太空超级太阳能发电站的设计

　　1.3 送电（发射）系统

送电系统的好坏将影响整个发电系统的综合效率，此系统包括如下四大变换：

1）太阳光寅电功率；
2）直流电功率寅高频微波电功率；
3）微波电功率（卫星）寅微波电功率（地球）；
4）微波寅商用电力。
在此将对员）的太阳能发电的叙述略去，圆）耀源）部分的概念如图3 所示。由图3 可知，控制电功率全部是在地球上进行，一方面是要控制宇宙发电，另一方面还要兼顾微波发射和接收的控制。‘

该系统中技术含量最高的部件是把太阳能光伏发电出来的电功率变换为微波。

研究初期，曾试用以单个超大功率的微波管作为微波发送器，所以对各种形式微波管的性能进行了比较。最初认为速调管比较适合用于大功率发射，但发现其效率低；后又改用超高频功率放大管（CFA），但其缺点是价格高，散热困难；最后采用的是多个小功率的磁控管进行并联的方案。

众所周知，磁控管是家用微波炉最常用的微波管，其优点是价格低，并可通过控制相位从而改变输出功率。最后采用磁控管与散热天线结合构成一个单元，以若干个单元组成微波发射阵列。

1.4 接收系统

接收系统的概念图如图4 所示。若在地面设置一个参考定向点RB（Reference Beam），由此与卫星输电进行通信联系，并控制卫星的发射方向和强度。将微波发射点（卫星上）的电力密度合成后，定向点的电力密度的宽度为1 km（用高斯表示中心部分的高斯量为23 kW/m2），故地面上定向点RB 周围的电力密度可相应为：

输电（发射）定向参考点RB 和受电（接收）RB的电力密度分布图如图5 所示。在宇宙上空的发射点虽然密度大，但只对飞机（引起燃料箱放电）有所影响，而地面的电力密度却很低，还不致超过美国规定的微波泄露功率允许值10 mW/cm2。当然，发射和接收二者的配合十分重要，若空中的阵列定向点设置稍有不当，则会影响输电效率，使地面上的天线无法捕捉到全部电力，因而会使某些地面电场强度过高而产生危险。信号传输时经图4 的磁控管传感器系统检测后，才由指令系统（Command Link）对发射定向点进行控制。

接收天线阵列布置的设想图如图6 和图7所示。从远处看接收天线阵列设置好像是一组一组的屋顶，但平面部分做成网状的帘棚，可以完全阻断微波。

这种屋脊式构造的目的是使微波不致穿过网的下方，同时也可使阳光和雨水由网眼流出，这样，网下方非常安全。当然，网眼的大小孔需经多次实地试验才能确定，最好是完全地阻断微波射线，这样不致对生物造成损害。如果能做到这一点，当然就可以将微波接收站设置在城市近郊了。

1.5 SSPS计划试验结果

宇宙发电输电计划（即SSPS）各个不同的部件已在地面上进行了小功率的模拟试验，取得了初步的成果。考虑得最多的是成本，现正不断的改进中，以尽可能降低系统造价。

造价预算分类如下。


2 太空太阳能发电的最新进展

2.1 美国私营太阳能公司介入太空太阳能电站

20 世纪60 年代由美国国家航空航天局（NASA）和五角大楼制定的SSPS 计划，因为费用昂贵而进展较慢。源园年后的今天，许多私营太阳能公司纷纷介入此项研究。例如：美国太平洋煤气电力公司（PC&E）已经于近期宣布，将与一个宣称可在太空中有效摄取能量的加州太阳能公司（SolarEnCorp）合作并向其购买电力。由此，他们迈出了在外太空开发太阳能的第一步———在环绕地球的太空轨道上设立太阳能电池板，然后将直流电能转化为无线电波传送回地球，再由地面的电力储备站接收，转化为低频交流电能后供应给千家万户。

这个项目计划在2016 年前提供200 MW 的电力，在15 年内满足25万个家庭的用电。如果进展顺利，苑年内可梦想成真。

很明显，这些私营公司的计划和源园年前的构想极为相似，先要把载有光伏电池板的卫星发射到距赤道22 000英里（约35 400 km）的轨道上，并保持与地球位置相对不变。太阳能板宽度将达若干km，系统在采集太阳能后将其转变为电能，然后再转变为无线电波返回到地球上。地面的接收站准备建在美国加州费雷斯诺市的郊外。

据太平洋煤气电力公司粗略估计，该项目需要花费约20 亿美元，主要用于地球太阳能基地建设和发射卫星。美国加州大学伯克利分校能源和资源教授丹尼尔·卡门认为，眼下太空太阳能发电面临最严峻的挑战是实施的成本问题，尤其在当前全球经济衰退之际。这个计划需要几十亿美元的资金投入，远远高于目前同等规模其他可再生能源项目所需的1 亿耀2亿美元。

但SolarEn 公司执行总裁加里对完成该项目信心十足，他表示公司有能力提供12 亿耀48 亿瓦的电力，能够在未来七年内实现供电商业化，太空太阳能的电力价格也能与其他可再生能源价格基本持平。

2.2 日本的太空太阳能市场

无独有偶，日本航空宇宙开发中心（JAXA）也在研究类似的宇宙太阳能发电系统（SSPS），有望于2030年前启动。其基本原理和美国类似，但日本科学家采用频率为2.45 GHz 和5.8 GHz微波传送，这项技术在日本已经应用于工业和医疗设备。在北海道的研究基地，日本科学家用直径2.4 m的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验。JAXA 的最终目标是要建立一个约猿平方公里的地面接收站，生产100 万kW 的电力，给50 万个家庭供电。

但是，太空太阳能发电也并非完美，高强度的辐射很可能带来另一个环境污染问题。但是支持者认为，只要地面太阳能接收站的面积足够大，就不会对人类及动植物构成伤害。因此地面接收站应该选人烟稀少、地域广阔的地方，而且还要配套有效的电力传输系统。

虽然现在看来这些构想似乎有些不切合实际，但无论是美国还是日本，哪个项目的成功，都意味着人类在可再生能源领域中的一项重大突破。