太空超级太阳能发电站的设计

0引言

这次全球遭遇的是金融危机而并非石油危机，但以美国为首的发达国家却把新能源发展提升到了前所未有的高度，对新能源的投入呈现加速之势。2009年4月初美国能源部长朱棣文在《新闻周刊》上撰文，呼吁美国放弃石油，掌握自己的能源命运，为新能源开发造势。奥巴马政府希望借助能源新政的指引极大地促进美国经济转型。这不仅会创造一个全新的能源大产业，而且将增加数百万就业岗位，从而扭转美国经济下滑的局面。美国希望并且认定未来将美国送达世界经济制高点的产业就是新能源产业。奥巴马在就职演说中也透露了美国的能源新政之一就是抑制石化能源价格上涨，不这样做就会助长了我们的敌对势力，同时也威胁着我们的星球。由此可见，谁能在新能源战略竞争中取得优势，谁就可以在下一场产业革命中继续充当世界科技创新的领跑者、经济发展的火车头以及国际新标准的制定者。

本文仅就新能源中的太阳能发电技术的动向做一个预测。其一，关键光伏器件的价格将进一步降低，从上世纪50年代初的1500美元/W降至1美元/W左右（现行价格为4美元/W）；其二，是将太空技术、微波技术和光伏技术结合；其三，是我国将加大新能源发展的力度，在GDP增长的城市规划中会单列一块，即新能源在GDP增长中的贡献，且逐步解决分布式供电网问题。

1太阳能发电与微波输电计划

1.1宇宙太阳能发电

太阳表面的温度约为2伊107益，它所释放的能量为1伊1024kW。其中，地球有可能利用的能量为1.8伊1014kW，若以地球表面来平均，则可利用的能量达183W/m2（日照总量为1400W/m2）。

除上述在地表可获取的能量外，人们还可以从空中捕获太阳能量，SSPS计划就是基于此为出发点的。

最初的设想是从1973年到1984年底为基础研究阶段，到1992年底试制概念样机，并开始试制实用装置，到1998年给出可投入实际运行的太阳能光伏发电和微波发送接收装置。

作为21世纪的新能源系统，核聚变发电系统和软能源系统是有希望的。在软能源系统中，宇宙太阳能发电系统（SSPS）非常引人注目。

如果把宇宙太阳能发电系统的发展过程进行分类，大致可分为五个阶段。

第一阶段是设想时期。美国空军雷神公司在1967年成功地进行了通过微波向模拟直升机提供电力的试验，这一试验连续进行了10h，成功地使直升机维持了18m的高度。这是世界上首次进行的电力微波传输试验。

第二阶段是美国航天局开始对宇宙太阳能发电系统进行立项。美国航天局同能源部在从20世纪70年代后半期到20世纪80年代前半期的10年左右的时间里，正式进行了宇宙太阳能发电系统的开发与研究。代表这一研究成果的系统是1979年研制的宇宙太阳能发电系统。这一系统是在高度为3.6伊104km的卫星静止轨道上建设装有宽5km、长10km的巨大太阳能电池的太空站，并把产生的电力变换成微波后传输到地面。据说，预计该宇宙太阳能发电系统的发电能力为5GW。

第三阶段是美国继续研究能否实现比较经济的宇宙太阳能发电系统的问题，并每隔10年做一次报告。

第四阶段是用新概念、新思路研究宇宙太阳能发电系统的时期。其中，具有代表性的、高度为6000km的太阳塔型宇宙太阳能发电系统受到好评。其传输微波的频率为2.45耀3.5GHz，这满足了家用微波炉所需要的微波条件。

第五阶段是概念设计时期，美国航天局根据国会的要求，在1998年3月耀9月，基于以前的研究成果，实施了宇宙太阳能发电系统的概念设计。

日本宇宙开发事业团、欧洲航天局和加拿大航天局也提出了应通过国际合作尽快解决的事项：研究主要的核心技术；进行大气中的无线供电试验；调查微波发射对生态系统所产生的长期影响；通过国际空间站进行宇宙太阳能发电系统试验；以宇宙太阳能发电系统为契机，制定旨在开展新能源开发的国际合作。

宇宙开发事业团计划在今后25年内投入约800亿美元，进行宇宙太阳能发电系统研究与开发工作。根据这一计划，拟在2010年耀2020年构筑发电能力为1GW级的实用型宇宙太阳能发电系统。此外，不仅进行上述基础技术和核心技术的研究与开发，而且将向围绕地球运行的轨道发射发电能力为6GW的宇宙太阳能发电系统卫星，并通过微波从太空向地面传输电力，还将进行电离层和大气层的同传播特性有关的试验性研究。

如果计划进展顺利，那就等于是构筑了比快中子增殖反应堆和核聚变反应堆更能迅速实用化的技术，因而值得关注。

1.2SSPS计划概述

若干年前就有人设想过从遥远的地方利用微波来输电，1969年美国雷神公司的布朗（W.C.Brown）从地面向天空发射微波，通过接收天线将接收的电能返回到一架直升飞机上，使装有天线的直升飞机带着接收的电功率在空中飞行，这是最早的成功的开拓性试验。

到20世纪70年代各国相继研制微波输送、接收电力的试验。电功率一般均在2450MHz、10kW左右。1974年，美国迈阿密大学发表了论文《大规模从宇宙发电与输电计划》，其概念装置模型如图1所示，简称SSPS（SatelliteSolarPowerStation）计划，该计划第一次把太阳能光伏发电和微波传输两种最新概念结合了起来。

图1中，重要部分之一是太阳能光伏电池传输中的电池板。其占用宇宙站面积大约为6km伊26km，可发出8GW（1GW=109W=106kW）的功率。然后将其变为微波送至地球，除去损耗，到达地面取得的功率约为5GW。SSPS计划系统结构及系统各部分的成本分析如图2所示。首先是把太阳能电池及微波发生器等设备送上宇宙的发射费用占了较大份额，预计会占1/2以上；其次是太阳能电池光伏发电的费用也占很大比例；最后是微波发射和天线等的费用，预计不会超过16%。

图2中太阳电池的效率为12.3%，若不考虑从太阳光到电力的变换则发电5GW，而太阳电池发电功率需8.85GW，因此计算得出系统综合效率为56%。