天基太阳能发电：滚滚电流天上来

早在40年前，美国科学家就已提出天基太阳能发电的创新概念。其基本思路非常简单，就是将无比巨大的太阳电池阵放置在地球轨道上，组成太阳能发电站，将 取之不尽、用之不竭的太阳能转换成数千兆瓦级的电能，然后再将电能转换成微波能，并利用微波或无线技术传输到地球。地面接收设施既可将微波传输功率或无线传输功率直接转换为基础负载功率，输送到电网中，又可将微波功率或无线功率作为低密度广播功率直接发送给用户。

随着地球人口不断膨胀，资源日趋短缺，生态环境日趋恶化，尤其是最近几年石油价格的飚升，不可再生能源的争夺日趋激烈，这些潜在的威胁将成为21世纪地区性或全球性战略冲突的根源。各主要能源消费国，尤其是美国已将能源安全视为危及国家安全的主要威胁。美国国防部已将增强能源安全和环境安全视为确保美国国家安全的优先问题。俄罗斯更是将能源优势转化为经济、政治、外交与军事斗争的工具，欧洲和日本早在10多年前就已对建立天基太阳能发电站很感兴趣，并开展了相关研究与探索。

可行性研究：30年探索几起几落

过去30年来，美国航宇局和能源部曾经耗资8000万美元对天基太阳能发电概念进行过断断续续的研究，但这点经费开支与美国政府过去50年在核聚变研究领域已耗资的210亿美元相比，几乎是九牛一毛而已。

1968年美国科学家首次提出太阳能发电卫星概念，但一直到上世纪70年代第一次石油危机时，美国航宇局才对天基太阳能发电概念的可行性进行过方案论证，当时提出的方案是在太空中建立一个5千兆瓦级太阳能卫星电站。其结论是太阳能卫星电站的概念在科学上是可行的，但由于当时的航天技术水平和运载能力还无法支持建立如此庞大的系统，因此它不仅技术上存在巨大风险，而且经济上也不可承受，更无法与地球市场上其他低成本能源及其潜在替代能源竞争。当时估算建造第一个天基太阳能发电站的总成本预计需要耗费3000亿美元至一万亿美元。

1995年～1997年间，随着航天技术和现代技术与能力的不断进展，美国航宇局又对天基太阳能发电概念进行探索研究，目的是重新评估太阳能发电概念的技术可行性。这一轮的研究结论是，技术上已经不是太大的难题，但其高昂成本仍然无法与其他较低价格的能源竞争，加上还存在其他种种不确定因素，因此美国的决策者曾经暂时放弃发展天基太阳能发电的研究工作。

“9.11”之后反恐战争改变了美国的国家安全战略。由于石油价格在不到10年内从每桶15美元攀升到现在的近100美元，而且《京都议定书》、气候变化、环境保护问题成为全球关注热点，美国及其盟国的能源安全受到了来自多方面的威胁。首先是能源提供不稳，尤其是美国在中东和南美的潜在对手（如伊朗和委内瑞拉）试图影响和控制全球石油供应，使能源市场处于动荡不安状态；其次是全球对能源的需求猛增，尤其是印度等快速崛起的新兴经济体与美国和西方国家争夺日趋短缺的能源资源，因此，美国和一些能源需求大国的国家安全战略部门开始意识到，对外国石油的长期依赖，尤其是过份依赖从不稳定地区进口石油将会对国家安全构成严重威胁。

新一轮探索：提出方向和路径

在这种背景下，美国高层决策机构开始重新审视能源安全战略，急于寻找既能增强能源安全，又能减少大气污染的清洁能源技术。天基太阳能发电技术及其解决方案再次成为关注的重点。美国、欧洲和日本的科学家竞相开展各种相关技术与方案研究，国际无线电科学联合会（URSI）于2001年成立了由10个委员组成的天基太阳能发电探索研究组，并在3年研究基础上于2005年10月发表了《太阳能发电卫星的白皮书》，对该系统中涉及到的一些关键技术, 尤其是太阳能电池技术、微波生成和传输技术进行探索研究。

