太空太阳能电站：一举解决人类能源问题

2009-08-31 23:45阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1337468420

－高山隧道炮之四

很多人可能想不到，最经济的利用太阳能的方式，是把发电站建在太空中。

让我们从头说起。

实际上，现在我们每天消耗着的能源，基本上都间接地来自太阳。就说煤和石油吧，它们叫做化石燃料，是古代陆地（煤）和水中（石油）的植物和微生物的沉积。万物生长靠太阳，我们今天燃烧着的，不过是太阳爷爷几十万年到几亿年的积蓄。再说水力发电吧，它无非是在利用水往低处流的物理学规律。是太阳把水从大海中晒成蒸汽提升到空中，变成雨雪降落再高山上，这才是最初的能量来源。风能发电也是一样，没有阳光造成的气候变化，就不会有风。

太阳投射到地球上的能量是巨大的。在正对着太阳的每1平方米的面积功率是1366瓦左右。如果能把12000平方公里（相当于塔克拉马干沙漠的1／30）上的太阳能全部利用起来，就可以满足全世界的能源需求（平均下来大约是

150亿千瓦）。我们说的是全部的能源需求，包括开汽车、飞机需要的能源，如果真能用太阳能驱动它们的话。

直接利用的太阳能，是最“绿色”的能源。一方面它取之不尽，用之不竭（可再生）；另一方面，它不会污染环境，不会释放二氧化碳造成全球变暖。所以，现在全世界都在想办法利用太阳能。有一个海归的施博士，靠着太阳能电池技术，变成了中国首富。他们的太阳能电池板，据说有着同类产品中最高的效率：18%。上面讲到的那个12000平方公里的太阳能发电站，哪怕只有15%的效率，都足以满足全世界的用电需要，永久地关闭全世界的火力发电厂，一举解决全球的能源危机和环境危机。

但是太阳能电池板发出来的电有一个大问题：太贵。施博士的目标是让每度电的成本降到一块钱，但是我们现在的家里用的电是5－6毛钱一度，就算施博士实现了他的目标，他的电卖给我们还是会亏大本的。欧美国家已经修建了一批大型太阳能发电站，都是靠政府环保政策的补贴来运行的。有人分析，太阳能电池发电（光伏发电）的成本，是煤发电成本的3－4倍，是水力发电的两倍多。

太空太阳能电站：一举解决人类能源问题

太空太阳能电站：一举解决人类能源问题

美国人在加州沙漠里建的一个大型太阳能发电站，使用旋转抛物面反射镜

有了高山隧道炮这样便宜的运载工具，我们可以把巨型太阳能发电站建在太空中。我们将看到，太空中的太阳能发电站比地球上的成本低得多。太空中一个12000平方公里太阳能发电站大概是下面图中那个样子。

太空太阳能电站：一举解决人类能源问题

这座太阳能发电站，看着象一座巨型太阳灶。下面是一个抛物面反射镜。抛物面的特点是能把远处来的光聚到一个焦点上。如果我们需要一个截面积12000平方公里的发电站，这个反射镜的半径是62公里。

我们在反射镜的焦点上放置太阳能电池板。如果我们把反射镜的焦距也设计成62公里，那么我们需要一个62公里的连杆把反射镜和太阳能电池板连起来。

由于太阳并不是一个点光源，反射镜也不能把阳光聚在一个点上，而是聚集在焦点附近一个半径约600米，面积1平方公里的区域。我们需要一面同样大小的太阳能电池板。经过反射镜，阳光增强了12000倍。使用聚光反射镜一方面大大地减小了昂贵的太阳能电池板的面积，另一方面在强光下更容易设计出高效率的电池。美国的Spectrolab使用多结砷化镓技术，两年前就已经实现了40％的效率。

太空中发出来的电怎样送回地球呢？科学家们已经解决了这个问题：使用微波传输。这需要要天上一个1平方公里的天线阵列，地面上一个几十平方公里的天线阵列。这个办法的传输效率相当不错：84％。

整个发电站效率是
95％（反射镜）x 40％（光伏转换）x 84%（微波传输）＝ 32％
发电功率为48亿千瓦。

为什么要把这样一个巨型电站建在太空中，而不是地面上呢？

首先，抛开土地费用不谈，这样大的一个东西根本不可能在地面上建。不要说这样大，就是把面积缩小100倍，那个反射镜也要6.4公里的半径，1600米高。这样的一个高度需要极其沉重的架构来支撑。而那个要放在6400米高空的太阳能电池板，就更不知道该怎么办了。

