王希季 闵桂荣:发展空间太阳能电站引发新技术产业革命

2010-12-07 09:16 来源: 科学时报
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  充分利用太阳能是人类社会发展的必然

  能源是人类社会赖以生存和发展的主要物质基础。能源问题是制约我国以及全世界社会与经济可持续发展的极为重要的问题。以煤、气和石油等为主的传统能源在人类社会的发展中起到了非常重要的作用,而且在未来的一段时间内仍将是人类的主要能源。这类消耗型传统能源不仅在未来几十年到百余年间将消耗到无力支撑世界发展的程度,而且对全球气候变化的负面影响,可能也会令人类无法承受。对这种严峻的局面,世界各国都在大力寻求和发展新的、清洁的能源,开发可再生能源。在所有可再生能源中,太阳能是最丰富、最清洁的。充分利用太阳能可能将成为解决人类长期能源和环境问题的最终答案。

  太阳是一个巨大的核聚变反应堆,距离地球平均约1.5亿千米,辐射到地球的能量仅为其总发射能量的22亿分之一左右,但这份太阳能对地球而言,却是地球赖以存活的非常巨大的能量。太阳一秒钟辐射到地球的能量,相当于燃烧500万吨优质煤所发出的能量。太阳作为一个稳定的能源还可持续辐射数十亿年。太阳能是直接的电磁波辐射,在利用时没有化学或核变过程,不会对气候、环境产生负面影响。可以说太阳能是大自然赐予人类的取之不尽、用之不竭的、清洁的能源。

  从地面到空间轨道,甚至到月球上都可以利用太阳能。地面因受昼夜,大气层的反射、散射、吸收,以及地区纬度、天气等的影响,能够利用的太阳能平均为每平方米250瓦左右,但是,地面面积很大,辐射到地面的总能量也十分巨大,平均辐射到地球上的能量,可达百亿兆瓦的量级。此项由太阳天然供给的巨大能量,除天然利用之外,还应大力加强人为的开发充分利用。由于太阳辐射到地面上的波动性太大,每天每时都在变化,每天都有从零到最大辐射、从最大辐射到零的循环大波动。

  地面太阳能的利用,一般都要有相应的储能设备与之配合。在地面利用太阳能发电,一天只有白昼能获得太阳辐射发电,就是在白昼,还会受到云、雾、雨、雪和尘埃的影响,达到全额发电的时间也不是全部。因此,地面太阳能电站一般只宜进入电网,作为辅助和调节电站使用。

  要把地面太阳能电站作为主力电站使用,必须解决诸多技术和经济上的问题。

  例如,应能提供所需容量的地面太阳能电站的蓄电系统,这类系统大到一定程度,例如万千瓦级以上,技术上难度很大,即使技术上可突破,在经济上和环境方面也需付出很多,是否值得都是疑问。又如主力电站需要昼夜供电,因此这样的地面太阳能电站,需要的容量应是白昼供电加夜晚储电之和。按昼夜供电量相等粗估,是调节补充电站的两倍。两倍容量再加上蓄电系统组成的电站,必然是高成本的电站,恐难普遍发展。只有在环境、技术和经济条件值得高价投资的情况下才宜发展。因此,发展地面太阳能电站一般还不能当做替代消耗性燃料的主力电站的有效途径看待。

  航天器的能源主要是太阳能。几乎所有的航天器都有太阳能发电和蓄电池储电的供电系统。这是因为除了地球同步轨道外,所有的地球轨道上都有太阳辐射波动大的问题。在地球的同步轨道上,太阳辐射的波动很小,一年中仅在春分和秋分前后45天,每天有十几分钟到70多分钟的地球遮挡,累计一年小于4天,也就是说在99%的时间内均可稳定接收太阳能。在此轨道上的不同定点位置上,发生地球遮挡的时间不同,在不同定点建设太阳能电站,可以互补抵消太阳能辐射的波动。因此,空间太阳能电站基本上没有发电的波动,无需蓄电系统配套,可作为主力电站使用。在此轨道上,由于太阳光线不会被大气减弱,也不受季节、昼夜变化的影响,可直接受到太阳光的照射,能接收的太阳辐射可达每平方米1353瓦,是地面的5倍以上。仅在地球静止轨道(高度3.6万千米)上,一条10千米宽、1000千米长的太阳能接收带,就可以连续接收高达135亿千瓦的太阳辐射,而地球同步轨道的带长达26万多千米。

