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浅谈卫星太阳能电站给人类带来新希望

2020-03-07 340 上传者：管理员

摘要：泰森认为，若我们能使太阳系成为“自家后院”，“或许会成为有史以来最大的和平推动因素。”由此也可以看出发展航天技术的重大意义。实际上，航天技术在开发太空资源方面的作用是不可估量的。卫星太阳能电站就是其中的选项之一。

关键词：
卫星太阳能电站
地球资源
太空探索
物理学家
科技人员
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太空探索的内容和范围是无止境的，并正在不断取得新的进展。即以太阳能的利用来说，不仅激励着航天科技人员的创新热情，而且将会推动世界各国走上和平之路。据国外媒体近期报道,美国天体物理学家奈尔•德葛拉斯•泰森指出，太空探索将使地球变得更加和平，因为各国对地球资源的争夺将随之偃旗息鼓。

泰森认为，若我们能使太阳系成为“自家后院”，“或许会成为有史以来最大的和平推动因素。”由此也可以看出发展航天技术的重大意义。实际上，航天技术在开发太空资源方面的作用是不可估量的。卫星太阳能电站就是其中的选项之一。

开发太阳能是人类发展的需要

太阳的2000亿亿亿吨质量中，氢占78%,即1560亿亿亿吨。如果它全部进行聚变，可维持800多亿年的热核反应。对于人类来说，可以认为太阳具有无穷的能量。太阳的核聚变产生的巨大能量源源不断地向太阳系各个天体和角落提供着光和热，其中到达地球的光和热虽然只占其中的22亿分之且有一半又被地球上层大气反射回空间，但却是亿万年来地球万物生生不息的能量源泉。每秒真正被地球吸收的44亿分之一的太阳能，计算起来，地球每年接受的太阳能仍达2.7x1024焦耳，是全世界每年发电量总和的几万倍。这也是通常说的太阳是万物葱茏的地球的母亲的重要缘由。地球上能有兴旺发达的景象、绿水青山的美丽和万物茂盛的世界，人类要衷心感谢太阳不间断地送来的光和热，同时又特别惋惜更大量的太阳能在星际空间散失掉了。因此，在地球能源越来越紧张的情况下，在探测研究太阳的同时，大力开发和利用空间太阳能是人类当前的一项重要任务。

卫星太阳能电站原理

卫星太阳能发电站就是利用卫星技术，在太空把太阳能转化成电能，然后以某种方式传回地球供人类使用的前所未有的天地工程系统。早在1968年,美国科学家彼得•格拉舍就在《自然》杂志上发表题为《来自太阳的能源：它的未来》的文章，首次提出了卫星太阳能电站的设想。他认为，最好的办法是把卫星太阳能发电站建在太空，位于地球同步轨道上。他实际指的是将其建在地球静止轨道上运行，连续不断地向生活在地面上的人类提供各方面所要使用的电能。

地球同步轨道卫星太阳能发电站，又称为对地静止轨道卫星太阳能发电站。这里所讲的地球同步轨道卫星，是指卫星距离地球的高度为35786公里，卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上的圆形轨道、运行周期与地球自转一周的时间相等，即23小时56分4秒；卫星在轨道上的绕行速度约为每秒3.07公里，等于地球自转的角速度。这种倾角为0的圆形地球同步轨道，就称为地球静止轨道。换句话说，对地面观测者而言，每天相同时刻卫星出现在相同的方向±,故而从地面上望去，犹如卫星停留在空中不动一样，始终位于地球表面的同一位置上空。按卫星轨道高度来说，地球静止轨道属于高轨道。在地球静止轨道上布设三颗通信卫星，即可实现除两极地区以外的全球通信，这早已变为现实。设置在地球静止轨道上的卫星，地面跟踪容易，收发控制设备简单，已被广泛用于通信、导航、气象、侦察、电视直播等领域，产生了巨大的经济效益和社会影响。

彼得•格拉舍在文章中对卫星太阳能电站的设计提出了以下原则：运行轨道应保证接受面能始终对准太阳，不断接收能量，传输装置可把能量向任何地点发射；光电转换即把太阳光转换成电能的元件应能达到最大的理论效率传输装置不仅会将电能转换后送回地面，而且传输频率能满足大气吸收量最小的要求；地球接受器能够以需要的能量密度接收，并且能适时传输到用户那里。显而易见，这是最为节省能量的创新途径。

