充分利用太陽(yáng)能是人類社會(huì)發(fā)展的必然

　　能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源問(wèn)題是制約我國(guó)以及全世界社會(huì)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的極為重要的問(wèn)題。以煤、氣和石油等為主的傳統(tǒng)能源在人類社會(huì)的發(fā)展中起到了非常重要的作用，而且在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)仍將是人類的主要能源。這類消耗型傳統(tǒng)能源不僅在未來(lái)幾十年到百余年間將消耗到無(wú)力支撐世界發(fā)展的程度，而且對(duì)全球氣候變化的負(fù)面影響，可能也會(huì)令人類無(wú)法承受。對(duì)這種嚴(yán)峻的局面，世界各國(guó)都在大力尋求和發(fā)展新的、清潔的能源，開發(fā)可再生能源。在所有可再生能源中，太陽(yáng)能是最豐富、最清潔的。充分利用太陽(yáng)能可能將成為解決人類長(zhǎng)期能源和環(huán)境問(wèn)題的最終答案。

　　太陽(yáng)是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)堆，距離地球平均約1.5億千米，輻射到地球的能量?jī)H為其總發(fā)射能量的22億分之一左右，但這份太陽(yáng)能對(duì)地球而言，卻是地球賴以存活的非常巨大的能量。太陽(yáng)一秒鐘輻射到地球的能量，相當(dāng)于燃燒500萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)煤所發(fā)出的能量。太陽(yáng)作為一個(gè)穩(wěn)定的能源還可持續(xù)輻射數(shù)十億年。太陽(yáng)能是直接的電磁波輻射，在利用時(shí)沒(méi)有化學(xué)或核變過(guò)程，不會(huì)對(duì)氣候、環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。可以說(shuō)太陽(yáng)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(yáng)能。地面因受晝夜，大氣層的反射、散射、吸收，以及地區(qū)緯度、天氣等的影響，能夠利用的太陽(yáng)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(dá)百億兆瓦的量級(jí)。此項(xiàng)由太陽(yáng)天然供給的巨大能量，除天然利用之外，還應(yīng)大力加強(qiáng)人為的開發(fā)充分利用。由于太陽(yáng)輻射到地面上的波動(dòng)性太大，每天每時(shí)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(huán)大波動(dòng)。

　　地面太陽(yáng)能的利用，一般都要有相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備與之配合。在地面利用太陽(yáng)能發(fā)電，一天只有白晝能獲得太陽(yáng)輻射發(fā)電，就是在白晝，還會(huì)受到云、霧、雨、雪和塵埃的影響，達(dá)到全額發(fā)電的時(shí)間也不是全部。因此，地面太陽(yáng)能電站一般只宜進(jìn)入電網(wǎng)，作為輔助和調(diào)節(jié)電站使用。

　　要把地面太陽(yáng)能電站作為主力電站使用，必須解決諸多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的問(wèn)題。

