建造宇宙太陽能發(fā)電站

　　所謂宇宙太陽能發(fā)電站是指在宇宙空間進行大規(guī)模的太陽能發(fā)電，然后通過無線電波將電力輸送到地面。此系統(tǒng)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(huán)境新生的戰(zhàn)略技術(shù)，這就是核聚變和宇宙太陽能發(fā)電。
　　所謂太陽能發(fā)電就是利用半導體將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電方法，利用當前的技術(shù)可將10％的光能轉(zhuǎn)換成電能。為使發(fā)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(fā)綠色發(fā)電技術(shù)。依靠太陽光發(fā)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(huán)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(guī)模太陽光發(fā)電站的設(shè)想，但在地面上夜間不能發(fā)電。
　　利用陽光發(fā)電的最好方法是不斷地用太陽能在宇宙空間發(fā)電。1968年，美國人格雷齊爾提出了建造宇宙太陽能發(fā)電衛(wèi)星的設(shè)想。他提出將衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星與地球的自轉(zhuǎn)周期是一致的，即每日自轉(zhuǎn)1周，所以從地面上看衛(wèi)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(jié)和不管天氣好壞進行發(fā)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(fā)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(wèi)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(jīng)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(fā)電的研究，其研究內(nèi)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(fā)電提供的話，會對環(huán)境、經(jīng)濟、社會等方面產(chǎn)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(fā)電方法進行比較。
　　當時研究的發(fā)電衛(wèi)星叫做“參考系統(tǒng)”，一顆衛(wèi)星就是一個5公里×10公里的龐然大物，如果把它發(fā)射到靜止軌道上，可發(fā)電500萬千瓦。按每顆衛(wèi)星總重量50000噸計算，每年發(fā)射2顆，在30年內(nèi)計劃總計要發(fā)射60顆衛(wèi)星。
　　研究人員經(jīng)過對用微波送電對地球環(huán)境的影響、能效等多方面考察，最終得出了應推進陽光發(fā)電衛(wèi)星研究這一結(jié)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(jié)果，使得世界各國對宇宙太陽發(fā)電的興趣急劇降溫。但是，隨著近年來地球環(huán)境問題的日益嚴重，對宇宙太陽發(fā)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(fā)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(fā)電衛(wèi)星研究小組”。日本政府又于1990年成立了“SPS2000”宇宙太陽發(fā)電系統(tǒng)實用化研究小組，該小組的研究一直持續(xù)至今。1997年又成立了既有理學、工學，又有法學和經(jīng)濟學方面人士參加的“太陽發(fā)電衛(wèi)星研究會”。目前該研究會的事務局設(shè)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(fā)電研究委員會，專門研究其安全性及經(jīng)濟性問題。最近美國航天局重新開始了對宇宙太陽發(fā)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(jīng)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(fā)電衛(wèi)星，首先把發(fā)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(guī)定
　�。�1)發(fā)電衛(wèi)星將成為與地面發(fā)電廠的成本可以競爭的發(fā)電站；2)發(fā)電衛(wèi)星建成后，它將發(fā)展為更大規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)。
　　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(xiàn)發(fā)射。但在以現(xiàn)有的技術(shù)設(shè)計的宇宙太陽發(fā)電系統(tǒng)中，SPS2000是目前世界上唯一的宇宙太陽發(fā)電系統(tǒng)。
　　在SPS2000中所設(shè)計的太陽發(fā)電衛(wèi)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(shè)有發(fā)送微波的天線。衛(wèi)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(wèi)星建成后由機器人進行保養(yǎng)，由于采用的是1100公里的低軌道，所以發(fā)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(chǎn)�，F(xiàn)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(zhì)子射線、離子束及紫外線，以研究其老化的程度。
　　太陽電池發(fā)的電被轉(zhuǎn)換成微波后送往地面。以現(xiàn)在的技術(shù)，如果將100瓦的直流電轉(zhuǎn)換成微波，要損失30％的能量。目前所制定的目標是將轉(zhuǎn)換效率提高到75％。
　　送電效率約50％
　　在地面上接收微波需架設(shè)接收天線，接收天線可將衛(wèi)星傳送來的70％的微波轉(zhuǎn)換成電能。因此在SPS2000計劃中，太陽電池板發(fā)電的50％在地面上可得以利用。