  利用能提供非常巨大、稳定的太阳能的这一空间带,解决我国及世界未来的能源问题,应是符合科学发展观的明智之举。

  空间太阳能电站的研发概述

  从长远、可持续发展的角度看,利用新的、清洁的、取用不竭的太阳能在地球同步轨道上发电,建设空间太阳能电站(也称天基太阳能电站,以下简称空间电站),以无线电力传输方式向地面供电,替代现在的以燃油、燃气和燃煤为主的发电和有线电力传输方式,是一条长期可持续发展和对应全球能源危机和气候变暖的有希望的途径。

  1968年美国Peter Glaser博士提出,在地球同步轨道上这一可以连续稳定接收太阳能的空间带上,建设空间太阳能电站,将太阳能转换为电能,利用无线电力传输方式将电力传送到地面使用的设想。之后,美国为研发空间太阳能电站做了很多工作,提出了多种不同构型的空间电站设想方案。一般说来,空间太阳能电站主要的组成是3大部分。如图所示的是一个利用微波无线电力传输方式的空间电站构想,图中:1是太阳能转换为电能的空间部分;2是将电能发送到地面的空间天线部分;3是地面接收无线电力的接收天线阵部分。

  从Peter Glaser博士提出百万千瓦级空间电站的设想以来,如今四十几年已经过去,虽然连一个能够称得上试验性的空间电站都没有研发出来,但是社会,特别是航天技术、光电技术和材料科学等的巨大发展和进步,已建立起研发空间电站的科学、技术和经济基础。

  空间电站,在可预见的未来,将会是尺寸、质量和规模最大的空间基础设施。例如一个基本上可作为主力电站的10万千瓦的空间电站,太阳电池的面积可能大于1平方千米,传输电力的天线直径可达百米量级。如何构建这么大的航天器?如何把它送到地球同步轨道上定点?如何控制?电力如何传送到地面?按现在的水平,只能说出有什么基础和有什么途径可供选择。要达到具有空间电站的研制和建设能力的水平,还需要做大量的研究、发展、试验和验证工作,需大量地自主创新,需攻克若干关键技术,也需要国际合作,还有很长的路程和很多的困难需要跨越和克服。

  但是“千里之行始于足下”,只要认准充分利用太阳能是可持续发展,是解决全球能源危机和气候变化的可行的重要途径,清楚空间电站能提供稳定的、巨大电力,认清建设空间电站任务的艰巨,那么就应该及早启动空间电站的研发,一步一步,有序、有效地勇往直前向建设空间电站的目标前进。

  日本已启动研发空间电站,在2009年4月发布的10年《宇宙基本计划》的4项开发项目中的一项就是“天基太阳能发电研究开发”。

  建设空间电站有可能引发一场新的技术革命和产业革命

  钱学森先生在《我们要发展“科学技术是第一生产力”的理论》一文中提到科学是人认识客观世界的学问,其飞跃就是科学革命,提到“改造客观世界的学问是技术”,“技术的飞跃是技术革命,毛泽东同志曾明确提出过这个概念。由科学革命、技术革命又会引起经济基础的飞跃,这就是产业革命”。空间电站是人类开发利用空间太阳能的基础设施。发展空间电站将从根本上改变人类利用和获取能源的地方,从地面(含海洋)和地下(含水下)变到天上;改变能源的利用方式,一次能源从多种方式并行变为以太阳能为主;改变电力传输的方式,从有线传输到无线传输。这三大改变都是前所未有的、重大的、影响深远的改造客观世界的大变革,会极大影响人类的社会、经济和生活。

  建设空间电站促成的上述3个方面的重大变革,不是现有技术能够办到的,需要以现有技术为基础,实现高跨越,实现飞跃。航天运输能力方面要大幅度提高,运输成本大大下降。材料性能方面,光电池、超导材料、轻型结构材料等要有极大提高,能量转换和传输效率要达到很高水平。因此,空间电站的研发就需要投入很大的人力、物力、资力、财力,可能需要几个年代的时间,才能达到具有建设空间电站基础设施的能力和水平,从发展空间电站引发的重大人类社会、经济和生活的变革看,空间电站的建设可能会引发一场技术革命,还可能会引起新的产业革命,其意义十分重大,一定要给予足够的重视!

  发展空间电站可能会促进国际的合作,也可能引起剧烈的竞争。从国际环境看,相对而言,我国可以算作具有较好的研发空间电站的科学、技术和经济基础的国家之一,宜在可能引发的这场技术革命和产业革命中,抓住机遇面对挑战,扮演一个有分量、有地位的角色,从而获得我国应该获得的权利和收益。

  (作者单位:中国空间技术研究院。王希季,中国科学院院士、“两弹一星”功勋奖章获得者;闵桂荣,中国科学院、中国工程院两院院士。因版面原因,编辑删去参考文献若干)