2007年3月美国国家安全航天局（NSSO）的先进概念处（梦工厂）向局长提出了天基太阳能发电的概念，指出这一概念的潜在影响不仅涉及能源安全，而且还涉及航天、经济、环境和国家安全。该局局长对这一提议非常重视，指示先进概念处立即收集有关天基太阳能发电概念的各种信息，对其可行性进行探索研究。但由于这个“梦工厂”既缺少传统研究所需的资金，又缺乏了解这一概念的专家，于是他们萌生了一种创新的解决途径，于2007年4月21日在互联网上创建了面向全球专家征集天基太阳能发电概念的互动协作论坛。此举立即得到全球科学家的热烈响应，并在无国界的网络空间里展开了自由讨论。截止2007年9月，共有来自世界各地的170多位专家学者为这项概念研究作出贡献。主办方将他们分为如下5个组：科学与技术、政策与法规、基础设施与后勤保障、商业案例和共性问题综合研究组。各个组在讨论过程中都面临一个基本难题：如果天基太阳能发电可以为消费者提供清洁、安全、可行又可持续发展、价格上又可承受的能源，那么美国及其合作伙伴能否在21世纪上半叶研究和部署这种系统？

经过近半年的公开讨论，2007年9月6日至7日，各研究小组汇集美国科罗拉多空军学院艾森豪威尔航天与国防研究中心开会，并在会上发表了各自的研究成果。这次会议由美国军方主办，还邀请了美国航天学会、美国太空能源协会和太空边疆基金会的负责人到会发言。美国航天学会乔治·怀特赛斯致开幕辞，简要介绍了地球人类未来对能源的需求及其解决途径，重点介绍了天基太阳能发电的解决方案和它的巨大潜力。

紧接着航天学会的代表马克·霍普金斯在会上宣布成立美国“天基太阳能未来能源联盟”（SSAFE）。SSAFE是一个支持天基太阳能发电的非盈利组织，目前已有包括美国航天学会、太空能源协会、太空边疆基金会和共享太空等4家民间组织宣布加盟。霍普金斯高度评价天基太阳能发电的潜力，指出太阳能是人类可资利用的最大能源选项，它的潜力比地球上所有能源的总和还要大，太阳赋予人类的能量比全球目前所使用的能源还多几万亿倍。

太空能源协会主席在会上简述了天基太阳能发电将缓解当今人类面临的各种挑战。他指出：一是目前全球能源供给总体上无法满足日益增涨的需求，从而导致能源价格高涨；二是全球气候变化也为寻找无污染绿色能源提出了重大挑战。本世纪人类必须找到比现在全球所消耗能源多1倍乃至几倍的替代能源，而天基太阳能发电将是其中的一种战略选项。由于这项巨大的高风险工程需要解决许多技术和工程问题，而且也许需要花费几十年和巨额投资才能取得重大突破，因此美国未来10年～15年而不是50年所要采取的行动就是由政府投资开展大规模的太空演示验证试验。

美国军方是新一轮天基太阳能发电探索研究的积极推动者。美国国家安全航天局的代表在会上表示，发起新一轮探索研究的初衷是寻求“天基太阳能发电对美国未来50年有何价值”，但最终的研究却发现它确实可以为美国和全世界提供清洁、安全、可靠、取之不尽用之不竭而且成本可承受的长期稳定能源。

2007年10月最终完成的《天基太阳能发电为战略安全提供机遇》研究报告，提出了如下4项重要结论。

一是天基太阳能发电为美国及其伙伴的国家安全、能力和行动自由提供了重要的战略机遇，值得引起美国政府和私营企业的高度重视。

二是目前天基太阳能发电尽管仍存在一些重大技术挑战，但比以往任何时候都更加具备技术可行性。由政府主导的概念验证演示试验，将有助于刺激商业部门参与天基太阳能的开发活动。

