太空超级太阳能发电站的设计

　　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1 500 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1024 kW。其中，地球有可能利用的能量为1.8伊1014 kW，若以地球表面来平均，则可利用的能量达183 W/m2（日照总量为1 400 W/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10 h，成功地使直升机维持了18 m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104 km的卫星静止轨道上建设装有宽5 km、长10 km 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5 GW。

　　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6 000 km 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3.5 GHz，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1 GW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6 GW 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。

　　1.2 SSPS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2 450 MHz、10 kW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（Satellite Solar Power Station）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6 km伊26 km，可发出8 GW（1 GW=109 W=106 kW）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5 GW。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5 GW，而太阳电池发电功率需8.85 GW，因此计算得出系统综合效率为56%。　　1.3 送电（发射）系统

　　送电系统的好坏将影响整个发电系统的综合效率，此系统包括如下四大变换：

　　1）太阳光寅电功率；

　　2）直流电功率寅高频微波电功率；

　　3）微波电功率（卫星）寅微波电功率（地球）；

　　4）微波寅商用电力。

　　在此将对员）的太阳能发电的叙述略去，圆）耀源）部分的概念如图3 所示。由图3 可知，控制电功率全部是在地球上进行，一方面是要控制宇宙发电，另一方面还要兼顾微波发射和接收的控制。

　　该系统中技术含量最高的部件是把太阳能光伏发电出来的电功率变换为微波。

　　研究初期，曾试用以单个超大功率的微波管作为微波发送器，所以对各种形式微波管的性能进行了比较。最初认为速调管比较适合用于大功率发射，但发现其效率低；后又改用超高频功率放大管（CFA），但其缺点是价格高，散热困难；最后采用的是多个小功率的磁控管进行并联的方案。

　　众所周知，磁控管是家用微波炉最常用的微波管，其优点是价格低，并可通过控制相位从而改变输出功率。最后采用磁控管与散热天线结合构成一个单元，以若干个单元组成微波发射阵列。

　　1.4 接收系统

　　接收系统的概念图如图4 所示。若在地面设置一个参考定向点RB（Reference Beam），由此与卫星输电进行通信联系，并控制卫星的发射方向和强度。将微波发射点（卫星上）的电力密度合成后，定向点的电力密度的宽度为1 km（用高斯表示中心部分的高斯量为23 kW/m2），故地面上定向点RB 周围的电力密度可相应为：

　　输电（发射）定向参考点RB 和受电（接收）RB的电力密度分布图如图5 所示。在宇宙上空的发射点虽然密度大，但只对飞机（引起燃料箱放电）有所影响，而地面的电力密度却很低，还不致超过美国规定的微波泄露功率允许值10 mW/cm2。当然，发射和接收二者的配合十分重要，若空中的阵列定向点设置稍有不当，则会影响输电效率，使地面上的天线无法捕捉到全部电力，因而会使某些地面电场强度过高而产生危险。信号传输时经图4 的磁控管传感器系统检测后，才由指令系统（Command Link）对发射定向点进行控制。

　　接收天线阵列布置的设想图如图6 和图7所示。从远处看接收天线阵列设置好像是一组一组的屋顶，但平面部分做成网状的帘棚，可以完全阻断微波。

　　这种屋脊式构造的目的是使微波不致穿过网的下方，同时也可使阳光和雨水由网眼流出，这样，网下方非常安全。当然，网眼的大小孔需经多次实地试验才能确定，最好是完全地阻断微波射线，这样不致对生物造成损害。如果能做到这一点，当然就可以将微波接收站设置在城市近郊了。

　　1.5 SSPS计划试验结果

　　宇宙发电输电计划（即SSPS）各个不同的部件已在地面上进行了小功率的模拟试验，取得了初步的成果。考虑得最多的是成本，现正不断的改进中，以尽可能降低系统造价。

　　造价预算分类如下。

　　　　2 太空太阳能发电的最新进展