建造宇宙太陽能發電站

建造宇宙太陽能發電站

　　所謂宇宙太陽能發電站是指在宇宙空間進行大規模的太陽能發電，然后通過無線電波將電力輸送到地面。此系統如果建成，人類將會獲得取之不盡的綠色能源。
　　1990年，日本政府在休斯頓舉行的各國政府首腦會議上提出了“地球新生計劃”，該計劃列出了今后100年可使地球環境新生的戰略技術，這就是核聚變和宇宙太陽能發電。
　　所謂太陽能發電就是利用半導體將光能直接轉換成電能的發電方法，利用當前的技術可將10％的光能轉換成電能。為使發電過程不排放對人體有害的氮氧化物等氣體、放射性廢棄物及造成地球變暖的二氧化碳，人們期待著開發綠色發電技術。依靠太陽光發電不僅能滿足人類活動所需的大部分能源，而且能對地球環境問題的解決做出重大貢獻。
　　但是，在地面上每平方米僅能獲得約1千瓦的電力，而且太陽能的利用還要受天氣因素的影響。為了彌補這一不足，有人曾提出在日照充足的沙漠地帶建造大規模太陽光發電站的設想，但在地面上夜間不能發電。
　　利用陽光發電的最好方法是不斷地用太陽能在宇宙空間發電。1968年，美國人格雷齊爾提出了建造宇宙太陽能發電衛星的設想。他提出將衛星發射到靜止軌道，然后利用微波將太陽電池獲得的電力送到地面，這樣人類便可獲得無限的綠色能源。
　　靜止軌道就是位于赤道上空36000公里的圓形軌道。靜止軌道上的衛星與地球的自轉周期是一致的，即每日自轉1周，所以從地面上看衛星總是處在同一位置上。而且靜止軌道上的太陽光強度為地面上的大約1?4倍。除日食期間外，可以不分晝夜、不分季節和不管天氣好壞進行發電，因此，在宇宙空間太陽能的利用率約是地面上利用率的10倍。
　　宇宙空間發電所得的電力用微波送往地面。送電用的微波是光波(即電磁波)的一種，屬于衛星廣播、微波爐、移動電話使用的波長范圍。
　　
　　
　　
　　滿足美國的總電力需求
　　
　　經歷了70年代的石油危機后，美國能源部與美國航空航天局合作，自1976年開始實施宇宙太陽能發電的研究，其研究內容有，假定21世紀之初美國所需的3億千瓦電力全部由宇宙太陽能發電提供的話，會對環境、經濟、社會等方面產生什么樣的影響，同時還要將宇宙太陽能與火力、核能、核聚變等其他發電方法進行比較。
　　當時研究的發電衛星叫做“參考系統”，一顆衛星就是一個5公里×10公里的龐然大物，如果把它發射到靜止軌道上，可發電500萬千瓦。按每顆衛星總重量50000噸計算，每年發射2顆，在30年內計劃總計要發射60顆衛星。
　　研究人員經過對用微波送電對地球環境的影響、能效等多方面考察，最終得出了應推進陽光發電衛星研究這一結論。但由于難以預測的巨大建造成本等問題，這項研究于1980年終止。
　　這一結果，使得世界各國對宇宙太陽發電的興趣急劇降溫。但是，隨著近年來地球環境問題的日益嚴重，對宇宙太陽發電的認識又有所改變，自80年代后期開始重新掀起了宇宙太陽發電熱。在日本，1987年由國家公立大學和研究所的研究人員組成了文部省宇宙科學研究所“太陽發電衛星研究小組”。日本政府又于1990年成立了“SPS2000”宇宙太陽發電系統實用化研究小組，該小組的研究一直持續至今。1997年又成立了既有理學、工學，又有法學和經濟學方面人士參加的“太陽發電衛星研究會”。目前該研究會的事務局設在東京大學，正在從事研究信息的交換及對外信息的提供。1998年日本科技廳成立了宇宙太陽發電研究委員會，專門研究其安全性及經濟性問題。最近美國航天局重新開始了對宇宙太陽發電的研究，雖然對其成本問題尚未進行研究，但1998年后將會大幅增加研究經費，而且研究的進度將會加快。
