將太陽(yáng)能作為能源和動(dòng)力，人類(lèi)已經(jīng)探索了近400年，利用的方式一種是光熱轉(zhuǎn)換，一種是光電轉(zhuǎn)換。
其中光電轉(zhuǎn)換就是在地面或其他開(kāi)闊地鋪設(shè)太陽(yáng)能電池板，并通過(guò)控制器將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成可利用的交流電或直流電，也可以先把電放入蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)再利用。
但通過(guò)這樣的方式我們所得到的太陽(yáng)能已經(jīng)被大氣層層層剝削，只剩太空中太陽(yáng)輻射的1/10～1/5，盡管光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)從最初的10%提升到了40%左右，但地面太陽(yáng)能發(fā)電的實(shí)際效果還是打了很多折扣。
因此，科學(xué)家們很早就將視野轉(zhuǎn)向太空，如果能從太空直接收集太陽(yáng)能，那么，太陽(yáng)能的可用量將是地球上的數(shù)十億倍。
滿足人類(lèi)1/3用電需求
美國(guó)宇航局（NASA）前工程師約翰·曼金斯博士正在研制一種雞尾酒杯形衛(wèi)星，聲稱(chēng)能夠在2025年滿足人類(lèi)1/3的用電需求。這種衛(wèi)星名為“SPS－ALPHA”（隨機(jī)性大型相位陣列太陽(yáng)能人造衛(wèi)星），由美國(guó)宇航局委托曼金斯研制，旨在探索利用部署在太空中的太陽(yáng)能電池板向地球傳輸能量的可能性。
曼金斯最近在接受?chē)?guó)外媒體采訪時(shí)指出，如果資金到位，SPS－ALPHA最早可在2025年發(fā)射升空。他說(shuō)：“一個(gè)太陽(yáng)能衛(wèi)星陣列便可滿足人類(lèi)1/3的用電需求。雖然并非同時(shí)滿足，但卻能夠滿足任何一個(gè)市場(chǎng)的用電需求。”
根據(jù)曼金斯的設(shè)想，SPS－ALPHA將收集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成微波（波長(zhǎng)小于1米大于等于1毫米的電磁波），而后傳輸給地球上的發(fā)電站，后者接收后將微波轉(zhuǎn)換成電，最終傳輸給消費(fèi)者。這一系統(tǒng)由數(shù)千個(gè)薄而彎曲的類(lèi)似鏡子的組件構(gòu)成，可以移動(dòng)以便讓所能收集的太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)最大化。SPS－ALPHA內(nèi)安裝光伏板，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成微波。微波隨后從這個(gè)“雞尾酒杯”的底部傳給地球。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院副院長(zhǎng)、智能測(cè)試及信息處理技術(shù)研究所所長(zhǎng)朱春波在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，從太空中直接收集太陽(yáng)能的想法實(shí)際上在幾十年前就有了，只是一直都沒(méi)有成功實(shí)現(xiàn)。
自從20世紀(jì)60年代以來(lái)，人類(lèi)就從科學(xué)角度論證了“基于太空的太陽(yáng)能”（SBSP，Space－basedSolarPower）的可行性，而從太空軌道往地面發(fā)射微波的概念也證實(shí)是可行的。
曼金斯認(rèn)為，SPS－ALPHA的成本會(huì)低于其他一些方式，比如環(huán)繞地球的單一陣列。對(duì)于這個(gè)方案，他認(rèn)為，如果能夠取得成功，向地球遠(yuǎn)程傳輸具有經(jīng)濟(jì)可承受性的電量，可以達(dá)到10～1000兆瓦。
朱春波認(rèn)為，如果這樣的技術(shù)能夠成功，他們所設(shè)想的結(jié)果是可以滿足的。
高效利用太陽(yáng)能
朱春波告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，地面上太陽(yáng)光能量密度比較低，目前我們應(yīng)用的太陽(yáng)能板效率只有百分之十幾到百分之二十，而光電轉(zhuǎn)換效率又比較低。因此，我們?cè)诘孛嫔夏軌蚶玫降奶?yáng)能是十分有限的。
