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空间太阳电站何时能浮出水面
******************* 朱毅麟 *******************
人类已经进入了21世纪。新世纪中人类要解决日益严重的环境污染、资源短缺和人口膨胀3大问题，其中环境和资源这两个问题都与发电有着密切的关系。
迄今，人类发电用的能源绝大部分是来自地下的矿物燃料--石油、煤炭、天然气等。千百年来，矿物燃料的燃烧产生了大量的二氧化碳，不仅严重污染大气，而且产生温室效应，导致全球气候发生变化。
同时，矿物燃料是一种不可再生的地球资源，正面临着枯竭的危险，急需寻找新的能源。自然界水能资源有限，风能不稳定，地热能强度不足，都不能满足未来的大量需求。人们只能寄希望于核能和太阳能。
实际上，太阳就是一个取之不劲用之不竭的核能源宝库。太阳以光的形式向外散发能量，高达3.75×1023kW。其中，只有22亿分之一的能量到达地球。仅这一点微不足道的比例，就相当于每秒钟燃烧500万吨优质煤所产生的能量。因此，如何利用太阳能发电以满足人类对电能的需求，就成为保护环境，节约资源，推动和保证人类社会可持续发展的重大研究课题之一。
早在1968年，美国人格拉泽就创造性地提出在离地面36000km的地球静止轨道上建造太阳能发电站的构想。这个电站利用铺设在巨大平板上的亿万片太阳电池，在太阳光照射下产生电流，将电流集中起来，转换成无线电微波，发送给地面接收站。地面接收后，将微波恢复为直流电或交流电，送给用户使用。
与在地面上利用太阳能相比，在太空利用太阳能具有十分突出的优点：
1.在太空中，太阳光的强度是 1.36kW／m2。地球上由于太阳光穿过大气层时受到大气的吸收和散射，强度减小到1kW／m2。在地理纬度较高的地方，由于太阳光斜射，得到的能量还得打折扣。
2.在太空中，太阳照射的时间比地球上长得多。在地球静止轨道上，一年中只有在春分和秋分前后各有45天里，每天出现一次阴影，时间最长不超过72分钟。一年累计不超过4天，也就是一年中有99％的时间是白天。而在地面上，有一半的时间属于夜晚，并且白天除正午外太阳是斜射的。在太空每天能接收到的太阳能约为 32kWh/m2，在地球上平均每天只能接收到6～12kWh。如果遇到阴雨或有云雾的日子，白天也见不到太阳。
3.太空是一个超洁净的环境，太阳电池的表面不会沾上任何尘土，无需维护。在地球上使用太阳电池，必须经常清除尘土雨雪，维护工作量大。
4.在太空中，物体处于失重状态，尽管太阳电站的面积很大，但是受到的力却很小，因此。卫星可以做得较轻。
一、研究历史回顾
空间太阳电站的研究工作主要集中在美国，日本、前苏联／俄罗斯和法国也在开展。
1.美国航宇局提出“1979 SPS基准系统”
20世纪70年代末，全球发生石油危机，美国航宇局和能源部组织专家进行空间太阳电站的可行性研究。专家们经过论证提出一个名为“1979 SPS基准系统”的空间太阳电站方案。该方案以21世纪全美国将有3亿人口，人均用电2kW，假设其中50%由空间太阳电站供给为目标，在地球静止轨道上部署60个发电能力各为5GW的电站（又称“发电卫星”）。表1列出了“1979 SPS基准系统”的主要性能参数。
表1 “1979 SPS基准系统”的主要性能
| 系统组成 | 卫星数目 | 60 |
| 发电功率 | 60×5GW |
| 工作寿命 | 30年 |
| 电 站 | 重量 | 3×104～5×104 |
| 尺寸 | t10km×5km×0.5km |
