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太空太阳能发电有望成为未来能源之星

2008-04-25 14:26
姚看江湖
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   当世界各国都在为煤炭、原油和全球变暖焦头烂额时,联合国气候大会中规模最小的一次会议正在展望解决能源问题的可能途径。会议上,各国专家提出了许多奇思异想,例如种植海藻来吸收二氧化碳等。

   其中,有一个想法格外引人注目,是因为它竟赢得了美国五角大楼这样一位重量级的支持者。2007年10月,美国五角大楼国家安全太空办公室(NSSO)悄然推出一份研究报告,建议美国政府在未来10年投入100亿美元建造一颗能将10兆瓦太阳能传回地球的试验卫星,并为下一步的私人参与开发此技术提供经济激励。这就是被称为太空太阳能发电站的研究项目。从20世纪70年代起,人们就寄望它能为人类提供“价格合理、清洁、安全、可靠、可持续和可扩展的能源”。

   止步于高昂成本的梦想

   太空太阳能发电站的想法最初在1968年由美国麻省里特咨询公司的工程师彼特•格拉斯提出。格拉斯设想了一个面积达50平方公里的太阳能电池板阵列,其中每块电池板都能产生数千瓦的能量。人们用火箭将这些电池板送入地球同步轨道,并让数百名宇航员在太空中完成组装工作。在他的设计方案中,太空发电站的电池板能不断调整角度以面对太阳,然后借助一个长达1公里的微波天线将太阳能传回地球。为实现这一目标,这个巨大的天线必须安装在万向装置上,使它能自由旋转而不受阵列中其他设备的影响。地面接收天线则更为壮观,占地超过100平方公里。如果这个梦想得以实现,它将成为最伟大的太空奇迹,国际空间站在它面前就不过是摩天大楼前的一间玩具房子。

   由于大气层外没有大气吸收、昼夜交替和云层遮挡,因此相同时间内,太空发电站的发电量将是在地球上相同面积太阳能电站产能的20倍。这就意味着在距地球3.6万公里的同步轨道上,每平方公里面朝太阳的卫星都能不间断地接收到1360瓦的太阳能,即使当地球被云层遮挡时也是如此。

   日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)高级任务研究中心主任森政弘说,即便将建设期间所需能量考虑进去,太空发电站产生的能量也比地面上占地面积相同的太阳能发电站高5倍。

   虽然太空发电站的大规模建设有望一举解决温室气体排放和能源短缺问题,但美国在20世纪70年代进行了初步研究后还是放弃了这种想法,因为其建设成本高得惊人。即使在今天,仅将一颗这样的太阳能卫星送进太空就需要1万亿美元,而在太空建发电站至少需要十几颗这样的卫星。高昂的成本,让人类不得不止步。

   助推梦想的技术突破

   虽然在太空建设发电站的计划暂时搁置,但人类探索太空太阳能的脚步却从未止步。美国太空太阳能专家约翰•曼金斯说,近年来太阳能领域的三大技术突破可使太阳能卫星的大小和成本降到可接受的水平。曼金斯之前曾是美国宇航局的一位研究管理人员,现在他的可控能源技术公司(ManagedEnergyTech鄄nologies)则是太空太阳能领域研发的领头羊。他解释说,与20世纪70年代相比,如今的太阳能电池的效率提高了4倍,因此所需的电池板的面积可大大缩小。其次,微波传送技术也大大提高,利用固定装置就能使微波光束实现精确指向,而不再需要旋转天线。因此可以用体积小、组装简便的模块天线替代原来1公里长的天线。最后,机器人可以替代宇航员在太空中完成组装工作。
   在日本,太空发电站的研究更加如火如荼。20世纪80年代日本的多所大学就展开了相关研究。而日本宇宙航空研究开发机构与日本经产省共同资助1200万美元的太空太阳能十年计划也即将结束第一阶段的研究。

   作为宇宙航空研究开发机构的一员,森政弘的目标是建设一个发电量为10亿千瓦的太空发电站,并且要将建设成本控制在10亿美元以下,每度电的成本也不高于8美分。与一般煤电每度5美分、核电每度10美分的成本相比,这个价格也算得上经济实惠。为此,他设计了两面巨大的镜子,将太阳光聚集到两个直径为1.25公里的太阳能电池上,然后通过微波传输器将能量传输到地球。

   日本神户大学和无人太空实验自由飞行物研究所(USEF)的研究小组则从减少卫星重量方面进行研究。他们设计的太阳能电池板只有100平方米大,并且固定在控制卫星上。虽然它不能调整角度面对太阳,但简单的装置使重量大大减轻,发射成本也随之下降。研究人员说,按照这一设计,发电站在建设初期就可以开始对地面供电,而模块化的特点也使日后对它进行扩展非常容易。

   美国国家安全太空办公室(NSSO)则对太空太阳能的军事用途感兴趣。太空发电站传输回地球的微波束较为集中,因此如果给战场上的士兵配发接收天线,他们就能随时用微波对设备充电。另外,太空太阳能也能为边远地区的军事基地提供便利。而在这些地区,传统供电方式每度电的成本在1美元以上。

   除适用性和实用性外,发电站的安全性恐怕是人们最关心的问题。日本麻布大学的帕特里克•柯林斯却认为这种担忧毫无必要,因为一束低能微波的能量,还不如从微波炉中泄露出来的能量大。为确保安全,他建议在地面设置一个禁飞区和地面人员禁入区,用于接收从巨型卫星上传回的微波光束。

   成本、性能、安全问题都已大大改善,太空发电站大展身手的时刻是否已经到了呢?

   令人期待的明日之星

   随着全球变暖和能源短缺问题日益紧迫,向太空要能源这一想法愈发显得令人期待。日本无人太空实验自由飞行物研究所近期的一项研究显示,太空发电站每度电的二氧化碳排放量仅与核电相当。美国国家航天学会副会长马克•霍普金斯也说,太空太阳能可以提供无穷无尽的能源而不必担忧二氧化碳的问题,何乐而不为呢?美国五角大楼在2007年10月的报告中则明确指出,和“向下钻取能源”一样,“向上钻取能源”的工作必须立即着手开始。

   响应这一号召的人似乎不少。欧洲空间局已计划在2008年2月29日召开一次太空太阳能的会议。作为太空发电站的支持者之一,美国太空岛集团已与一家欧洲公共事业公司以及印度政府就未来购买卫星系统太阳能进行了“非常积极”的商洽。

   美国的另一位企业家凯文•里德则在2007年9月提出,帕劳群岛中无人居住的海伦岛是修建太空太阳能小型示范项目的理想场所。利用距地球480公里的卫星,发电站能把1兆瓦的太阳能传回地球,供1000个家庭使用。里德认为他的公司在未来两年内就能开始生产超轻太阳能电池,并希望能从相关制造商获得资金支持。他预计该项目成本约为8亿美元,最早能在2012年完成。

   而在罗伯特肖克这位联合国政府间气候变化专门委员会的未来能源专家看来,太空能源并不是虚幻得像科幻小说。肖克说,委员会2007年度报告中之所以没有提及太空能源的潜力,是因为报告只涵盖了2030年之前的能源问题。他说:“如果下世纪初看到人类大量使用太空能源,我不会感到惊讶,或许这个时刻还会来得更早些。”

   (编辑:xiaoyao)

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