在太空，理論上，在地球同步軌道上，99%的時(shí)間可以接受太陽(yáng)能輻射，每平方米太陽(yáng)能可以產(chǎn)生1336瓦熱量。早在1968年，美國(guó)科學(xué)家彼得·格拉賽(PeterGlaser)就首先提出了建造空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想。
此后，美國(guó)、日本等都提出了自己的國(guó)際空間太陽(yáng)能電站構(gòu)想。2011年，在中國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展技術(shù)全國(guó)研討會(huì)上，專(zhuān)家也提出了我國(guó)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展思路。
2012年，斯特拉斯克萊德大學(xué)的研究人員在太空測(cè)試過(guò)一種裝置，可用于收集能量并以微波或者激光束的形式傳回地球。這項(xiàng)測(cè)試是曼金斯領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)宇航局先進(jìn)理念研究所的一項(xiàng)研究的組成部分。斯特萊斯克萊德大學(xué)扮演的角色是為這一項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)組件研發(fā)具有革新性的解決方案。
斯特萊斯克萊德大學(xué)的馬斯米利亞諾·瓦斯勒博士指出：“太空是收集太陽(yáng)能的理想之地，擁有巨大優(yōu)勢(shì)。在太空中，你可以在一天中的任何時(shí)刻收集太陽(yáng)能同時(shí)不會(huì)受到天氣條件的制約。”
華南理工大學(xué)電力學(xué)院副院長(zhǎng)張波也告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，與地面能源相比，從太空中獲取太陽(yáng)能，不僅強(qiáng)度高，由于其本身是無(wú)償?shù)模蚨杀镜汀?/div>
在地面上建設(shè)太陽(yáng)能電站需要很大的面積，與火力發(fā)電站相比，產(chǎn)生同樣電量的太陽(yáng)能電站所需占地面積可能是火力發(fā)電站占地面積的幾十倍。此外，為了避免天氣對(duì)太陽(yáng)能利用的干擾，就需要龐大的蓄能系統(tǒng)。目前來(lái)說(shuō)，這都是發(fā)展太陽(yáng)能的瓶頸。
無(wú)線傳輸是關(guān)鍵
接受采訪的專(zhuān)家均表示，空間太陽(yáng)能電站從長(zhǎng)遠(yuǎn)看是可行的，但是需要在三項(xiàng)技術(shù)上有所突破。
空間太陽(yáng)能電站是一個(gè)巨型的發(fā)電站，如果將國(guó)際空間站作為對(duì)比，其在1993年開(kāi)始實(shí)施建造，直到2011年底完成組裝工作，總質(zhì)量為420噸左右，花費(fèi)了16個(gè)參與國(guó)超過(guò)1000億美元的資金。而太陽(yáng)能電站，光伏電池、微波轉(zhuǎn)換裝置、發(fā)射天線等裝置將被裝載到衛(wèi)星平臺(tái)上，該系統(tǒng)的質(zhì)量將達(dá)到萬(wàn)噸級(jí)以上，組裝時(shí)的運(yùn)輸成本就大得驚人。有預(yù)算顯示，建設(shè)這樣一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電站需要耗資3000億～10000億美元。
“如果無(wú)法減輕系統(tǒng)質(zhì)量，就不可能降低技術(shù)復(fù)雜性和建造成本。對(duì)于一個(gè)國(guó)家而言，這個(gè)工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性幾乎為零。”中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員、《國(guó)際太空》雜志副主編龐之浩告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，由于近年來(lái)，太空電梯成為美國(guó)、日本等競(jìng)相研發(fā)的空間課題，一旦空間運(yùn)輸技術(shù)得到實(shí)質(zhì)性的突破，運(yùn)輸成本大大降低，也許將為空間太陽(yáng)能電站的建設(shè)提供很大的技術(shù)便利。
朱春波說(shuō)，通過(guò)微波傳輸，在地面還需要一個(gè)擁有巨大接收天線的儲(chǔ)能電站，占地至少幾公里到幾十公里，并且需要建在沙漠或海洋等無(wú)人區(qū)域，才能最終通過(guò)儲(chǔ)能電站傳輸給地面用戶。
