太阳能发电站建到太空怎么样

美国科研人员设计的花朵状空间太阳能电站

多年来美国国家航空航天局(NASA)一直设想利用太空卫星收集太阳能，然后将其传送回地球接收站转化成电能，供用户使用。目前，NASA已经将这一设想付诸实践。一个外形如花朵般的太空太阳能发电站的建造计划近日被科研人员正式提出，并且得到了NASA的资金支持。在美国展开太空太阳能利用研究的同时，一批日本企业和日本宇宙航空开发机构也计划在20年内将这种发电站送入太空。科学家究竟计划如何将收集到的能量从遥远的外太空传输回地球？建设空间太阳能电站面临哪些难关？我国是否也有类似的太空计划？记者就此采访了专家。

能量转换和输送新技术将太阳能送回地球

辽宁日报：太阳对地球上的生命至关重要，地球上几乎所有生物都仰仗它的能量生存。近些年人类开发利用太阳能的脚步在不断加快，一些利用太阳能的新构想被不断提出。今年美国国家航空航天局的创新型先进概念项目中，出现了一款新型利用宇宙中太阳能的概念产品。这种装置能够将宇宙中的太阳能收集起来并发送回地球。根据一些报道，日本的研究机构也在研发类似的设备。刘教授，科学家计划如何利用这些设备将地外空间的太阳能运回地球？

刘国强：目前很多国家确实都在积极研究空间太阳能的开发利用设备，希望抢占这块新能源高地，建立空间太阳能电站。总体说来，各国提出的不同“版本”的空间太阳能电站，有着相同的工作原理，即把太阳能转换与无线能量传输两种新技术结合起来，收集太空中的太阳能并将其输送回地球。

辽宁日报：您能介绍一下这两种核心技术吗？

刘国强：好的。我们先来了解一下太阳能转换技术。顾名思义，这种技术就是将太阳能转换成电能的技术。目前主要有两种方法可以实现这种转换。第一种就是我们常说的光伏技术，也就是根据光电效应，利用太阳能电池，将太阳能转化为电能。另外一种则利用光热转换原理，通过镜面聚焦等手段，让太阳光将一些特殊的物质加热。这些物质会将接收到的能量转化为机械能，进而推动发电机产生电能。

当然，光能够产生电能是不够的，我们还需要想办法将它们运回地球，而无线能量传输技术能够解决这个问题。这种技术凭借发射和接收装置，能够隔空将能量转移。

辽宁日报：整个发电的过程是怎样的？

刘国强：首先，需要把太阳能电池板及无线能量传输器等设备送上地球同步轨道，并将它们系统地组装起来。搭建起空间电站后，我们就可以采集并转换空间中的太阳能了。以微波传输方式为例，在空间太阳能电站正式运行时，受到阳光照射的太阳能电池会将能量转换成直流电能，微波发生器再将直流电能转换成微波能。最后的步骤则是输送、接收能量，即将采集到的能量以微波束的方式传输到地球表面，这些能量会被安置在地面的微波接收天线接收，随即转换装置将它们再一次转换成直流电能，最后工作人员将其加以储存或者直接连接到电网上供用户使用。

辽宁日报：太空太阳能电站能为我们提供多少能量？

刘国强：太阳像一个熊熊燃烧的大火球，亿万年来无时无刻不在向外输送能量。有研究人员曾经计算过在地球大气层的顶部，每平方米太阳功率是1368W，如果在地球同步轨道上铺设一条1公里宽、围绕地球一周的太阳电池条带，那么这个条带的面积为266407.7km2，太阳照射在其上的能量约为212TW/年。这些能量相当于地球目前剩余的石油所提供的能源数量(249.4TW/年)。

技术挑战众多关键难题已有解决思路

辽宁日报：通过您刚才的介绍，我们从原理上了解了空间太阳能电站是如何运转的。那么目前与太空电站相关的技术发展到了什么样的水平？

刘国强：自上世纪70年代初期，美国首次论证了空间太阳能发电卫星技术可行性，并建立了5GW的空间太阳能参考系统。尽管最初预计的建设成本昂贵，阻碍了其发展，但相关研究结果和空间太阳能发电稳定、洁净、可定向等优点，还是引起了俄、日、德、法等国的广泛兴趣。由此推动了世界范围内无线电能微波传输技术、太阳能发电技术、空间运输和装配技术、遥控技术等的研究和论证。

