將太陽能作為能源和動(dòng)力，人類已經(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闊地鋪設(shè)太陽能電池板，并通過控制器將太陽能直接轉(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)存起來再利用。
但通過這樣的方式我們所得到的太陽能已經(jīng)被大氣層層層剝削，只剩太空中太陽輻射的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能，那么，太陽能的可用量將是地球上的數(shù)十億倍。
滿足人類1/3用電需求
美國宇航局（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，聲稱能夠在2025年滿足人類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能人造衛(wèi)星），由美國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能電池板向地球傳輸能量的可能性。
曼金斯最近在接受國外媒體采訪時(shí)指出，如果資金到位，SPS－ALPHA最早可在2025年發(fā)射升空。他說：“一個(gè)太陽能衛(wèi)星陣列便可滿足人類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將收集的太陽能轉(zhuǎn)化成微波（波長小于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)薄而彎曲的類似鏡子的組件構(gòu)成，可以移動(dòng)以便讓所能收集的太陽能實(shí)現(xiàn)最大化。SPS－ALPHA內(nèi)安裝光伏板，將太陽能轉(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、智能測(cè)試及信息處理技術(shù)研究所所長朱春波在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，從太空中直接收集太陽能的想法實(shí)際上在幾十年前就有了，只是一直都沒有成功實(shí)現(xiàn)。
自從20世紀(jì)60年代以來，人類就從科學(xué)角度論證了“基于太空的太陽能”（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。
高效利用太陽能
朱春波告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，地面上太陽光能量密度比較低，目前我們應(yīng)用的太陽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柲苁鞘钟邢薜摹?/div>
在太空，理論上，在地球同步軌道上，99%的時(shí)間可以接受太陽能輻射，每平方米太陽能可以產(chǎn)生1336瓦熱量。早在1968年，美國科學(xué)家彼得·格拉賽(PeterGlaser)就首先提出了建造空間太陽能電站的構(gòu)想。
此后，美國、日本等都提出了自己的國際空間太陽能電站構(gòu)想。2011年，在中國空間太陽能電站發(fā)展技術(shù)全國研討會(huì)上，專家也提出了我國空間太陽能電站的發(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)院副院長張波也告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，與地面能源相比，從太空中獲取太陽能，不僅強(qiáng)度高，由于其本身是無償?shù)?，因而成本低?/div>
在地面上建設(shè)太陽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)太陽能利用的干擾，就需要龐大的蓄能系統(tǒng)。目前來說，這都是發(fā)展太陽能的瓶頸。
無線傳輸是關(guān)鍵
接受采訪的專家均表示，空間太陽能電站從長遠(yuǎn)看是可行的，但是需要在三項(xiàng)技術(shù)上有所突破。
空間太陽能電站是一個(gè)巨型的發(fā)電站，如果將國際空間站作為對(duì)比，其在1993年開始實(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)參與國超過1000億美元的資金。而太陽能電站，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)太陽能發(fā)電站需要耗資3000億～10000億美元。
“如果無法減輕系統(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。”中國空間技術(shù)研究院研究員、《國際太空》雜志副主編龐之浩告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，由于近年來，太空電梯成為美國、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，也許將為空間太陽能電站的建設(shè)提供很大的技術(shù)便利。
朱春波說，通過微波傳輸，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人區(qū)域，才能最終通過儲(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)鍵就在于無線傳輸?shù)男蕟栴}。這也是空間太陽能電站需要突破的第二項(xiàng)技術(shù)。
目前無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：“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)無人區(qū)，包括空中也要避開航空活動(dòng)。條件十分苛刻。”
地球電網(wǎng)輔助
美國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能衛(wèi)星，從質(zhì)量上來講可能比科學(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《中國科學(xué)報(bào)》記者，太陽能的能源是公用的，但不管誰占領(lǐng)了先機(jī)，后來者再發(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，我國還不是很重視，因?yàn)橛泻芏嗳擞X得它很遙遠(yuǎn)。
就像在上世紀(jì)60年代，沒有人能想像得到，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)鍵問題。”張波說，在人類出現(xiàn)之前，能量也在傳輸，現(xiàn)在無線傳輸?shù)慕K極理論還沒有被發(fā)現(xiàn)。“如果這個(gè)終極理論被發(fā)現(xiàn)，那么無線傳輸就會(huì)像今天的光纖一樣，成為未來生活中不可缺少的一部分。”
張波表示，未來這種技術(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無線傳輸，從太空獲得太陽能并轉(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，我國也不應(yīng)該忽視無線傳輸?shù)难芯恳约盎谔盏奶柲芾谩?/div>
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