　　微波送電時，受電設(shè)施需向衛(wèi)星發(fā)射誘導信號，這樣衛(wèi)星便可向受電設(shè)施傳送微波。一個地方的受電設(shè)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(shè)直徑2公里的接收天線。這種規(guī)模大小的受電設(shè)施所得到的電力，可連續(xù)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(shè)施建在赤道地區(qū)的無電村。
　　據(jù)測試，SPS2000計劃中的微波受電地區(qū)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(nèi)亞、厄瓜多爾、馬爾代夫、馬來西亞等國家進行了預備調(diào)查。被調(diào)查的這些國家都很關(guān)注SPS2000計劃，并愿意對受電設(shè)施的建設(shè)給予協(xié)作。
　　送電使用的微波頻率為2．45千兆赫，這一頻率處于衛(wèi)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(guī)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(tài)系統(tǒng)、地球環(huán)境的影響尚有很多不明了之處，長期送電是否對環(huán)境產(chǎn)生影響還需進行必要的研究。
　　
　　移動電話小型化技術(shù)的誕生
　　
　　目前人造衛(wèi)星的制造成本為每噸100億日元，如果按照現(xiàn)在掌握的宇宙技術(shù)制造SPS2000計劃所需的重240噸的太陽發(fā)電衛(wèi)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(jù)通產(chǎn)省新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)的規(guī)定，地面上太陽發(fā)電設(shè)施的成本已于1996年降至每千瓦約150萬日元。如按照這一數(shù)據(jù)計算，建造與SPS2000相同的輸出功率為10000千瓦的地面太陽發(fā)電站只需150億日元，也就是說，用以往的宇宙技術(shù)建造太陽發(fā)電衛(wèi)星是不經(jīng)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(shè)想，其目的是將建設(shè)成本降到衛(wèi)星制造與建設(shè)成本的1/100。目前人造衛(wèi)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(fā)電衛(wèi)星其他的主體結(jié)構(gòu)單元是微波接收天線和衛(wèi)星骨架。SPS2000使用半導體元件將電力轉(zhuǎn)換成微波。最近快速普及的移動電話為太陽發(fā)電衛(wèi)星的實現(xiàn)創(chuàng)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(fā)送與接收技術(shù)的快速發(fā)展。這一技術(shù)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(shè)成本，需要開發(fā)無人自動組裝技術(shù)�，F(xiàn)在研究小組正在通過陽光發(fā)電進行組裝SPS2000衛(wèi)星骨架的實驗。
　　
　　宇宙太陽能發(fā)電將加速太空旅行時代的到來
　　
　　目前就一般的發(fā)射成本而言，向圍繞地球的較低軌道發(fā)射衛(wèi)星，每公斤成本為100萬日元。SPS現(xiàn)階段的總重量為240噸，發(fā)射預算為2400億日元。根據(jù)科技廳1996年對各領(lǐng)域的4000多名專家的“第6次技術(shù)預測調(diào)查”，2014年用火箭發(fā)射宇宙衛(wèi)星的費用可降到目前的1/10以下。
　　如果實現(xiàn)發(fā)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(yè)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(xiàn)去宇宙旅行的夢想。這種低價格還會產(chǎn)生更多的需求，宇宙太陽發(fā)電的實用化或許會與宇宙旅行商業(yè)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(tǒng)的基礎(chǔ)研究。1998年已進行了試驗裝置發(fā)動機的燃燒試驗，計劃很快進行飛行試驗。
　　
　　宇宙太陽發(fā)電是否能成為有用的系統(tǒng)
　　
　　為實現(xiàn)太陽發(fā)電，就必須評價總能源收支情況。必須對衛(wèi)星零部件制造、衛(wèi)星發(fā)射升空及受電設(shè)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(fā)電衛(wèi)星的耐用年數(shù)為30年，并將其與火力發(fā)電、核能發(fā)電等其他發(fā)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(fā)電系統(tǒng)的二氧化碳排放量為17克，煤炭火力發(fā)電為1225克，石油火力發(fā)電為846克，液化天然氣火力發(fā)電為631克，核能發(fā)電為22克。在宇宙太陽發(fā)電的情況下，制作太陽電池、火箭及火箭燃料時還要產(chǎn)生二氧化碳。綜合研究結(jié)果表明，核能發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳量最少，如果用宇宙太陽發(fā)電保證日本所用電量，所排放的二氧化碳總量約占現(xiàn)在二氧化碳排放量的1/30。
　　
　　21世紀中期將迎來宇宙太陽發(fā)電時代
　　
　　由于SPS2000尚未列入正式國家研究計劃，因此，衛(wèi)星系統(tǒng)的制造還未開始。目前SPS2000研究小組考慮于2010年發(fā)射宇宙太陽能發(fā)電衛(wèi)星�，F(xiàn)在通過設(shè)計研究的技術(shù)課題已經(jīng)明確，但該系統(tǒng)究竟能否成為有實用價值的系統(tǒng)還要靠制作及發(fā)射的實際數(shù)據(jù)進行判斷。只要全社會意見一致，2040年將會大規(guī)模發(fā)射衛(wèi)星，21世紀后期，100萬千瓦級、500萬千瓦級的巨大宇宙太陽發(fā)電站將會出現(xiàn)。

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