太空超級太陽能發(fā)電站的設(shè)計(jì)

　　這次全球遭遇的是金融危機(jī)而并非石油危機(jī)，但以美國為首的發(fā)達(dá)國家卻把新能源發(fā)展提升到了前所未有的高度，對新能源的投入呈現(xiàn)加速之勢。2009 年4 月初美國能源部長朱棣文在《新聞周刊》上撰文，呼吁美國“放棄石油”，“掌握自己的能源命運(yùn)”，為新能源開發(fā)造勢。奧巴馬政府希望借助能源新政的指引極大地促進(jìn)美國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。這不僅會創(chuàng)造一個全新的能源大產(chǎn)業(yè)，而且將增加數(shù)百萬就業(yè)崗位，從而扭轉(zhuǎn)美國經(jīng)濟(jì)下滑的局面。美國希望并且認(rèn)定未來將美國送達(dá)世界經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)的產(chǎn)業(yè)就是新能源產(chǎn)業(yè)。奧巴馬在就職演說中也透露了美國的能源新政之一就是抑制石化能源價(jià)格上漲，“不這樣做就會助長了我們的敵對勢力，同時(shí)也威脅著我們的星球”。由此可見，誰能在新能源戰(zhàn)略競爭中取得優(yōu)勢，誰就可以在下一場產(chǎn)業(yè)革命中繼續(xù)充當(dāng)世界科技創(chuàng)新的“領(lǐng)跑者”、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的火車頭以及國際新標(biāo)準(zhǔn)的制定者。

　　本文僅就新能源中的太陽能發(fā)電技術(shù)的動向做一個預(yù)測。其一，關(guān)鍵光伏器件的價(jià)格將進(jìn)一步降低，從上世紀(jì)50 年代初的1 500 美元/W 降至1美元/W 左右（現(xiàn)行價(jià)格為4 美元/W）；其二，是將太空技術(shù)、微波技術(shù)和光伏技術(shù)結(jié)合；其三，是我國將加大新能源發(fā)展的力度，在GDP增長的城市規(guī)劃中會單列一塊，即“新能源在GDP 增長中的貢獻(xiàn)”，且逐步解決分布式供電網(wǎng)問題。

　　1 太陽能發(fā)電與微波輸電計(jì)劃

　　1.1 宇宙太陽能發(fā)電

　　太陽表面的溫度約為2伊107益，它所釋放的能量為1伊1024 kW。其中，地球有可能利用的能量為1.8伊1014 kW，若以地球表面來平均，則可利用的能量達(dá)183 W/m2（日照總量為1 400 W/m2）。

　　除上述在地表可獲取的能量外，人們還可以從空中捕獲太陽能量，SSPS 計(jì)劃就是基于此為出發(fā)點(diǎn)的。

　　最初的設(shè)想是從1973 年到1984 年底為基礎(chǔ)研究階段，到1992 年底試制概念樣機(jī)，并開始試制實(shí)用裝置，到1998 年給出可投入實(shí)際運(yùn)行的太陽能光伏發(fā)電和微波發(fā)送接收裝置。

　　作為21 世紀(jì)的新能源系統(tǒng)，核聚變發(fā)電系統(tǒng)和軟能源系統(tǒng)是有希望的。在軟能源系統(tǒng)中，宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)（SSPS）非常引人注目。

　　如果把宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展過程進(jìn)行分類，大致可分為五個階段。

　　第一階段是設(shè)想時(shí)期。美國空軍雷神公司在1967 年成功地進(jìn)行了通過微波向模擬直升機(jī)提供電力的試驗(yàn)，這一試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行了10 h，成功地使直升機(jī)維持了18 m的高度。這是世界上首次進(jìn)行的電力微波傳輸試驗(yàn)。

　　第二階段是美國航天局開始對宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行立項(xiàng)。美國航天局同能源部在從20 世紀(jì)70 年代后半期到20 世紀(jì)80 年代前半期的10年左右的時(shí)間里，正式進(jìn)行了宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)與研究。代表這一研究成果的系統(tǒng)是1979 年研制的宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)。這一系統(tǒng)是在高度為3.6伊104 km的衛(wèi)星靜止軌道上建設(shè)裝有寬5 km、長10 km 的巨大太陽能電池的太空站，并把產(chǎn)生的電力變換成微波后傳輸?shù)降孛?。?jù)說，預(yù)計(jì)該宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力為5 GW。

