充分利用太陽能是人類社會發展的必然

　　能源是人類社會賴以生存和發展的主要物質基礎。能源問題是制約我國以及全世界社會與經濟可持續發展的極為重要的問題。以煤、氣和石油等為主的傳統能源在人類社會的發展中起到了非常重要的作用，而且在未來的一段時間內仍將是人類的主要能源。這類消耗型傳統能源不僅在未來幾十年到百余年間將消耗到無力支撐世界發展的程度，而且對全球氣候變化的負面影響，可能也會令人類無法承受。對這種嚴峻的局面，世界各國都在大力尋求和發展新的、清潔的能源，開發可再生能源。在所有可再生能源中，太陽能是最豐富、最清潔的。充分利用太陽能可能將成為解決人類長期能源和環境問題的最終答案。

　　太陽是一個巨大的核聚變反應堆，距離地球平均約1.5億千米，輻射到地球的能量僅為其總發射能量的22億分之一左右，但這份太陽能對地球而言，卻是地球賴以存活的非常巨大的能量。太陽一秒鐘輻射到地球的能量，相當于燃燒500萬噸優質煤所發出的能量。太陽作為一個穩定的能源還可持續輻射數十億年。太陽能是直接的電磁波輻射，在利用時沒有化學或核變過程，不會對氣候、環境產生負面影響。可以說太陽能是大自然賜予人類的取之不盡、用之不竭的、清潔的能源。

　　從地面到空間軌道，甚至到月球上都可以利用太陽能。地面因受晝夜，大氣層的反射、散射、吸收，以及地區緯度、天氣等的影響，能夠利用的太陽能平均為每平方米250瓦左右，但是，地面面積很大，輻射到地面的總能量也十分巨大，平均輻射到地球上的能量，可達百億兆瓦的量級。此項由太陽天然供給的巨大能量，除天然利用之外，還應大力加強人為的開發充分利用。由于太陽輻射到地面上的波動性太大，每天每時都在變化，每天都有從零到最大輻射、從最大輻射到零的循環大波動。

　　地面太陽能的利用，一般都要有相應的儲能設備與之配合。在地面利用太陽能發電，一天只有白晝能獲得太陽輻射發電，就是在白晝，還會受到云、霧、雨、雪和塵埃的影響，達到全額發電的時間也不是全部。因此，地面太陽能電站一般只宜進入電網，作為輔助和調節電站使用。

　　要把地面太陽能電站作為主力電站使用，必須解決諸多技術和經濟上的問題。

　　例如，應能提供所需容量的地面太陽能電站的蓄電系統，這類系統大到一定程度，例如萬千瓦級以上，技術上難度很大，即使技術上可突破，在經濟上和環境方面也需付出很多，是否值得都是疑問。又如主力電站需要晝夜供電，因此這樣的地面太陽能電站，需要的容量應是白晝供電加夜晚儲電之和。按晝夜供電量相等粗估，是調節補充電站的兩倍。兩倍容量再加上蓄電系統組成的電站，必然是高成本的電站，恐難普遍發展。只有在環境、技術和經濟條件值得高價投資的情況下才宜發展。因此，發展地面太陽能電站一般還不能當做替代消耗性燃料的主力電站的有效途徑看待。

　　航天器的能源主要是太陽能。幾乎所有的航天器都有太陽能發電和蓄電池儲電的供電系統。這是因為除了地球同步軌道外，所有的地球軌道上都有太陽輻射波動大的問題。在地球的同步軌道上，太陽輻射的波動很小，一年中僅在春分和秋分前后45天，每天有十幾分鐘到70多分鐘的地球遮擋，累計一年小于4天，也就是說在99%的時間內均可穩定接收太陽能。在此軌道上的不同定點位置上，發生地球遮擋的時間不同，在不同定點建設太陽能電站，可以互補抵消太陽能輻射的波動。因此，空間太陽能電站基本上沒有發電的波動，無需蓄電系統配套，可作為主力電站使用。在此軌道上，由于太陽光線不會被大氣減弱，也不受季節、晝夜變化的影響，可直接受到太陽光的照射，能接收的太陽輻射可達每平方米1353瓦，是地面的5倍以上。僅在地球靜止軌道（高度3.6萬千米）上，一條10千米寬、1000千米長的太陽能接收帶，就可以連續接收高達135億千瓦的太陽輻射，而地球同步軌道的帶長達26萬多千米。

　　利用能提供非常巨大、穩定的太陽能的這一空間帶，解決我國及世界未來的能源問題，應是符合科學發展觀的明智之舉。

　　空間太陽能電站的研發概述　　

　　從長遠、可持續發展的角度看，利用新的、清潔的、取用不竭的太陽能在地球同步軌道上發電，建設空間太陽能電站（也稱天基太陽能電站，以下簡稱空間電站），以無線電力傳輸方式向地面供電，替代現在的以燃油、燃氣和燃煤為主的發電和有線電力傳輸方式，是一條長期可持續發展和對應全球能源危機和氣候變暖的有希望的途徑。