　　
　　日本的SPS2000計劃
　　
　　所謂SPS2000是指最遲到2000年在圍繞地球的軌道上組建輸出10000千瓦的太陽能發電衛星，首先把發射軌道定在赤道上空1100公里處，供電范圍定在赤道附近的一些國家。該計劃規定
　　：1)發電衛星將成為與地面發電廠的成本可以競爭的發電站；2)發電衛星建成后，它將發展為更大規模的發電系統。
　　迄今為止，由于SPS2000尚未列入正式的國家研究計劃之中，因此，2000年就不能實現發射。但在以現有的技術設計的宇宙太陽發電系統中，SPS2000是目前世界上唯一的宇宙太陽發電系統。
　　在SPS2000中所設計的太陽發電衛星是一個邊長為336米的正三角棱柱體，柱的全長為303米，總重量為240噸，在棱柱體兩個面上鑲有太陽電池板，剩下的一面裝設有發送微波的天線。衛星的骨架由鋁管組成，骨架用機器人和自動組裝機進行組裝。衛星建成后由機器人進行保養，由于采用的是1100公里的低軌道，所以發出的電力僅夠日本使用，但赤道附近的國家每天約有12次接收電力的機會。
　　太陽電池使用的是薄片狀非晶硅太陽電池。非晶硅太陽電池的特點是重量輕、柔軟性好、成本低、易批量生產。現在日本原子能研究所正在給這種非晶硅電池照射相當于宇宙空間30年所承受的電子射線、質子射線、離子束及紫外線，以研究其老化的程度。
　　太陽電池發的電被轉換成微波后送往地面。以現在的技術，如果將100瓦的直流電轉換成微波，要損失30％的能量。目前所制定的目標是將轉換效率提高到75％。
　　送電效率約50％
　　在地面上接收微波需架設接收天線，接收天線可將衛星傳送來的70％的微波轉換成電能。因此在SPS2000計劃中，太陽電池板發電的50％在地面上可得以利用。
　　微波送電時，受電設施需向衛星發射誘導信號，這樣衛星便可向受電設施傳送微波。一個地方的受電設施每2小時可接收到約230秒的微波。要想用微波接收全部電力需架設直徑2公里的接收天線。這種規模大小的受電設施所得到的電力，可連續提供約250千瓦的電力。在日本，250千瓦是300個家庭的用電量。在SPS2000計劃中，計劃將受電設施建在赤道地區的無電村。
　　據測試，SPS2000計劃中的微波受電地區局限于北緯3度-南緯3度的地帶。目前已對坦桑尼亞、埃及、印尼、巴布亞新
　　
　　
　　
　　幾內亞、厄瓜多爾、馬爾代夫、馬來西亞等國家進行了預備調查。被調查的這些國家都很關注SPS2000計劃，并愿意對受電設施的建設給予協作。
　　送電使用的微波頻率為2．45千兆赫，這一頻率處于衛星廣播(約12千兆赫)和地面UHF廣播(約0．77千兆赫)使用的電波頻率之間。地面上送電的能量密度最高為0．0001瓦/米2，所以2．45千兆赫符合國際安全標準。例如法律規定，使用2．45千兆赫的
　　電子微波爐泄漏的微波，在離爐體5厘米的場所，應控制在0.0005瓦/米2以下。
　　但是電磁波對生態系統、地球環境的影響尚有很多不明了之處，長期送電是否對環境產生影響還需進行必要的研究。
　　
　　移動電話小型化技術的誕生
　　
　　目前人造衛星的制造成本為每噸100億日元，如果按照現在掌握的宇宙技術制造SPS2000計劃所需的重240噸的太陽發電衛星，需要約20000億日元。1998年始建的國際空間站的總重量約460噸，預算為270億美元。根據通產省新能源產業技術綜合開發機構的規定，地面上太陽發電設施的成本已于1996年降至每千瓦約150萬日元。如按照這一數據計算，建造與SPS2000相同的輸出功率為10000千瓦的地面太陽發電站只需150億日元，也就是說，用以往的宇宙技術建造太陽發電衛星是不經濟的。