太空中最大的好处是没有重量，所有的东西都是悬浮着的，无论多大多重的结构也不需要支撑，无论多细多薄的东西也不用担心它破裂。这个巨大的反光镜可以用非常薄的薄膜贴在很细很轻的骨架上制造。地面上，不要说这样的结构会被自身的重量压垮，就是一阵风也会把它吹破。

其次，地面上的太阳能电站晚上没有用，还可能受到阴天、下雨的影响。另外，大气层也会吸收、反射掉大约1／4的阳光。太空中的电站可以一天24小时面对太阳。维护费用也是地面电站的大问题，反射镜脏了就会影响发电效率。而擦洗一面12000平方公里的镜子又谈何容易。上面图中的那个美国人在沙漠中建的太阳能电站，是由很多小反射镜组成的。每年会由于风损失3万面镜子。太空中我们省却了很多烦恼：风吹雨淋，金属生锈，灰尘等等。太空太阳能电站没有任何活动的器件（用相控阵微波天线解决方向问题），运行将非常简单可靠。如果太阳能电池在宇宙线辐射下的耐久性得到解决，维护费用也就仅仅是每隔10年左右添加姿态控制火箭的燃料，使用我们在上一篇博文中提到的太空加油的办法。

让我们估计一下这个巨型电站的成本。做反射镜用的薄膜可以到超市去看看厨房用的铝箔，每盒2.4平方米，称一下0.17公斤，售价11.8元。超市的利润很高，这样的铝箔，直接从工厂批量购买，每吨2万多元。假如用这样的铝箔做我们的反射镜，每平方米0.07公斤，总面积大约12700平方公里，总重量约90万吨。当然还需要一个用铝管或铝条做一个支架把它撑起来，估计总重量再增加30％左右。至于那根连杆，因为不受力（太阳光再反射镜上的光压也就是10吨左右），不需要做得很粗，最多10万吨。现在各种铝材的价格都是2万多元一吨，就按3万计算吧，130万吨的反射镜和连杆不到390亿元。至于微波传送系统，就算它200亿吧。

问题是要把这套系统送到太空中去。如果使用现在的火箭技术，把一吨负载送到哪怕是近地轨道也要5000万到1亿元，这套设备估计要150万吨，发射的费用完全是一个天文数字。高山隧道炮将改变这一切。我们在前面博文中讨论的电磁高山隧道炮把发射成本降低到原来的几千分之一，不到2万元一吨。我们就按三万元一吨计算吧，发射成本450亿元。再预留300亿做太空施工的费用，需要把一批施工设备和机器人发射上去，由一批宇航员乘坐空天飞机做监工和故障排除。到现在为止总成本1340亿元，比三峡工程的投资还要小。

三峡工程总投资1800亿，装机容量2000多万千瓦。但是水力发电要看老天爷有多少水，发电量最多的2008年平均发电功率900多万千瓦，是我们这个发电站的1／500。当初立项的时候还因为环境问题饱受争议。

最后的一个问题是太阳能电池板。现在市场上的单晶／多晶硅太阳能电池板效率15％－18％，报价在25－30元每瓦，相当于每平方米7000元左右。如果按每平方米7000元计算，我们这个1平方公里的太阳能电池板只有区区70亿元。可惜现在的太阳能电池板不按面积报价，按瓦报价。按瓦报价意味着我们用聚光镜把电池板缩小了1万倍，可是电池板厂家告诉我们成本还是一样的。美国Spectrolab宣称他们的产品将是3美金，也就是20元每瓦。这也不算太坏，三峡工程核算下来也是20元每瓦。不过我们的电站有着巨无霸的功率，这样计算这块电池板的价格还是个天文数字。

除了用太阳能电池进行光伏发电，使用光热发电也是一种选择。上面提到的那个美国发电站是把阳光聚集后加热油，再用热油加热水变成蒸汽，用蒸汽发电。这种技术目前更成熟，也更便宜。只是把它般到太空中，设备更重，维修问题大得多。

相信在强光的条件下，一定可以设计出更便宜光伏装置。哪怕是把每瓦的价格降到10元，太空太阳能电站就可以为人类提供最绿色，同时也是最经济的能源。

人类的未来是“光明”的。

原创物理学博士 http://blog.sina.com.cn/phdphysics

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