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利用太陽能發電裝置在3.6萬公里外的太空中為人類提供能源，已成為各發達國家的現實計劃， 但中國尚未起跑◎ 本刊實習記者 何林璘 文在距離地球3.6萬公里的地球同步軌道上，建起面積堪比故宮的太陽能發電站，通過巨型太陽能電池板將空間太陽能轉化成電能，再以微波或激光的形式發射至地球表面，轉化為電能。這並非是只存在於科幻小說中的場景，包括中國在內的多國科學家正努力使其成為現實。 近期，一條“歐洲已經將空間太陽能所發的電賣到四川”的新聞，在中國賺足了眼球。但多位中國權威科學家對財新記者表示，這個新聞並不屬實。他們證實，到目前為止，空間太陽能發電仍處於研究階段，世界上還沒有任何一個國家將其投入到商業化運用中。 盡管還沒有一個國家實現空間太陽能發電，但美國、日本和歐盟在多年之前就為此制定了國家支持計劃，並準備在2030年前後讓上述計劃變為現實。 據統計，目前全球包括化石能源在內的所有能源儲量，大約僅能供人類使用200-300年。目前全球原油年消耗量約為35億噸，且亞洲的原油年消耗量正在激增中。 在地球能源正走向枯竭的現狀下，世界各國決策者和科學家都在努力尋找未來能源，太空發電於是成為人類的未來夢想之一。 若在地球靜止軌道上部署一條寬度為1000米的太陽電池陣環帶，假定其轉換效率為100％，這樣它在一年中接收到的太陽輻射通量，差不多就等於目前地球上可開采石油儲量的能量總和。 這種夢想也吸引著中國科學家。從上世紀末起，包括多位兩院（中國科學院、中國工程院）院士在內的衆多科學家向國家有關部門一次次提出研究建議。但截至目前，中國官方尚未像美國、日本等國一樣提出自己的空間太陽能發電計劃。 未來能源 空間太陽能電站主要由太陽能發電裝置、能量轉換和發射裝置、地面接收和轉換裝置三部分組成。 其原理是，太陽能發電裝置將太陽能轉化成電能；能量轉換裝置將電能轉換成微波或激光等形式，再利用天線傳 回地面 ；地面接收系統接收空間發射回的能束，然後轉換為電能。 中國科學院院士余夢倫告訴財新記者： “現存的非化石能源問題很多。如核能的風險爭議比較大，日本核泄漏事故便是例子。而風能、地面太陽能的連續性又受天氣因素的影響較大，不穩定。 ”他認為，在地球的同步軌道上，由於太陽光線不會被大氣減弱，也不受季節、晝夜變化的影響，空間太陽能發電站在99% 的時間內均可穩定地接收太陽能。 在同樣面積下，其能接受並轉換的太陽能是地面太陽能發電站的5倍以上。 北京科技大學材料科學與工程學院教授、中國科學院院士葛昌純告訴財新記者，空間太陽能電站供電具有不受限于地點的靈活性，在地面緊急供電、減災等方面作用巨大。 “中國南方冰雪災難中曾送電困難，但這對空間太陽能發電而言卻並非難題。 ”葛昌純描述說 ： “對於如此龐大的科學研究工程，確實需要漫長的時間，但我們對此持樂觀態度。一旦實現，它的用途將不僅僅限于地面，更有望成為人類太空飛行器的空間補給站。 ”目前，中國以“兩彈一星”元勳、中國科學院院士王希季為代表的不少科學家在從事空間太陽能發電研究。已堅持此研究30餘年、年屆九旬的王希季院士曾向媒體表示，發展空間太陽能電站是解決中國能源問題的根本出路。 美國能源和環境戰略咨詢公司GSW 的董事總經理傑弗里曾撰文稱：“太陽能的大部分能源都在地球大氣層之外。當石油和煤炭主導的化石能源不再獨領風騷時，空間太陽能或許將成為確保我們（美國）發展的重要選項。 ” 美日領跑 在多數中國公衆還不知道“空間太陽能發電”為何物時，此項研究卻已在美國、日本及俄羅斯等國家進行了幾十年。 1968年，令人興奮的空間太陽能發電衛星設想被提出後，開始吸引越來越多的關注。 上世紀70年代末， 因正值石油危機，這一構想得到廣泛重視，美國能源部和航空航天局共同組織了概念研究，投入約5000萬美元研究空間太陽能電站的關鍵技術。但上世紀80年代，石油價格崩盤，研究空間太陽能的動力又被弱化。 1999年，美國又投資2200萬美元，開展了“空間太陽能探索性研究和技術”計劃，並提出未來發展技術路線圖，計劃于2020年實現空間驗證。 2008年12月，當選總統奧巴馬的過渡小組發佈了題目為《空間太陽能發電——能源獨立和氣候變化的解決方案》的白皮書，目前已被列入20個被討論最多的白皮書之列。 由於自身能源緊張，日本在空間太陽能發電研究方面本已領先一步。早在2003年初，日本就將其列為國家計劃，目標為在20-30年後實現商業化。2009 年，日本宣佈以三菱公司為主的集團將在2030年 -2040年間建設空間電站，總投資額將超過200億美元。 之後，因“3 · 11”地震和海嘯引起的核災難，日本太空發展署更是加速了這一研究，擬調整之前日本既定的以核能為重心的國家能源計劃和長遠發展策略，並提出了將于2030年實現建成一套可提供10億瓦特電量的太陽能發電商業運行系統的技術路線圖。 學界預測，日本的計劃一旦實現，足以給東京30萬個家庭供電，這無疑將在很大程度上緩解日本的能源困局。 