　　SPS2000使用地面上用的非晶體硅太陽電池實際上是一個大膽的設想，其目的是將建設成本降到衛星制造與建設成本的1/100。目前人造衛星上使用的太陽電池與地面上使用的太陽電池的成本之比為100：1。
　　發電衛星其他的主體結構單元是微波接收天線和衛星骨架。SPS2000使用半導體元件將電力轉換成微波。最近快速普及的移動電話為太陽發電衛星的實現創造了條件。移動電話也使用微波，移動電話的小型化和低成本化顯示出微波發送與接收技術的快速發展。這一技術革新如果得到利用，SPS2000微波送電使用的接收天線將會大大減小。
　　為降低宇宙空間的建設成本，需要開發無人自動組裝技術。現在研究小組正在通過陽光發電進行組裝SPS2000衛星骨架的實驗。
　　
　　宇宙太陽能發電將加速太空旅行時代的到來
　　
　　目前就一般的發射成本而言，向圍繞地球的較低軌道發射衛星，每公斤成本為100萬日元。SPS現階段的總重量為240噸，發射預算為2400億日元。根據科技廳1996年對各領域的4000多名專家的“第6次技術預測調查”，2014年用火箭發射宇宙衛星的費用可降到目前的1/10以下。
　　如果實現發射低成本化，各種需求會應運而生。例如，宇宙旅行或許會商業化。假如以每公斤20000－30000日元計，60公斤重的人，花120萬-180萬日元便可實現去宇宙旅行的夢想。這種低價格還會產生更多的需求，宇宙太陽發電的實用化或許會與宇宙旅行商業化同時到來。
　　目前日本宇宙科學研究所正在使用可重復使用的火箭試驗裝置，進行未來型宇宙運輸系統的基礎研究。1998年已進行了試驗裝置發動機的燃燒試驗，計劃很快進行飛行試驗。
　　
　　宇宙太陽發電是否能成為有用的系統
　　
　　為實現太陽發電，就必須評價總能源收支情況。必須對衛星零部件制造、衛星發射升空及受電設施制造等項成本多少年可回收進行綜合評價。
　　對造成地球變暖的二氧化碳排放也應進行綜合評價。1996年慶應大學的吉岡完治教授等人假定，太陽能發電衛星的耐用年數為30年，并將其與火力發電、核能發電等其他發電方式的二氧化碳排放量進行了比較。這項研究顯示，1千瓦宇宙太陽發電系統的二氧化碳排放量為17克，煤炭火力發電為1225克，石油火力發電為846克，液化天然氣火力發電為631克，核能發電為22克。在宇宙太陽發電的情況下，制作太陽電池、火箭及火箭燃料時還要產生二氧化碳。綜合研究結果表明，核能發電產生的二氧化碳量最少，如果用宇宙太陽發電保證日本所用電量，所排放的二氧化碳總量約占現在二氧化碳排放量的1/30。
　　
　　21世紀中期將迎來宇宙太陽發電時代
　　
　　由于SPS2000尚未列入正式國家研究計劃，因此，衛星系統的制造還未開始。目前SPS2000研究小組考慮于2010年發射宇宙太陽能發電衛星。現在通過設計研究的技術課題已經明確，但該系統究竟能否成為有實用價值的系統還要靠制作及發射的實際數據進行判斷。只要全社會意見一致，2040年將會大規模發射衛星，21世紀后期，100萬千瓦級、500萬千瓦級的巨大宇宙太陽發電站將會出現。

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