　　例如，應(yīng)能提供所需容量的地面太陽(yáng)能電站的蓄電系統(tǒng)，這類系統(tǒng)大到一定程度，例如萬(wàn)千瓦級(jí)以上，技術(shù)上難度很大，即使技術(shù)上可突破，在經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境方面也需付出很多，是否值得都是疑問(wèn)。又如主力電站需要晝夜供電，因此這樣的地面太陽(yáng)能電站，需要的容量應(yīng)是白晝供電加夜晚儲(chǔ)電之和。按晝夜供電量相等粗估，是調(diào)節(jié)補(bǔ)充電站的兩倍。兩倍容量再加上蓄電系統(tǒng)組成的電站，必然是高成本的電站，恐難普遍發(fā)展。只有在環(huán)境、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件值得高價(jià)投資的情況下才宜發(fā)展。因此，發(fā)展地面太陽(yáng)能電站一般還不能當(dāng)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(yáng)能。幾乎所有的航天器都有太陽(yáng)能發(fā)電和蓄電池儲(chǔ)電的供電系統(tǒng)。這是因?yàn)槌说厍蛲杰壍劳猓械牡厍蜍壍郎隙加刑?yáng)輻射波動(dòng)大的問(wèn)題。在地球的同步軌道上，太陽(yáng)輻射的波動(dòng)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(jì)一年小于4天，也就是說(shuō)在99%的時(shí)間內(nèi)均可穩(wěn)定接收太陽(yáng)能。在此軌道上的不同定點(diǎn)位置上，發(fā)生地球遮擋的時(shí)間不同，在不同定點(diǎn)建設(shè)太陽(yáng)能電站，可以互補(bǔ)抵消太陽(yáng)能輻射的波動(dòng)。因此，空間太陽(yáng)能電站基本上沒(méi)有發(fā)電的波動(dòng)，無(wú)需蓄電系統(tǒng)配套，可作為主力電站使用。在此軌道上，由于太陽(yáng)光線不會(huì)被大氣減弱，也不受季節(jié)、晝夜變化的影響，可直接受到太陽(yáng)光的照射，能接收的太陽(yáng)輻射可達(dá)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(wàn)千米）上，一條10千米寬、1000千米長(zhǎng)的太陽(yáng)能接收帶，就可以連續(xù)接收高達(dá)135億千瓦的太陽(yáng)輻射，而地球同步軌道的帶長(zhǎng)達(dá)26萬(wàn)多千米。

　　利用能提供非常巨大、穩(wěn)定的太陽(yáng)能的這一空間帶，解決我國(guó)及世界未來(lái)的能源問(wèn)題，應(yīng)是符合科學(xué)發(fā)展觀的明智之舉。

　　空間太陽(yáng)能電站的研發(fā)概述　　

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)、可持續(xù)發(fā)展的角度看，利用新的、清潔的、取用不竭的太陽(yáng)能在地球同步軌道上發(fā)電，建設(shè)空間太陽(yáng)能電站（也稱天基太陽(yáng)能電站，以下簡(jiǎn)稱空間電站），以無(wú)線電力傳輸方式向地面供電，替代現(xiàn)在的以燃油、燃?xì)夂腿济簽橹鞯陌l(fā)電和有線電力傳輸方式，是一條長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展和對(duì)應(yīng)全球能源危機(jī)和氣候變暖的有希望的途徑。

　　1968年美國(guó)Peter Glaser博士提出，在地球同步軌道上這一可以連續(xù)穩(wěn)定接收太陽(yáng)能的空間帶上，建設(shè)空間太陽(yáng)能電站，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，利用無(wú)線電力傳輸方式將電力傳送到地面使用的設(shè)想。之后，美國(guó)為研發(fā)空間太陽(yáng)能電站做了很多工作，提出了多種不同構(gòu)型的空間電站設(shè)想方案。一般說(shuō)來(lái)，空間太陽(yáng)能電站主要的組成是3大部分。如圖所示的是一個(gè)利用微波無(wú)線電力傳輸方式的空間電站構(gòu)想，圖中：1是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的空間部分；2是將電能發(fā)送到地面的空間天線部分；3是地面接收無(wú)線電力的接收天線陣部分。

　　從Peter Glaser博士提出百萬(wàn)千瓦級(jí)空間電站的設(shè)想以來(lái)，如今四十幾年已經(jīng)過(guò)去，雖然連一個(gè)能夠稱得上試驗(yàn)性的空間電站都沒(méi)有研發(fā)出來(lái)，但是社會(huì)，特別是航天技術(shù)、光電技術(shù)和材料科學(xué)等的巨大發(fā)展和進(jìn)步，已建立起研發(fā)空間電站的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。