此外，歐洲國家也已于1998年開展了“空間及探索利用的系統概念、結構和技術研究”計劃，提出了名為太陽帆塔的概念設計。2002年，歐洲空間局先進概念團隊組建了歐洲空間太陽能電站研究網，在高效多層太陽能電池、高效微波轉化器等關鍵技術方面展開研究。 中國待命 與發達國家政府高度重視相比，中國的空間太陽能發電還處於學者自發研究階段，官方還沒有明確的國家計劃。 葛昌純院士透露，國內從事此方面研究的學者其實並不多，中國空間技術研究院、北京科技大學、哈爾濱工業大學等在各自研究發電系統的不同環節。 余夢倫告訴財新記者，早在2003年時，他與中國科學院及中國工程院的另幾位專家已經聯名向國防科技部門提交了關於開展空間太陽能電站研究的建議書。建議書列舉了目前國內外研究差距、研究所涉及的關鍵環節及研究迫切性等，建議將“空間太陽能發電系統的研究”列入國家有關計劃。 “這麼多年過去了，國家依然沒有將其列入到重大項目研究中。國家投入不多、進展不快，我們與空間太陽能發電研究較快的一些發達國家間的差距正在拉大。 ”余夢倫說。 財新記者瞭解到，更早至上世紀90 年代，劉振興院士、徐建中院士、李國欣教授就先後向中央提出了開展空間太陽能研究的建議。葛昌純院士等專家也于本世紀初提出了“發展空間太陽能發電及關鍵材料研究”的建議。 2009年，國內多位專家再次向國家有關部門提交建議。與此同時，國內個別單位開始在特殊材料、在軌維護等關鍵技術方面開展初步研究。 2010年8月，國內12位兩院院士和100多位國內相關領域的專家，齊聚由中國空間技術研究院主辦的空間太陽能電站發展技術研討會。 在研討會上，由王希季院士牽頭的《空間太陽能電站技術發展預測和對策研究報告》項目結題。該項目由多名兩院院士共同完成。學者再次聯合向國家發改委建議儘快抓緊空間電站的論證和頂層設計，並提出了“四步走”的技術研究路線圖。 根據該路線圖，在研究的第四階段，即在2050年前後，中國有望研製出第一個商業化空間太陽能電站系統，並實現其商業化運行。 太空難題 雖然各國的研究早已開始，但40多年以來，空間太陽能發電站計劃在世界上依然沒有實質性進展。美國電氣工程師漢森2011年時曾向媒體坦陳，雖然美國航空航天局在空間太陽能方面已研究了幾十年，但到現在為止還沒有一個成熟的技術路線，還處於概念階段。 在中國，葛昌純院士與北京科技大學的張迎春教授共同參與了空間太陽能發電關鍵材料的研究，他告訴財新記者：“空間太陽能發電有待解決的難題實在是太多了。 ”作為一名航天專家，余夢倫認為發展低成本重型空間運輸系統是實現空間太陽能的一個重要基礎，但目前到地球同步軌道上的發射成本高達每公斤約10 萬元人民幣。 “據有關分析，只有發射成本降低至每公斤2000元時，即最少要降低50倍，才有可能被社會接受。 ”根據1979年美國航空航天局提出的空間太陽能電站基準系統規格，空間電站的重量將達3萬噸至5萬噸。余夢倫說，不僅發射成本過於高昂，目前的空間運載量也無法滿足此需求。 “新一代火箭發射到地球同步軌道，每次搭載量為5噸左右，且只能單次利用。也就是說，要建這樣一個電站，需發射火箭約1萬次。若想在五年內建成，每年就需發射2000次。事實情況是，目前中國火箭每年發射次數僅有20次左右。 ”余夢倫說。 余夢倫認為降低發射成本的途徑有兩個，一是形成規模化大批量運載器生產體系，二是嘗試研製可重複利用的運載器。 “當前中國航天運輸發展速度較快，也有較好技術基礎，我對30年內實現這一目標還是有信心的，但前提是國家投入得加大。 ”除了發電設備空間運輸上的難題，建造空間太陽能電站更涉及到關鍵材料的研究等技術難題。 空間太陽能電站的無線傳輸技術目前包括微波或激光兩類，歐美主要以微波技術研發為主，而日本則主要以激光技術為主。據葛昌純透露，國內比較傾 向于使用微波傳輸。目前四川大學、中國空間技術研究院等均在從事相關傳輸技術的研究。 然而無論採用哪種技術路線，都要涉及新材料的研發。 “材料的壽命和回收，我們都要考慮，空間太陽能電池板的材料肯定不能像在地球上一樣，十幾年就報廢，且理想的發電效率不能低於30%。這都是我們從未面臨過的新問題。 ”葛昌純解釋。 此外，空間太陽能電站的面積達數公里以上，遠遠超過目前的衛星面積，需採用特殊的空間組裝和姿態控制技術。 “這是一個龐大的系統研究問題。 ”面臨如此多有待解決的難題，空間太陽能發電也遇到不少質疑聲音。 中國資源綜合利用協會可再生能源專委會秘書長李俊峰就對財新記者稱 ：“我始終認為它仍處在想象階段和探索階段，大規模使用尚無可能。這不是‘國家加大投入’就能夠解決的。 ”有網友則發問，若空間電能採用微波形式傳輸至地面，那麼如何保證微波不會對地球表面生物造成傷害？葛昌純對此表示，相關安全性問題目前來說都是可控的，國內外專家已經進行過充分的研究論證。 國際無線電科學聯盟的空間太陽能電站跨委員會工作組2005年底發表了《空間太陽能電站白皮書》 ，重點從無線傳輸的角度對空間太陽能電站的可行性和可能造成的影響進行了評估，認為空間太陽能電站可以滿足世界的能源需求而不產生明顯的負面環境影響。 | ||||||