能量传回地球

进行此项研究的科学家表示，最终将在太空中设置100万千瓦的红外线激光。为了不对照射到激光的飞机、船舶、鸟产生危害，激光的能量密度将会降低。

3．中国具有开发太空太阳能的潜力

近年来，虽然中国在发展地面太阳能可再生能源方面做了大量的工作，但利用规模还十分有限。发展太空太阳能发电技术、解决太阳能的大规模利用问题才是中国的主要发展方向。从中国“神舟七号”飞船的“太空漫步”试验来看，太空行走是中国从太空获取能源的关键技术步骤。

作为太空太阳能发电的主要关键技术，无线电力传输（WPT）在能量传输方面起重要作用。中国在雷达技术研究、应用方面具有一定基础，激光技术也已成熟。微波技术、激光技术在许多方面得到了应用，表明中国在WPT技术上已具有相当基础。如对WPT在输能的功率、效率与精度控制等方面进行技术攻关，应用于太空发电站的WPT技术一定会很快成熟起来。

作为太空发电站的能量转换器件——太阳能电池应具有较高的光电转换效率、比功率以及较强的抗辐照、抗衰退能力，同时要成本低、寿命长，便于安装。

在空间技术基础方面，要建设太空太阳能发电站，除发展载人航天、空间站技术外，应同时开展空间遥控机器人技术研究。另外，为了降低太空太阳能发电站的建设成本，应重点降低运输成本，提高有效载荷，同时研究其他各种运输技术，如电子推进器、磁悬浮火箭、可重复使用的运载器等。

二、镜像物质提供无限能源的设想

某些基本粒子理论认为每种粒子必定有其镜像同伴，例如，电子有一孪生的镜像电子。由于镜像粒子很难与普通物质发生作用，因此有人甚至将这种粒子视为宇宙中的“暗”物质。有俄罗斯物理学家认为，若能捕捉到镜像物质，它们将会提供取之不尽、用之不竭的能源。

这位科学家的设想如下：若将镜像物质置于由普通物质制造的存储器内，它将轻微地吸收周围的热量。在它有机会再一次与普通物质相互作用以前，便将以镜像光子的形式充当镜像热能再辐射出去。这一快速而不可避免的热量损失将使存储器冷却，如果一开始就在存储器旁并排安置另一个温度相同的存储器，则上述热量将从一存储器流入另一存储器，从而从此系统提取能量做功。

他说：“上述过程可以几乎无限制地进行下去，温差不断，做功不断。”他的计算表明，这一设想并不违背热力学第二定律。

不过，也有科学家认为：“这种设计还将面临两项重要的挑战：镜像物质的存在必须得到证实；一旦获得证实，就要去发现它的一些特性。”

三、利用太阳风暴发电

地球上的大部分能源归根结底来自太阳。然而，美国科学家发现，太阳风暴中也蕴藏着巨大的能量。太阳风暴是太阳因能量增加向太空释放出的大量带电粒子形成的高速粒子流，它并非像地球上的风暴一样可以让我们感受到，而只有靠仪器才能检测到。利用这些带电粒子发电，能量转换效率特别高，比阳光发电要高得多。如果能充分利用太阳风暴中的能源，可以让地球上的人类数百万年都没有能源匮乏之忧。

在太阳风暴不能加以利用之前，它如同洪水、暴风、巨浪一样，是一种自然灾害。由于太阳风暴中的成分主要是带电等离子体，它们以150万～300万千米每小时的速度冲向地球和其他行星。因此，太阳风暴会对地球的空间环境产生巨大的冲击。太阳风暴爆发时，将影响地球上的通信系统和在轨航天器的正常运行，并会对臭氧层造成破坏。太阳风暴对地球的影响一般难得见到，不过，靠近极地的人们看到的极光就是太阳风暴和地球磁场作用所形成的。科学家形象地把太阳风暴比喻为太阳打“喷嚏”，这种遥远的“喷嚏”却会导致地球发“高烧”。

太阳风暴影响地球

极光是太阳风暴和地球磁场作用所形成的

由于太阳风暴的能量十分巨大，美国研究人员已经尝试利用它来发电。美国华盛顿州立大学的哈罗普教授热衷于这项研究，正在开发一颗名为“哈罗普”的卫星，它将运行在离地球和太阳距离差不多的环日轨道上，可利用太阳风暴发电。这颗卫星有一个长长的金属线圈对着太阳。这个线圈宽1厘米，长300米。线圈上带有电荷，可以产生圆柱形磁场，当太阳风暴越过金属线圈所在的区域时，风暴中的带电粒子中的电子就被线圈产生的磁场捕获。这些电子被引入一个直径为2米的球形金属收集器，电能在其中产生。

那么，卫星获得的电能怎么传输到地球上呢？当然不可能牵一根长长的电线来输送电能。卫星把所获得的电能通过一个激光发生器，转变为红外激光。这种激光的聚集性很好，在太空中传输时不会像普通光线那样发散得太厉害。红外激光射向地球表面的激光接收器，然后再通过光电转换器把激光转换为电能。由于地球大气对于红外线来说是透明的，所以红外激光束在达到地面前能量损失很小，可以高效地传输到地球。

“哈罗普”卫星不仅可以吸收太阳风暴产生电能，而且它有一个直径为10米的环状太阳帆，也可以吸收阳光发电。这颗卫星的发电功率可达170万瓦，大约可供1000户家庭日常用电。

一些研究人员提出在太空架设太阳能电池板发电

不过，哈罗普教授也承认自己的研究遭遇了一个极大的难题。这个难题是激光发散的问题。虽然激光比一般的光线聚集性能要好得多，但是一束红外激光即使从数百万千米外的环日轨道上发射到地球，也将发散到数千平方千米的地表，导致这种能量很难被收集。

哈罗普教授提出可以利用透镜来聚集光束，以解决这个难题。在红外激光发射的路线上，按照一定的距离设置多个承载大透镜的航天器，用透镜聚集这些发散的激光，令它们在达到地表时也是一束可以直接接收的激光。哈罗普教授正在攻克这个难题，以便将来人类能大规模利用太阳风暴作为能源。而在这个难题解决之前，太阳风暴能源至少可以为一些航天器所利用。

实践馆：

1．在当今世界，经济发展决定着国家命运，而能源是经济发展的重要保障。建设核电站的意义是重大的：一是可摆脱对石油等传统能源的依赖；二是只要不发生核泄漏等安全问题，核电就是最清洁的能源。可是，如果发生了这些问题，你支持核电站继续使用还是认为应关闭核电站？为什么？

2．太阳能、风能、水能等这些可再生能源的利用会越来越广泛，请你利用已经学过的知识，做一个小小的发电机。