| 材料 | 碳纤维复合材料 |
| 轨道 | 地球静止轨道 |
| 能量转换系统 | 太阳电池 | 硅或砷化镓 |
| 电力输送系统 | 发射天线直径 | 1km |
| 频率 | 2.45GHz |
| 地面接收天线尺寸 | 13km×10km（椭圆） |
太阳电站的“发电机”是一块10km×5km×0.5km的太阳电池板。板的一端连接一个直径为1km的微波发射天线。电站的姿态控制系统使太阳电池板始终朝向太阳，指向机构使发射天线总是对准地面。
太阳电池板产生的电流通过超导体传输线送到微波发生器，在这里转换成微波，再经过天线向地面发送。微波的工作频率选用2.45GHz或5.8GHz。
太阳电站采用直径为1km的天线发射微波使微波，波束中的功率密度分布比较合理，以提高地面接收天线的接收效率。
地面接收天线是一片13km×10km、占地约1万公顷的椭圆形地区，由无数半波偶极子天线组成。天线接收到的微波经过二极管整流变换成直流电或50Hz的市电。
由于地面天线的面积非常大，微波波束到达地面时的功率密度很小，波束中心大约为20mW/cm2，边缘只有0.1mW/cm2。所以，波束对人、畜和庄稼不会造成危害。理想的接收天线做成网格状，用柱子高高架起。网眼可以通过空气、阳光和水。这样天线下面的土地可以照常种植庄稼、放牧牛羊或作其他用途，不致浪费。
研制、发射和组装“1979 SPS基准系统”需要2500亿美元(按1996年币值计算）的投资及18000人年的在轨工作量（相当于600名航天员装配工在太空工作30年）。当年，这个庞大的方案刚一出台，就招来众多的非议和责难。
首先，投资太大。一些迫切需要国家投资的经济、文教、卫生和社会福利等政府或非政府部门，担心因此会挤占或克扣本应分配给他们的经费；
其次，为研制、发射和在太空组装电站所必需的关键技术基本上未掌握；
第三，环境保护部门担心从太空中下泻的无线电微波会污染地球环境，破坏生态平衡；
第四，方案出台之时，正逢石油价格下跌，能源危机暂时缓和；
第五，里根政府对空间太阳能发电兴趣不大，更愿意支持“星球大战”计划和自由号空间站。
1980～1981年，经美国国家研究委员会和国会评价委员会的评审，结论是：该方案虽技术上可行，但经济上无法实现。
在一片反对声中，美国航宇局不得不把这个方案束之高阁，美国关于空间太阳电站的研究暂告停顿。但是，其他空间国家或组织，如前苏联／俄罗斯、欧空局、日本等仍在进行，特别是日本，计划在21世纪初建立一个10000kW（10MW）级的小型试验性空间太阳电站“SPS 2000”，现正在工程实施之中。国际空间大学、国际宇航联合会的成员以及美国国内的学术团体和个人也都在继续从事一些分散的空间太阳电站的研究。
2.美国航宇局对空间太阳电站的新一轮研究
20世纪90年代中期，美国国内及世界上出现了一些新的情况：
(1)全球对电力的需求急剧增长，电力将有着巨大的国际市场；
(2)“温室效应”气体，主要是二氧化碳，对全球气候变化造成的不利影响日趋严重，引起世界各国的深切关注；
(3)美国航宇局根据美国政府的要求加强了降低空间发射成本的研究开发；
(4)空间太阳电站所需的关键技术取得了一定的进展；
(5)空间太阳电站开发过程中产生的新技术可以在空间科学、载人航天以及商业卫星上得到二次应用；
(6)冷战结束以后，出现了国际合作建造长期性空间站、空间太阳电站等大型航天工程的可能性。
在此情况下，美国航宇局于1995～1997年组织来自航宇局研究中心、学术界和工业界的专家，开展了新一轮的研究论证。专家们一共分析比较了29种不同方案，其中“太阳塔”和“太阳盘”两种方案看好。