　　第三階段是美國繼續(xù)研究能否實(shí)現(xiàn)比較經(jīng)濟(jì)的宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)的問題，并每隔10 年做一次報(bào)告。

　　第四階段是用新概念、新思路研究宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)的時(shí)期。其中，具有代表性的、高度為6 000 km 的“太陽塔型宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)”受到好評。其傳輸微波的頻率為2.45耀3.5 GHz，這滿足了家用微波爐所需要的微波條件。

　　第五階段是概念設(shè)計(jì)時(shí)期，美國航天局根據(jù)國會的要求，在1998 年3 月耀9月，基于以前的研究成果，實(shí)施了宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。

　　日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)、歐洲航天局和加拿大航天局也提出了應(yīng)通過國際合作盡快解決的事項(xiàng)：研究主要的核心技術(shù)；進(jìn)行大氣中的無線供電試驗(yàn)；調(diào)查微波發(fā)射對生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的長期影響；通過國際空間站進(jìn)行宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)；以宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)為契機(jī)，制定旨在開展新能源開發(fā)的國際合作。

　　宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)計(jì)劃在今后25 年內(nèi)投入約800億美元，進(jìn)行宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)研究與開發(fā)工作。根據(jù)這一計(jì)劃，擬在2010 年耀2020 年構(gòu)筑發(fā)電能力為1 GW級的實(shí)用型宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)。此外，不僅進(jìn)行上述基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)的研究與開發(fā)，而且將向圍繞地球運(yùn)行的軌道發(fā)射發(fā)電能力為6 GW 的宇宙太陽能發(fā)電系統(tǒng)衛(wèi)星，并通過微波從太空向地面?zhèn)鬏旊娏?，還將進(jìn)行電離層和大氣層的同傳播特性有關(guān)的試驗(yàn)性研究。

　　如果計(jì)劃進(jìn)展順利，那就等于是構(gòu)筑了比快中子增殖反應(yīng)堆和核聚變反應(yīng)堆更能迅速實(shí)用化的技術(shù)，因而值得關(guān)注。

　　1.2 SSPS計(jì)劃概述

　　若干年前就有人設(shè)想過從遙遠(yuǎn)的地方利用微波來輸電，1969 年美國雷神公司的布朗（W.C.Brown）從地面向天空發(fā)射微波，通過接收天線將接收的電能返回到一架直升飛機(jī)上，使裝有天線的直升飛機(jī)帶著接收的電功率在空中飛行，這是最早的成功的開拓性試驗(yàn)。

　　到20世紀(jì)70年代各國相繼研制微波輸送、接收電力的試驗(yàn)。電功率一般均在2 450 MHz、10 kW左右。1974年，美國邁阿密大學(xué)發(fā)表了論文《大規(guī)模從宇宙發(fā)電與輸電計(jì)劃》，其概念裝置模型如圖1 所示，簡稱SSPS（Satellite Solar Power Station）計(jì)劃，該計(jì)劃第一次把太陽能光伏發(fā)電和微波傳輸兩種最新概念結(jié)合了起來。

　　圖1 中，重要部分之一是太陽能光伏電池傳輸中的電池板。其占用宇宙站面積大約為6 km伊26 km，可發(fā)出8 GW（1 GW=109 W=106 kW）的功率。然后將其變?yōu)槲⒉ㄋ椭恋厍颍p耗，到達(dá)地面取得的功率約為5 GW。SSPS計(jì)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)各部分的成本分析如圖2 所示。首先是把太陽能電池及微波發(fā)生器等設(shè)備送上宇宙的發(fā)射費(fèi)用占了較大份額，預(yù)計(jì)會占1/2 以上；其次是太陽能電池光伏發(fā)電的費(fèi)用也占很大比例；最后是微波發(fā)射和天線等的費(fèi)用，預(yù)計(jì)不會超過16%。

　　圖2中太陽電池的效率為12.3%，若不考慮從太陽光到電力的變換則發(fā)電5 GW，而太陽電池發(fā)電功率需8.85 GW，因此計(jì)算得出系統(tǒng)綜合效率為56%。　　1.3 送電（發(fā)射）系統(tǒng)

　　送電系統(tǒng)的好壞將影響整個發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率，此系統(tǒng)包括如下四大變換：