此外，張波認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)中阻撓這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵就在于無(wú)線傳輸?shù)男蕟?wèn)題。這也是空間太陽(yáng)能電站需要突破的第二項(xiàng)技術(shù)。
目前無(wú)線傳輸研究比較多的就是微波傳輸，第二種是近距離電磁感應(yīng)，第三種是諧振。想要實(shí)現(xiàn)從太空到地面的傳輸，微波是最理想的方式，因?yàn)樗膫鬏斁嚯x最遠(yuǎn)。近距離電磁感應(yīng)的傳輸單位是毫米到厘米，而諧振的傳輸單位也只能到米。
微波的理想頻率為2.45GH（千兆赫）或5.8GH，這兩個(gè)波段都處于紅外線與FM/AM無(wú)線電信號(hào)之間，最容易穿透大氣層。但是張波表示，微波最大的問(wèn)題是傳播效率低，大概只有10%左右。
曼金斯的研究團(tuán)隊(duì)也在考慮利用激光束將能量傳回地球。朱春波認(rèn)為，激光束從能量傳遞上確實(shí)有很多優(yōu)勢(shì)，不僅損耗小，而且能量集中，這樣地面的接收站可以做得更小。但激光束是高密度能量，能夠定向損毀目標(biāo)，如果利用它來(lái)傳輸能量，就需要有能夠接收這種高密度能量的技術(shù)。“這種高密度能量的接收端，我們還做不到。這涉及到材料的進(jìn)步，它需要能夠接收激光束的高密度能量并且轉(zhuǎn)化為電能。”
除了技術(shù)方面的瓶頸，微波對(duì)環(huán)境的影響，恐怕也是太空向地面?zhèn)鬏斈芰康囊粋€(gè)障礙。朱春波說(shuō)：“在微波的傳輸通道上，不能有生物存在。因此，接收微波的電站必須建在一個(gè)無(wú)人區(qū)，包括空中也要避開(kāi)航空活動(dòng)。條件十分苛刻。”
地球電網(wǎng)輔助
美國(guó)研究人員的終極目標(biāo)是打造一個(gè)衛(wèi)星群，能夠在將來(lái)的某一天為整座城市供電。最初，這種微型衛(wèi)星并不能取代電網(wǎng)。它們的優(yōu)勢(shì)在于可以快速為災(zāi)區(qū)或者難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。
龐之浩認(rèn)為，約翰·曼金斯研制的這種雞尾酒杯形太陽(yáng)能衛(wèi)星，從質(zhì)量上來(lái)講可能比科學(xué)家早年的設(shè)想要輕巧，如果不是大規(guī)模的部署成衛(wèi)星群，而只是作為地球電網(wǎng)的一種輔助的發(fā)電方式應(yīng)該是可實(shí)現(xiàn)的。
張波告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，太陽(yáng)能的能源是公用的，但不管誰(shuí)占領(lǐng)了先機(jī)，后來(lái)者再發(fā)展就會(huì)有很大困難。但對(duì)于這種應(yīng)用基礎(chǔ)的研究，我國(guó)還不是很重視，因?yàn)橛泻芏嗳擞X(jué)得它很遙遠(yuǎn)。
就像在上世紀(jì)60年代，沒(méi)有人能想像得到，玻璃可以傳遞信號(hào)。但是，現(xiàn)在光纖已經(jīng)成為我們生活中必不可少的技術(shù)。“這得益于高錕解決了玻璃纖維如何高效傳輸信息的關(guān)鍵問(wèn)題。”張波說(shuō)，在人類(lèi)出現(xiàn)之前，能量也在傳輸，現(xiàn)在無(wú)線傳輸?shù)慕K極理論還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。“如果這個(gè)終極理論被發(fā)現(xiàn)，那么無(wú)線傳輸就會(huì)像今天的光纖一樣，成為未來(lái)生活中不可缺少的一部分。”
張波表示，未來(lái)這種技術(shù)也很有可能用于軍事，而一旦用于軍事，首先掌握這種技術(shù)的國(guó)家就會(huì)占盡先機(jī)。比如，戰(zhàn)斗機(jī)在空中執(zhí)行任務(wù)，燃油耗盡就必須降落補(bǔ)充燃料，但是如果能直接通過(guò)無(wú)線傳輸，從太空獲得太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)化成電能，其續(xù)航能力將大大增加。而航母等水上艦艇，也可以大大減小動(dòng)力荷載。
張波一再表示，從能源戰(zhàn)略的角度講，我國(guó)也不應(yīng)該忽視無(wú)線傳輸?shù)难芯恳约盎谔盏奶?yáng)能利用。
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