空间太阳能发电 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：院士园地

空间太阳能发电
中国科学院院士徐建中
作者简介：工程热物理学家。1940年生于江西吉安，1963年毕业于中国科学技术大学，1967年中国科学院力学研究所研究生毕业。现为中科院工程热物理研究所研究员。1984年被批准为国家级有突出贡献中青年科技专家；1995年当选为中科院院士。长期从事内部流动研究，并将理论研究成果成功地应用于工程实践，取得很好结果。曾获国家自然科学二等奖、中科院重大科技成果一等奖等多项奖励。
能源是人类生存与发展的基础之一。20世纪以来，全球的人口增长和经济发展，大大增加了对能源的需求；能源危机以及化石燃料大量使用造成生态环境的严重污染，使各国深刻认识到加速开发无污染的用之不竭的可再生能源的重要性。
太阳能发电是一种必然选择
化石燃料中的石油、天然气是当今世界的主要一次能源。据世界能源委员会统计，已探明的石油、天然气可采储量，按1992年各国的产量计算，分别只能开采44年和60年；虽然可采储量还会有新发现，但社会需求也在增长，特别是考虑到第三世界国家的经济发展，油气燃料可供开采的时间不会很长。在化石燃料中，尽管煤炭的蕴藏量最丰富，但燃煤造成的严重污染使其不大可能成为世界范围的主要能源。另一方面，核聚变反应可提供清洁的能源，在海洋中蕴藏着约42万亿吨核聚变的主要物质氘；但核聚变堆研究的难度很大，估计要到下一世纪后期核聚变电站才有可能实现商品化。因此，在展望21世纪能源问题的前景时，可能不得不面对油气资源面临枯竭、核聚变发电又未能商品化的一段时期。为保证这一时期内人类有充足的清洁能源供应，利用太阳能来发电是一种必然的选择。
太阳能是最重要的可再生能源，地球上的各种能源无不与之密切相关。事实上，太阳在地球的演化、生物的繁衍和人类的发展中，起了无比重大的作用，也为人类提供了取之不尽的能源。太阳内部不断进行的高温核聚变反应释放着功率为3．8×1026兆瓦的巨大辐射能，其中只有二十亿分之一到达地球大气高层；经过大气层时，约30％被反射，23％被吸收，仅有不到一半的能量8×1016兆瓦到达地球表面。即使如此，只要能够利用其万分之几，便可满足今日人类的全部需要。但是，由于其能量密度低，还要受昼夜、季节、气候、地点等因素的影响，在地面上利用太阳能来发电受到很大限制。为了避免这些缺点，自然要考虑在空间利用太阳能发电的可能性和可行性。
2010年空间发电可望实用化
空间太阳能发电方式最初是美国工程师P．Glaser首先提出的。其基本构想是在地球的外层空间或月球上建立太阳能卫星发电基地，然后通过微波将电能传输到地面的接收装置，再把微波能束转变成电能供人类使用。这一方案的优点是在大气层外充分利用太阳能，消除了在地面上太阳能密度小而变化大的缺点，无需庞大的储能装置，既减少很多占地，又节约大量设备投资。可以预计，随着光电转化材料和运载等方面技术的进步，太阳能空间发电的成本将大大降低。
这一设想提出后，受到了各国的重视。1977年—1980年美国能源部和航天航空局组织对空间太阳能发电的概念研究，认为其实施不存在不可克服的技术困难。当时设计了一种称为“参考系”的发电系统：由60块太阳能面板组成，每块长10公里，宽5公里，发电500万千瓦，总发电量3亿千瓦。用这样一颗发电卫星，便可取代美国所有的地面电站。由于该系统过于庞大，需约3000亿美元的巨额投资，在当时冷战的条件下难以得到支持。随着能源问题的突出和航天技术的进步，1995年美国航天航空局成立研究组，重新审视这一问题，较全面地分析了空间太阳能发电的技术经济可行性，在方案上也有很大不同：采用渐进的自我发展模式，即先发射一颗投资为100—150亿美元的25万千瓦发电卫星，出售电力以回收投资并获取利润，然后再扩大发电卫星的规模。该研究组估计，2010年以后，空间发电将实用化。资源匮乏的日本，对空间太阳能发电表现了极大的兴趣，制定了SPS2000计划，准备发射功率为1万千瓦的太阳能电池发电卫星。其他一些国家和国际组织也在进行太阳能空间发电方面的工作。除空间发电本身的技术问题和经济性外，科学家们还就微波输电对通讯、生物体、空间等离子体及大气层的影响等，进行了多方面研究。
空间太阳能发电系统由三个主要部分组成：太阳能发电、微波转换和发射、地面接收和转换。从能量利用的角度看，这是一个太阳能———电能——微波——电能的能量转化过程。太阳能发电系统有两种方案：一种是太阳能电池，它已在目前多数卫星和俄罗斯空间站的发电装置中采用；另一种是使用闭式循环热机系统，对大功率发电较为合适，因其效率较高而最大迎风面积小，维持卫星轨道的能耗低。目前，两方面改进余地都很大。
将微波技术应用于发电卫星系统传输能量，需要解决大功率微波器件、逆导向性输电和地面接收天线等重要技术问题。特别是采用逆导向性输电方式，可以使微波束始终对准地面的接收天线，确保微波输电的安全性。同时，建造太阳能发电系统还需要其他众多学科的参与和支持，以解决一系列技术问题。
建议及早列入我国高技术计划
我国经济和社会的迅速发展，对能源的需求增长很快；由于受到资源的严重制约，今后相当长时间内不得不仍是以煤炭为主的能源结构，造成生态环境的破坏较其他各国更为突出。因此，中国能源科学技术面临的任务特别艰巨。除了发展化石燃料的洁净利用技术外，还必须大力开发太阳能等可再生能源。同时，我国又是世界上少数几个掌握航天技术的国家，正在开展航天高技术方面的工作，有条件不失时机地开展空间太阳能发电方面的工作。
空间太阳能发电涉及很多技术领域，其中有些关键技术的研究需要较长时间。建议国家及早安排，将这一综合高技术项目列入有关计划，统筹规划，开展有关工作，争取国际合作。
为做好这一工作，应先进行方案研究和概念研究，制订我国空间太阳能发电实验系统的方案，并根据这一方案，分解出总系统和各分系统及相关的关键技术。在此基础上，进行关键技术研究、关键部件研制和初步演示试验；最后，将各种技术集成，进行飞行演示验证，完成实验卫星系统的建造和发射，并积累在空间发电的经验。这时，我国便掌握了空间太阳能发电的技术，可以根据实际需要，建造、发射更大的实用空间发电卫星，实现产业化，为我国国民经济的持续发展做出贡献，也可在国际能源市场上占有一席之地。（附图片）