三是天基太阳能发电需要有一个协调一致的国家计划，并得到高层领导的支持和人财物等资源保障的相应承诺，其财政支持力度至少不低于核聚变能源研究或国际空间站建设与运行的费用。

四是美国应当启动一项协调一致开发天基太阳能发电的国家计划。这项计划不仅美国政府感兴趣，而且会引起航空航天产业和能源产业界，以及日本、欧盟、加拿大、印度、俄罗斯等许多国家的兴趣。最大可能是由美国政府主导、多国参加的开发计划，但完全有可能出现没有美国领导的各国独立开发天基太阳能的发展态势。

为此，研究报告提出了如下4项建议：

一是美国政府应当有效组织天基太阳能发电的研发活动；

二是美国政府应当为工商企业承担起降低天基太阳能发电技术风险的重要责任；

三是美国政府应当为发展天基太阳能发电创造良好的政策法规环境；

四是美国政府应当成为早期天基太阳能发电演示验证试验的领导者，并成为其早期市场的培育者和消费者。

这项研究的重要结论是：天基太阳能发电对增强美国国家安全，提升国家实力和确保行动自由提供了战略机遇，但依然面临各种挑战，而且按现有的技术水平仍然无法吸引商业部门参与这项高风险事业。因此报告建议由政府主导前期的概念演示验证计划，并从小到大逐步升级，螺旋式发展天基太阳能发电技术的验证试验活动。

从概念到现实：面临的难题与对策

天基太阳能发电系统是一项耗资巨大、高风险、高回报的战略性航天工程。按照现有的航天技术水平与能力，要将这一概念变成现实仍然需要攻克几大难题。

首先要降低技术风险，要在未来10年～15年内通过在国际空间站和其他载人航天活动中进行前期的研究开发工作，不断突破各项关键技术，提高太阳能电池转换效率，积累建造或组装这一庞然大物的实际经验，然后再进行小型天基太阳能发电站的演示验证试验，并采取螺旋式发展途径从建造小型5兆瓦～10兆瓦试验电站，逐步升级到几千兆瓦级的太阳能电站。

第二是大幅度降低进入太空的运输成本，建立在太空和在地面上支持或运行天基太阳能发电的基础设施。解决上述问题不仅有助于天基太阳能发电系统的长期可持续发展，同时也会为未来的太空旅游、太空产品加工制造业的发展、月球或小行星资源的开发利用，以及人类最终移居太空、建立太空基地等其他各种航天梦想开辟道路。

自从人类开启航天时代的50年来，影响航天活动及其应用快速向深度和广度发展的两大制约因素是电源供应短缺和运输成本居高不下。纵观过去500年人类开拓陆地边疆、征服海洋、开拓天空的历史，可以看出解决电力供应和交通运输成本是关键。未来50年人类如果能通过发展天基太阳能发电突破这两大瓶颈问题，预计其他诸多难题将会迎刃而解。

第三是营建有利于天基太阳能发电的政策法律环境，包括国际和国内环境，建立有助于吸引工商企业和各主要航天大国参与这项工程的体制与机制。这是天基太阳能发电宏伟工程能否成功的关键。如果按照美国现行在航天领域所实行的对内对外政策（例如技术转移和出口控制政策等），这项工程不可能有广泛的国际合作，除非美国像重返月球一样单独干。

对策一：

政府主导、技术推动、需求牵引

天基太阳能发电是人类征服太空、造福地球的一种新的战略选择。美国太空边疆基金会主席查尔斯·米勒认为，解决能源短缺，减少环境污染是全人类面临的共同难题，全球能源市场规模巨大，仅仅在美国每年就有1万亿美元。美国政府应当尽快启动天基太阳能发电计划。如果这项工程能得到发展，它必将成为本世纪未来50年新的战略机遇，新的航天里程碑，其规模和对航天技术的推动作用，以及对地球人类的影响将是空前的。这项工程与以往的阿波罗登月、航天飞机、国际空间站相比，后者几乎就像是小儿科一样。如果说登上月球，到访火星是为了全人类的和平和探索未知世界，那么天基太阳能发电工程是为全人类寻找急需的洁净能源！