(1)“太阳塔”方案
在“太阳塔”方案中，太阳电池阵不再是铺设在一整块巨大的矩形平板上，而是由数十个到数百个圆盘形发电阵组成。每个发电阵的直径为50～100m，输出1000kW的功率。根据总发电量的要求配置发电阵的数目。例如，总发电量要求250000kW，则配置250个发电阵。圆盘形发电阵沿中央缆绳两侧排列成2行或4行。如果排成2行，太阳塔电站全长6.5～13km，发出的电流通过由超导材料制成的中央缆绳输送到缆绳末端的发射天线。天线直径约为260m。
太阳塔电站采用重力梯度稳定，使中央缆绳自动保持垂直于地面，保证末端的发射天线对准地面。地面接收天线的直径为约4km。
新方案的最大特点不在于结构外形的不同，而在于它的高度模块化。整个电站，不仅它的核心部分--太阳电池阵，其他部分也都由若干规格相同的模块化部件组成。这样做的优点是：
(1)模块化部件适合于批量生产，能显著降低研制和生产成本；
(2)模块化部件体积小，质量适中，可与其他发射市场共用成熟的运载器或运输系统发射，而不需要专门研制重型运载器和建造新的发射场；
(3)模块化部件由于规格统一，接口规范化，可以在太空采取无人自主组装或机器人辅助下的半自主组装，避免航天员长期太空作业的复杂性和危险性；
(4)模块化的设计有利于未来电站规模的扩展。
一座发电能力为250MW的“太阳塔”电站所需投资估计为80～150亿美元。
(2)“太阳盘”方案
“太阳盘”方案采用直径为3～6km的高效薄膜太阳电池阵发电，保持自旋稳定，并对太阳定向，产生的电流汇集到盘级，再传输到发射天线。天线采用直径为1km的相控阵天线。发电功率为2～8GW；用5.8GHz的微波向地面传输。地面接收天线直径5～6km，不需要地面储能系统。
一座发电能力为5GW的“太阳盘”电站所需投资大约为300～500亿美元。
“太阳塔”和“太阳盘”两个方案远非最终选择，随着技术的进步，研究的深入，将会出台更好更省的方案。但任何方案应符合以下原则：
(1)电站的建造成本应不超过10～100亿美元，每千瓦时的发电成本不超过10美分；
(2)电站要面向全球用户市场，不局限于发达国家；
(3)结构与部件应高度模块化，小批量生产，便于发射和太空组装；
(4)与其他发射市场共用成熟的运载器或运输系统，而不需要另行研制重型运载器；
(5)电站应能在太空自主组装或半自主（机器人辅助）组装，不要求复杂的空间基础设施；
(6)研制和建造过程中开发的技术和产品能推广到其他航天或商业活动中二次应用。
二、工作分解结构与关键技术
1.工作分解结构
研制和建造空间太阳电站是一项规模空前浩大的航天工程。在批准立项、开始工程研制之前，其先期的概念研究和可行性研究，涉及技术、经济、社会和环境等多方面的问题，也是一项系统工程，需要分解成若干专题进行综合性研究。在完成“新一轮研究”之后，美国国会于1999年和2000年先后拨款500万美元和1500万美元给航宇局，用以执行一项名为空间太阳能发电探索研究与技术（SERT）的深化研究计划，研究内容包括14个专题：太阳电力生成；无线电力传输；电力管理与分配；结构、材料与控制；热材料与热管理；机器人装配、维护与服务；平台系统；地面电力系统；地面与轨道间的运输与基础设施；太空中的运输与基础设施；环境与安全问题；系统集成（分析、工程、建模）；应用研究（科学、探测、商业）；独立的经济与市场分析。
2.关键技术