　　空間電站，在可預(yù)見的未來(lái)，將會(huì)是尺寸、質(zhì)量和規(guī)模最大的空間基礎(chǔ)設(shè)施。例如一個(gè)基本上可作為主力電站的10萬(wàn)千瓦的空間電站，太陽(yáng)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(dá)百米量級(jí)。如何構(gòu)建這么大的航天器？如何把它送到地球同步軌道上定點(diǎn)？如何控制？電力如何傳送到地面？按現(xiàn)在的水平，只能說(shuō)出有什么基礎(chǔ)和有什么途徑可供選擇。要達(dá)到具有空間電站的研制和建設(shè)能力的水平，還需要做大量的研究、發(fā)展、試驗(yàn)和驗(yàn)證工作，需大量地自主創(chuàng)新，需攻克若干關(guān)鍵技術(shù)，也需要國(guó)際合作，還有很長(zhǎng)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(rèn)準(zhǔn)充分利用太陽(yáng)能是可持續(xù)發(fā)展，是解決全球能源危機(jī)和氣候變化的可行的重要途徑，清楚空間電站能提供穩(wěn)定的、巨大電力，認(rèn)清建設(shè)空間電站任務(wù)的艱巨，那么就應(yīng)該及早啟動(dòng)空間電站的研發(fā)，一步一步，有序、有效地勇往直前向建設(shè)空間電站的目標(biāo)前進(jìn)。

　　日本已啟動(dòng)研發(fā)空間電站，在2009年4月發(fā)布的10年《宇宙基本計(jì)劃》的4項(xiàng)開發(fā)項(xiàng)目中的一項(xiàng)就是“天基太陽(yáng)能發(fā)電研究開發(fā)”。

　　建設(shè)空間電站有可能引發(fā)一場(chǎng)新的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命

　　錢學(xué)森先生在《我們要發(fā)展“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的理論》一文中提到科學(xué)是人認(rèn)識(shí)客觀世界的學(xué)問(wèn)，其飛躍就是科學(xué)革命，提到“改造客觀世界的學(xué)問(wèn)是技術(shù)”，“技術(shù)的飛躍是技術(shù)革命，毛澤東同志曾明確提出過(guò)這個(gè)概念。由科學(xué)革命、技術(shù)革命又會(huì)引起經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的飛躍，這就是產(chǎn)業(yè)革命”。空間電站是人類開發(fā)利用空間太陽(yáng)能的基礎(chǔ)設(shè)施。發(fā)展空間電站將從根本上改變?nèi)祟惱煤瞳@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?yōu)橐蕴?yáng)能為主；改變電力傳輸?shù)姆绞剑瑥挠芯€傳輸?shù)綗o(wú)線傳輸。這三大改變都是前所未有的、重大的、影響深遠(yuǎn)的改造客觀世界的大變革，會(huì)極大影響人類的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生活。

　　建設(shè)空間電站促成的上述3個(gè)方面的重大變革，不是現(xiàn)有技術(shù)能夠辦到的，需要以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高跨越，實(shí)現(xiàn)飛躍。航天運(yùn)輸能力方面要大幅度提高，運(yùn)輸成本大大下降。材料性能方面，光電池、超導(dǎo)材料、輕型結(jié)構(gòu)材料等要有極大提高，能量轉(zhuǎn)換和傳輸效率要達(dá)到很高水平。因此，空間電站的研發(fā)就需要投入很大的人力、物力、資力、財(cái)力，可能需要幾個(gè)年代的時(shí)間，才能達(dá)到具有建設(shè)空間電站基礎(chǔ)設(shè)施的能力和水平，從發(fā)展空間電站引發(fā)的重大人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生活的變革看，空間電站的建設(shè)可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)技術(shù)革命，還可能會(huì)引起新的產(chǎn)業(yè)革命，其意義十分重大，一定要給予足夠的重視！

　　發(fā)展空間電站可能會(huì)促進(jìn)國(guó)際的合作，也可能引起劇烈的競(jìng)爭(zhēng)。從國(guó)際環(huán)境看，相對(duì)而言，我國(guó)可以算作具有較好的研發(fā)空間電站的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的國(guó)家之一，宜在可能引發(fā)的這場(chǎng)技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命中，抓住機(jī)遇面對(duì)挑戰(zhàn)，扮演一個(gè)有分量、有地位的角色，從而獲得我國(guó)應(yīng)該獲得的權(quán)利和收益。

　　（作者單位：中國(guó)空間技術(shù)研究院。王希季，中國(guó)科學(xué)院院士?jī)蓮椧恍枪转?jiǎng)?wù)芦@得者；閔桂榮，中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院兩院院士。）