技术推动，需求牵引和政策引导是发展天基太阳能发电工程的三大要素，但政府的作用是成败的关键。这项研究报告强调，美国政府是发展天基太阳能发电技术的主导者。政府要做的事是：降低风险和进行技术演示验证，然后才能吸引私营工商企业介入。指出这些演示试验在国际空间站上现在就可以做。例如利用空间站验证天基太阳能发电所必需的机器人组装、修理和保障技术。有的专家甚至建议：为了让公众和国家领导人确信天基太阳能发电的可行性，美国航宇局可以从空间站的演示平台上发射一束太阳能射束点燃白宫草坪上的圣诞树。

对策二：让军事部门成为市场

培育者和受益者

考虑到天基太阳能发电工程的巨大投资，其早期发电成本肯定会高于陆基能源，因此政府用户，尤其是军事用户无疑将成为早期天基太阳能发电的市场培育者或“新生婴儿的养父母”。美国国防部如此热衷于推动天基太阳能发电的重要原因，就是因为这种太阳能及其微波或无线功率传输技术不需要任何输电线连接发电机和电力用户，所以传输机和接收机的位置都有更多的自由选择，甚至是移动用户也都可选用。

对处于遥远偏僻而又缺少能源补给的未来战场来说，其整个战区上的海陆空作战单元和武器装备如果能采用太阳能及其微波或无线功率传输技术，将比敌方具有更加灵活可变的“按需供能”优势，同时也将会大大减缓作战部队和装备对燃料后勤保障的依赖。根据参与这项研究的军方官员计算，即使驻伊拉克美军地处石油产区，目前美国向伊拉克战区提供电能的成本也要高于1美元/千瓦时。如果为海上作战平台或阿富汗战区供电，其成本将高几倍。

这项研究的结果表明，如果美国国防部能从天基太阳能发电获得大于5兆瓦的战区补给需求，就可能成为改变未来战场游戏规则的重要因素。因为天基太阳能供电能构建完全崭新的兵力结构，并能提升作战能力，例如未来可能研发出由太阳能供电的超长续航空中侦察监视平台或陆基侦察监视及作战系统，甚至还可以为分散的作战单元或单兵提供电源。同时它还可以为地处偏远地区的军事基地或战场提供电能，使这些分散的“弧岛”摆脱对陆基供电设施的依赖，因为这些供电系统很容易受到攻击。

此外，天基太阳能发电系统还有其他更广泛的用户，除了将电能输送到国家电网之外，它还具备向灾区或处于战乱中的难民居住区提供快速而又持续的人道主义救援电能。

从长远战略考虑，天基太阳能发电对国家安全的最大好处是有助于减缓因能源短缺而引发战争和区域冲突的机会，同时也可减缓能源消费大国对保护海上能源供应线的战略争夺。

对策三：让航天部门成为重要用户

目前制约国际空间站各种应用的障碍之一是站上电力供需矛盾突出。各种太空产品的加工制造和大型科学实验活动都需要充足的能源供应，但现有国际空间站上的供应系统仅能提供15千瓦电力，远远无法满足需求。各种大型侦察监视卫星、通信卫星、雷达卫星乃至太空武器的发展也受到电源供给的制约，假如能从太阳能发电站获得电力，那么它们的能力将会大大提高，发射质量和成本也会大幅降低。如果能在未来建造5兆瓦～10兆瓦的演示试验发电站，不仅未来的空间站、太空工厂、月球基地和其他的大型航天器都可能得到充足的能源供应，而且其价格也是航天用户可以承受的。

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