研制、发射与组装空间太阳电站需要解决大量的关键技术。实际上，关键技术中的大多数已经掌握，并在工程中应用。主要的问题是提高效率，延长寿命，降低成本。这些关键技术主要有：
(1)低成本、高效率、强抗辐射的光电能量转换
未来空间太阳电站的光电能量转换仍当立足于太阳电池。需要发展聚光太阳电池和薄膜太阳电池，以提高能量转换效率，减轻产品重量，增强抗辐射能力，降低生产成本。太阳电池阵的质量比功率要求从现在的20～40W/kg提高到500W/kg，成本从现在的1～2美元／W降到10～20美分／W或更低。
(2)低成本的地面与轨道间的运输
运输成本与每次发射的有效载荷包装的大小有关。大包装（80吨）有利于减少发射和太空组装次数，但需研制重型运载器；小包装（20吨左右）则可利用成熟的运载器或运输系统，节省成本，但运输和空间组装次数相应增加。
当前正在使用的。无论是一次性运载火箭还是可重复使用的航天飞机，其发射成本仍居高不下，平均在2万美元/kg以上。
美国需要加强正在开发的单级入轨运载器的研制力度，以尽早实现将运费控制在1000～2000美元/kg的目标。要大力推进多次重复使用（1000～2000次）的天地往返运输系统的开发，使发射成本进一步降到400美元/kg以下。
(3)无线电力传输
无线电力传输技术有微波和激光两种。激光穿过大气层时，能量损耗太大，故目前考虑用微波。首先要提高微波发生器将电流转换为微波的效率，提高地面硅整流二极管天线的接收和转换效率，以及其他微波器件的效率。其次，要解决微波波束的生成和指向控制技术。第三要确定微波频率的选择。
微波频率过去选用2.45GHz，该频率受大气衰减小。近年来，倾向于用稍高的5.8GHz，以便缩小微波发射和接收系统的尺寸，降低造价。这两个微波频率属于工业、科学和通信使用的频率范围，需要尽早向有关国际组织申请登记，取得许可。
(4)电力管理与分配
要研制高温超导体输电电缆、长寿命高可靠制冷器、高效直流／直流变换器、有多重冗余的可重构自主电力系统网及新型的绝缘、散热材料。
(5)太空自主组装及机器人
未来在太空建造太阳电站时，简单的、规范化的组装任务由结构和部件模块自主完成,复杂的组装、维修和服务任务由机器人辅助完成。因此，要在航天飞机和国际空间站的遥控操作臂的基础上，发展遥控机器人，继而研制6自由度的机器人。
(6)结构与部件的高度模块化和批量生产
太阳电站的结构与部件需制作成大小适中、具有高包装效率的模块，使其能用当时成熟的运载器或运输系统发射，便于在太空自主装配、在轨维修和更换。
(7)轻型、长寿命的结构及其部件
为降低发射成本，需研制超轻型的展开式结构、充气膨胀结构和创新的多功能结构以及耐空间辐射环境的轻型复合材料。
(8)高比冲、长寿命的电推进
(9)空间和地面的能量贮存
三、对发展前景的不同评估
空间太阳电站的发展前景究竟如何，专家们的看法不同：一种持乐观态度，另一种则持怀疑态度，认为前景不容乐观。
1.持乐观态度者的理由
(1)新世纪初，全球对电力的需求将急剧增长
今天，全世界50亿人口中还有约40％的人尚未用上电。据美国能源部估计，到2015年，占世界人口 80％的发展中国家需要的电力将达到发达国家的同样水平。地球上不可再生的矿物燃料难以大量持续供应，空间太阳电站势必成为主要的电源。
(2)人类对保护地球环境、维持生态平衡日益关切，提出发展清洁、安全的电源的强烈要求