为了保证24小时都在工作，应当在同步轨道上布置两个卫星太阳能电站。被航天器运送到地球静止轨道和通过高超的空间作业技术将其组装成功的太阳能电池板要足够大，光电转换元件要选择比较成熟的硅光电池，能把太阳能转化成电能供地球上的人们使用。实际上，经学者论证，要满足全球各国用电需求，必须建造10多个地球静止轨道卫星太阳能电站。

▲在轨建设的卫星太阳能电站概念图

空间利用太阳能的优势空间太阳能电站包括具有如下功能的三部分设施组成：首先是主要由太阳电池组成的大面积的太阳能收集器，即两块大型太阳能电池板，通过光电效应直接把太阳能转换成电能；其次是把直流电转换成微波电能的设备，通过发射天线24小时不停地送往地球；最后是地面接收站接收卫星太阳能站发来的微波束后，经过整流即可向用户供电，达到使用目的。

在宇宙空间利用太阳能具有比在地球表面利用太阳能更为优越的条件，这无疑是一种极大的创新之举。一是由于地球的自转，地球表面一天中将近一半时间无法充分利用太阳能，而宇宙空间则基本上没有白天黑夜之分，卫星即可解决这一问题。地球静止轨道易于对地球定向，落入地影的时间短，除春分和秋分少量时间外，一年四季不分昼夜都可供电。这种不受气候条件限制的太阳能站比同样规模的地球太阳能站接收的太阳能要高出5~6倍，预计它的送电能力可达到3000~15000兆瓦。二是太阳光穿过大气层到达地球表面时，其辐射强度已经大大减弱，到达地面的阳光，又有相当一部分被反射回去。据计算，在宇宙空间接收的太阳能要比在地球上至少多4倍以上，为卫星电站提供了充分能源。三是在太空地球静止轨道上建电站不像在地球上那样会受到纬度、地理环境、云层等客观因素的影响。四是太空接近真空状态，并且温度非常低，这样可以大大延长太阳电池以及辅助设备的工作寿命，从而长期使用更显得节省成本。况且太空电站无需蓄能设备就可以源源不断地向地球输送电能，如果在太空中建起足够数量的卫星太阳能电站，地球的环境将不会再受到当前难以避免的如此大的污染和破坏，各国也不会为能源属地问题、价格高低原因而争执甚至动武。目前，已经有一些国家提出了卫星太阳能电站的设计方案。

在地面上使用硅整流二极管天线接收卫星太阳能电站发回的微波，并将其直接转换成直流电输送给用户。这里需要说明的是，硅整流二极管天线是利用硅肖特基势垒二极管串并联连接起来的作用，并要求各偶极串的长度及配置间隔与微波的波长相吻合，这样就能把直接经过全波整流的直流输出在馈线导体部分取出。采用这种硅整流二极管天线接受微波的效果甚佳，可以达到90%以上，损失不到10%o这也是遥远的空间太阳能电站的优势之一。

初期建设成本高

经过大量研究，得出的结论是令人乐观的。建造大型卫星太阳能电站并不存在很大的技术难题，只是初期建设成本很高，其建设工程浩大、技术复杂，仅电池板就有几十平方公里之大，数千吨重，需要类似航天飞机的载人航天器分批送往轨道，航天员逐步将其组装成型，但建成以后的运行成本很低。这一势在必行的设想，无疑对于解决地球能源危机问题提供了一个新的思路和途径。鉴于航天飞机己经停飞，且在使用期间也从未飞到3.6万公里的高空，研制新型载人航天器并到达地球静止轨道的高度尚有一定难度，要实现上述目标，尚需时曰。

利用太阳能，代表着21世纪能源科学发展的方向。尽管空间太阳能电站的研究离人类实际应用还有一定的距离，但这种创新的构想一定程度上也标志着人类大规模开发利用太阳能资源的开始。假如在太空中建成多个卫星太阳能电站，那将解决人类对能源的需求。勿容置疑，此一壮举如获成功，必将启发智慧的人类在利用其他太空资源上广开思路、多下功夫，加速航天事业的前进步伐，造福子孙后代。

尹怀勤.卫星太阳能电站:未来的希望之光[J].太空探索,2019(1):54-57.