　　1968年美國Peter Glaser博士提出，在地球同步軌道上這一可以連續穩定接收太陽能的空間帶上，建設空間太陽能電站，將太陽能轉換為電能，利用無線電力傳輸方式將電力傳送到地面使用的設想。之后，美國為研發空間太陽能電站做了很多工作，提出了多種不同構型的空間電站設想方案。一般說來，空間太陽能電站主要的組成是3大部分。如圖所示的是一個利用微波無線電力傳輸方式的空間電站構想，圖中：1是太陽能轉換為電能的空間部分；2是將電能發送到地面的空間天線部分；3是地面接收無線電力的接收天線陣部分。

　　從Peter Glaser博士提出百萬千瓦級空間電站的設想以來，如今四十幾年已經過去，雖然連一個能夠稱得上試驗性的空間電站都沒有研發出來，但是社會，特別是航天技術、光電技術和材料科學等的巨大發展和進步，已建立起研發空間電站的科學、技術和經濟基礎。

　　空間電站，在可預見的未來，將會是尺寸、質量和規模最大的空間基礎設施。例如一個基本上可作為主力電站的10萬千瓦的空間電站，太陽電池的面積可能大于1平方千米，傳輸電力的天線直徑可達百米量級。如何構建這么大的航天器？如何把它送到地球同步軌道上定點？如何控制？電力如何傳送到地面？按現在的水平，只能說出有什么基礎和有什么途徑可供選擇。要達到具有空間電站的研制和建設能力的水平，還需要做大量的研究、發展、試驗和驗證工作，需大量地自主創新，需攻克若干關鍵技術，也需要國際合作，還有很長的路程和很多的困難需要跨越和克服。

　　但是“千里之行始于足下”，只要認準充分利用太陽能是可持續發展，是解決全球能源危機和氣候變化的可行的重要途徑，清楚空間電站能提供穩定的、巨大電力，認清建設空間電站任務的艱巨，那么就應該及早啟動空間電站的研發，一步一步，有序、有效地勇往直前向建設空間電站的目標前進。

　　日本已啟動研發空間電站，在2009年4月發布的10年《宇宙基本計劃》的4項開發項目中的一項就是“天基太陽能發電研究開發”。

　　建設空間電站有可能引發一場新的技術革命和產業革命

　　錢學森先生在《我們要發展“科學技術是第一生產力”的理論》一文中提到科學是人認識客觀世界的學問，其飛躍就是科學革命，提到“改造客觀世界的學問是技術”，“技術的飛躍是技術革命，毛澤東同志曾明確提出過這個概念。由科學革命、技術革命又會引起經濟基礎的飛躍，這就是產業革命”。空間電站是人類開發利用空間太陽能的基礎設施。發展空間電站將從根本上改變人類利用和獲取能源的地方，從地面（含海洋）和地下（含水下）變到天上；改變能源的利用方式，一次能源從多種方式并行變為以太陽能為主；改變電力傳輸的方式，從有線傳輸到無線傳輸。這三大改變都是前所未有的、重大的、影響深遠的改造客觀世界的大變革，會極大影響人類的社會、經濟和生活。

　　建設空間電站促成的上述3個方面的重大變革，不是現有技術能夠辦到的，需要以現有技術為基礎，實現高跨越，實現飛躍。航天運輸能力方面要大幅度提高，運輸成本大大下降。材料性能方面，光電池、超導材料、輕型結構材料等要有極大提高，能量轉換和傳輸效率要達到很高水平。因此，空間電站的研發就需要投入很大的人力、物力、資力、財力，可能需要幾個年代的時間，才能達到具有建設空間電站基礎設施的能力和水平，從發展空間電站引發的重大人類社會、經濟和生活的變革看，空間電站的建設可能會引發一場技術革命，還可能會引起新的產業革命，其意義十分重大，一定要給予足夠的重視！

　　發展空間電站可能會促進國際的合作，也可能引起劇烈的競爭。從國際環境看，相對而言，我國可以算作具有較好的研發空間電站的科學、技術和經濟基礎的國家之一，宜在可能引發的這場技術革命和產業革命中，抓住機遇面對挑戰，扮演一個有分量、有地位的角色，從而獲得我國應該獲得的權利和收益。

　　（作者單位：中國空間技術研究院。王希季，中國科學院院士兩彈一星功勛獎章獲得者；閔桂榮，中國科學院、中國工程院兩院院士。）