辽宁日报：太空电站的建设涉及众多尖端科技，这其中肯定有一些目前难以攻克的难题吧？

刘国强：是的。我们目前面临的困难主要来自空间运输技术、太阳能发电技术、无线电能传输技术和空间技术几个方面。其中具体的几个问题是：空间发电站体积庞大，我们要如何将这么多的设备运往地球以外的宇宙空间。如何将太阳能最大效率地转化为电能。怎样将电能传输回地球最科学最合理。这些问题都有待于研究者在未来逐个解决。

辽宁日报：将能量传输回地球是该计划中关键的技术之一，科学家对如何解决这个问题有哪些构思？

刘国强：解决这个问题主要有使用激光和微波传输两种思路。

从理论上讲，激光传输能量集中，所需的接收设备小，造价便宜。但是，激光穿过大气层时能量损耗较大，在恶劣气候条件下不能使用，而且大功率的激光技术目前还有许多难点，需要进一步研究才能使用。

目前看来，第二种方法也就是微波无线能量传输技术，相对更为可行一些。 1975年大功率的微波电力传输实验在美国宇航局喷气推进实验室试验成功，传输距离达到1.6公里，接收功率达到30kW，接收端的直流转化效率达到84%；日本也进行了几次空间微波电力传输实验，进一步验证了这种技术的可行性。

辽宁日报：将能量以微波方式送回地球的过程中遇到云层怎么办？

刘国强：在采用微波技术将能量传回地面的过程中，微波传输基本不受云层影响。甚至下雨、下雪、大雾等也不会影响传输，可以说是风雨无阻。

辽宁日报：这种能量传输会对广播、无线通信等造成干扰吗？

刘国强：从微波传输原理来讲，微波能量的传输会对广播、无线通信造成一定的干扰。为此，需要从技术上采取相应的措施，避免和消除这种干扰。这些技术措施包括：所采用传输能量的微波频率要避开广播、无线通信所使用的电磁波频率；采用限波技术防止微波传输过程中的散射，并使微波形成定向传输的微波束。这样一方面可以避开和减少微波在传输过程中对广播、无线通信等有用电磁波的干扰，另一方面可以大大减少微波在传输过程中的损耗，提高太空太阳能电站系统的效率。

我国太空电站建设将按“四步走”实施

辽宁日报：我国是否也有建立空间太阳能电站，开发利用这种可再生清洁能源的计划？

刘国强：是的。我国科学家对空间太阳能早有关注。现在一些科学家已经提出了我国空间太阳能电站发展的“路线图”，通过“四步走”实现太阳能电站的商业运行。

从现在开始首先用10年左右的时间，做好分析空间太阳能电站各方面应用需求的“功课”，同时细化建造系统方案并突破关键技术。随后利用我国的空间站平台，在航天员的参与下进行我国第一个空间太阳能电站系统――低轨道100kW演示验证系统研制。第三阶段是在2026年至2040年这段时间，在低轨道关键技术验证的基础上，进一步研究经济上和技术上更为可行的空间太阳能电站系统方案和关键技术。最后我们希望能够在2050年结合当时技术的发展情况，研制出我国第一个商业化空间太阳能电站系统，实现太阳能电站商业运行。电站具体规模将根据商业需求而定，运行寿命30年以上。

现在我们还处于第一阶段的启动时期，研究人员正在对空间太阳能电站的需求进行分析论证，并对初步方案进行研究和设计。

辽宁日报：建设我国自己的太空太阳能电站有哪些现实意义？

刘国强：我国经济快速增长的同时，能源消耗也快速增加，能源消耗总量接近世界第一。能源问题已经成为制约经济社会发展的瓶颈所在。发展空间太阳能电站技术，对于我国的长远发展意义重大。

空间太阳能电站对促进航天领域可持续发展具有重要意义，它的发展是带动未来航天事业持续发展的一个好途径。

此外，由于空间太阳能电站是一项庞大的系统工程，涉及材料、电力、电子、微波、机器人、防护等诸多领域，因此它的研究和发展，会对我国众多领域的技术进步、产业发展以及高级人才的培养产生极大的促进作用。

辽宁日报：感谢刘教授的讲解！

□本报记者／王亮

专家档案

刘国强中国科学院电工研究所研究员、博士生导师。美国电气和电子工程师协会(IEEE)会员，中国电子学会高级会员，中国计算机自动测量与控制技术协会理事。作为负责人和主要研究人员，先后完成多项国家863项目、国家自然科学基金、省部级项目和国际合作项目等。研究方向：谐振式无线能量传输技术、基于智能材料的能量转换技术、电磁探测与成像技术等。