　　1）太陽光寅電功率；

　　2）直流電功率寅高頻微波電功率；

　　3）微波電功率（衛(wèi)星）寅微波電功率（地球）；

　　4）微波寅商用電力。

　　在此將對員）的太陽能發(fā)電的敘述略去，圓）耀源）部分的概念如圖3 所示。由圖3 可知，控制電功率全部是在地球上進(jìn)行，一方面是要控制宇宙發(fā)電，另一方面還要兼顧微波發(fā)射和接收的控制。

　　該系統(tǒng)中技術(shù)含量最高的部件是把太陽能光伏發(fā)電出來的電功率變換為微波。

　　研究初期，曾試用以單個超大功率的微波管作為微波發(fā)送器，所以對各種形式微波管的性能進(jìn)行了比較。最初認(rèn)為速調(diào)管比較適合用于大功率發(fā)射，但發(fā)現(xiàn)其效率低；后又改用超高頻功率放大管（CFA），但其缺點(diǎn)是價(jià)格高，散熱困難；最后采用的是多個小功率的磁控管進(jìn)行并聯(lián)的方案。

　　眾所周知，磁控管是家用微波爐最常用的微波管，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，并可通過控制相位從而改變輸出功率。最后采用磁控管與散熱天線結(jié)合構(gòu)成一個單元，以若干個單元組成微波發(fā)射陣列。

　　1.4 接收系統(tǒng)

　　接收系統(tǒng)的概念圖如圖4 所示。若在地面設(shè)置一個參考定向點(diǎn)RB（Reference Beam），由此與衛(wèi)星輸電進(jìn)行通信聯(lián)系，并控制衛(wèi)星的發(fā)射方向和強(qiáng)度。將微波發(fā)射點(diǎn)（衛(wèi)星上）的電力密度合成后，定向點(diǎn)的電力密度的寬度為1 km（用高斯表示中心部分的高斯量為23 kW/m2），故地面上定向點(diǎn)RB 周圍的電力密度可相應(yīng)為：

　　輸電（發(fā)射）定向參考點(diǎn)RB 和受電（接收）RB的電力密度分布圖如圖5 所示。在宇宙上空的發(fā)射點(diǎn)雖然密度大，但只對飛機(jī)（引起燃料箱放電）有所影響，而地面的電力密度卻很低，還不致超過美國規(guī)定的微波泄露功率允許值10 mW/cm2。當(dāng)然，發(fā)射和接收二者的配合十分重要，若空中的陣列定向點(diǎn)設(shè)置稍有不當(dāng)，則會影響輸電效率，使地面上的天線無法捕捉到全部電力，因而會使某些地面電場強(qiáng)度過高而產(chǎn)生危險(xiǎn)。信號傳輸時(shí)經(jīng)圖4 的磁控管傳感器系統(tǒng)檢測后，才由指令系統(tǒng)（Command Link）對發(fā)射定向點(diǎn)進(jìn)行控制。

　　接收天線陣列布置的設(shè)想圖如圖6 和圖7所示。從遠(yuǎn)處看接收天線陣列設(shè)置好像是一組一組的屋頂，但平面部分做成網(wǎng)狀的簾棚，可以完全阻斷微波。

　　這種屋脊式構(gòu)造的目的是使微波不致穿過網(wǎng)的下方，同時(shí)也可使陽光和雨水由網(wǎng)眼流出，這樣，網(wǎng)下方非常安全。當(dāng)然，網(wǎng)眼的大小孔需經(jīng)多次實(shí)地試驗(yàn)才能確定，最好是完全地阻斷微波射線，這樣不致對生物造成損害。如果能做到這一點(diǎn)，當(dāng)然就可以將微波接收站設(shè)置在城市近郊了。

　　1.5 SSPS計(jì)劃試驗(yàn)結(jié)果

　　宇宙發(fā)電輸電計(jì)劃（即SSPS）各個不同的部件已在地面上進(jìn)行了小功率的模擬試驗(yàn)，取得了初步的成果?？紤]得最多的是成本，現(xiàn)正不斷的改進(jìn)中，以盡可能降低系統(tǒng)造價(jià)。

　　造價(jià)預(yù)算分類如下。

　　　　2 太空太陽能發(fā)電的最新進(jìn)展