油船漏油严重污染海洋，矿物燃料燃烧产生二氧化碳导致全球气候变化，气温上升。世界各国都在努力寻求减少二氧化碳产生的途径，特别是减少发电站排放的二氧化碳。既要增加发电能力，又要减少二氧化碳排放，唯一出路在于开辟新的、清洁的能源。核电荷太阳能发电都属于清洁型能源。核电站由于放射性核废料的处理及核电站的核泄漏事故，使人们对其安全性总不放心。相比之下，太阳能发电所产生的微波辐射强度很低，完全在人体健康和生物正常生长允许的范围之内，是首选的清洁、安全的电源。
(3)发展空间太阳电站所需的关键技术在今后10～20年内有望突破
关键技术突破的目标主要是提高效率和降低成本。太阳电池的光电能量转换、地面与轨道间的运输、无线电力传输等的成本均有可能大幅度降低。例如，太阳电池的价格已从几年前的 10～20美元／W降低到目前的l～2美元／W，今后 10～20年内，有望再降低1～2个数量级。单级入轨运载器和可重复使用的天地往返运输系统的研制正在加大力度，发射成本降到1000～2000美元/kg及最终降到400美元／kg的目标是可以实现的。
表2 空间太阳电站与其他电站的比较
| 电站类型 | 煤炭 | 天然气 | 核能 | 水力 | 地面太阳能 | 空间太阳能 |
建造成本
(美元/W) | 3 | 2 | 4 | 5 | 30～40 | 10～15 |
发电成本
(美分/W) | 5 | 3 | 4～5 | 3 | 15～20 | 5～6 |
二氧化碳排放量
(g/kWh) | 1200 | 600 | 20 | 不详 | 200 | 20 |
美国航宇局先进概念局对空间太阳电站与其他能源发电站的成本与二氧化碳排放量进行了初步比较，结果见表2。
(4)存在以国际合作方式发展空间太阳电站的可能性
冷战结束以后，西方16国联合建造国际空间站的成功开创了国际合作实施大型航天工程的先河。特别是联合国的号召将有力促进空间太阳电站的国际合作。
在1999年7月19～20日联合国第三次和平探索与利用外层空间会议期间，国际宇航联合会能源委员会来自美国、日本、法国和欧空局等国家与组织的专家向会议提交了一份关于清洁与无污空间太阳能发电的报告，旨在推动空间太阳电站的国际合作。联合国第三次外空会议通过的《维也纳宣言》称：“鼓励世界各组织在今后几年内，进一步研究空间太阳能发电的技术与经济可行性；促进有关空间太阳能发电的国际合作与数据共享；对空间太阳能发电的有关事项，如环境保护、频谱管理、轨道分配以及其他问题，给予应有的考虑。”
(5)为研制、建造空间太阳电站开发出的新技术均可二次应用
为研制、建造空间太阳电站开发出的新技术，如高效低成本太阳电池、无线电力传输、空间机器人、长寿命高效电推进等，均可推广应用于空间科学、载人航天、深空探测和商业航天诸领域，获得额外的经济和社会效益。
2.持怀疑态度者的理由
(1)全球对电力的大量需求主要来自发展中国家，而这些国家无力发展空间太阳电站
已完成工业化的发达国家，近年来对电力需求的年增长率平均仅为1％～2％。发达国家中近 2／3的电力是民用和商用，工业用电仅占 1／3强。由于发达国家人口增长率一直保持很低，所以新世纪中对电力需求的增长估计也高不了。发展中国家未来对电力需求确实增长很快，但限于技术经济条件落后，无力支持空间太阳电站这种技术先进、规模巨大的航天工程，也就是说，“需要的没能力，有能力的不需要”。
(2)与传统的电站相比，空间太阳电站的研制、建造和发电成本仍偏高
在新世纪的头20年内，矿物燃料还不至于濒临枯竭，用矿物燃料或水力发电仍比空间太阳能发电便宜。同时在提高燃烧效率，减少二氧化碳的排放方面在已有的基础上将取得更大进展，所以，有关国家可能仍愿意发展传统的电站。再说，发达国家已经建立并正在使用的大规模的火力发电站，是造成大气污染的主要源头，如今却要求发展中国家放弃使用传统的电站，改用成本高的空间太阳电站，这也不公平。
(３)20年内空间太阳电站所需的关键技术难以取得重大突破
最大的不确定性是大幅度降低成本的目标似难达到。以发射成本为例，美国从上世纪70年代初为降低进入太空的成本开始研制航天飞机，经过近30年的努力，至今收效甚微。80年代后期起开发单级入轨运载器和重复使用的天地往返运输系统，进展也一直比较缓慢。其主要原因之一是，先进的运载器和运输系统存在一系列难度较高的关键技术，如火箭航空双模态动力系统、长寿命防热结构、机身与发动机一体化设计等，一时难以突破。
(４)空间太阳电站所需占用的地球静止轨道位置和无线电频谱，需要向有关国际组织申请、登记、协调，落实起来的阻力较大
地球静止轨道位置和无线电频谱的使用，长期以来处于不敷分配的紧张局面。静止轨道上已座无虚席，无线电频谱也已被通信、广播、导航、卫星测控等应用瓜分殆荆即使重新分配，必将优先照顾那些具有现实的应用和商业价值的卫星。在这种形势下，很难指望为尚在概念研究阶段，10多年后能否升空尚不确定的太阳电站预留轨道位置和无线电频谱。反之，若不提早申请，预先分配，等到一二十年以后恐怕更没有可用的位置和频率了。 (５)太空日益军事化和出现武器化的趋势，对空间太阳电站的建造及其国际合作极为不利
冷战结束后，和平与发展成为国际形势的主流。虽然和平利用太空的旗帜举得很高，但实际上，军事利用太空不仅没有停止，反而变本加厉。在20世纪末发生的几次局部战争中，太空中军用卫星为战争服务取得明显的效果，更加刺激了军用卫星的发展。在新世纪中，不仅谋求太空霸权的空间大国不断强化其军事航天能力，其他空间国家也竞相发展军用卫星。未来的太空可能成为第四战场，航天器在太空的安全性下降。激光、粒子束，高功率微波等太空武器的发展，对于太阳电站这种暴露面积极大、易受攻击、易遭摧毁的空间系统，更是严重的威胁。这一切都将增加人们对发展空间太阳电站的忧虑，也是影响国际空间合作的重大障碍。
四、结论
空间太阳电站的宏伟设想提出至今已经33年了。今天人类已跨入了21世纪。展望新世纪，对空间太阳电站的发展前景存在不同的评估，是很自然的。尽管有不同看法，但以下几点认识是共同的：
(1)未来20～30年内，全球对能源，特别是电力的需求将剧烈增长；
(2)空间太阳电站是一种清洁、安全的电源，为了保护人类的共同家园，为了人类社会的可持续发展，应给予积极支持；
(3)空间太阳电站的关键技术，特别是低成本、长寿命、高效率的问题尚有待突破；
(4)空间太阳电站的发展应是政府行为，需要国际合作，并吸收工业界参加；
(5)2020年或稍后，空间太阳电站有可能以5～7美分／kWh的成本发电。
克拉克利用地球静止轨道卫星实现全球通信的奇思，从设想变成现实只经历了18年。与地球静止卫星相比，空间太阳电站技术上复杂得多，牵涉的经济、政治、环境、社会等因素也多，因此从理想变现实的路途也要长得多。
值得注意的是，1999年7月联合国第三次外空会议发表的宣言号召世界各国加强空间太阳能发电的技术与经济可行性研究，推进此项研究的国际合作，并认真考虑对环境的影响、频谱管理和轨道分配等问题。
可以预期，在联合国的重视与推动下，开展国际合作，加强技术经济可行性研究与技术攻关，新世纪的头10年有可能解决主要的关键技术，2010年或稍后提出研究计划，空间太阳电站即可“浮出水面”；第二个10年开始建造；2020年或稍后，第一个试验性空间太阳电站将升入太空。
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