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未來科技:太空光伏發(fā)電計(jì)劃

作者: 時(shí)間:2015-08-06 來源:日經(jīng)BP社 收藏
編者按:太陽(yáng)能電池板漂浮在宇宙空間,將所發(fā)電力輸送到地面的“宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)”,宇宙光伏發(fā)電能解決人類能源緊缺的問題嗎。

  長(zhǎng)年困擾日本的能源問題也許能夠從根本上得到解決。在宇宙空間發(fā)電并直接向地面輸送電能的系統(tǒng)將成為解決能源問題的殺手锏。在系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)之前,無線供電等基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)在開花結(jié)果了。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/278370.htm

  日本政府2015年1月制定的“宇宙基本計(jì)劃”中,包含了一項(xiàng)要推進(jìn)研發(fā)的“未來技術(shù)”。那就是使太陽(yáng)能電池板漂浮在宇宙空間,將所發(fā)電力輸送到地面的“宇宙系統(tǒng)”。

  這項(xiàng)研究目前還面臨著許多有待解決的技術(shù)課題,目前預(yù)計(jì)的開發(fā)費(fèi)用將超過1~2萬億日元。據(jù)稱最快2040年實(shí)現(xiàn)。雖然路途艱難,但實(shí)用化,就能改變整個(gè)世界的能源產(chǎn)業(yè)。

  所謂宇宙,是要在3.6萬公里高空的同步衛(wèi)星軌道設(shè)置上專用衛(wèi)星,在宇宙空間利用太陽(yáng)能發(fā)電,再把電能轉(zhuǎn)換為電波,輸送到地球。最后在地面的受電基地再恢復(fù)成電能。

  在沒有云層遮擋的宇宙空間,可以不間斷地穩(wěn)定發(fā)電,因此與地面的相比,發(fā)電效率約是后者的10倍。而且,向地面的受電基地定點(diǎn)供電的方式也具有較大的優(yōu)勢(shì)。只要建設(shè)好受電基地,即便是深山、海上等交通不便的場(chǎng)所,也可以大量供應(yīng)發(fā)電過程碳排放為零的清潔電力。

  而且,在宇宙空間生產(chǎn)的無窮的電能,還可以從日本擁有的衛(wèi)星,輸送給其他國(guó)家。讓沒有資源的日本轉(zhuǎn)型為能源出口國(guó),也不再只是夢(mèng)想了。

  美國(guó)凍結(jié)計(jì)劃日本一馬當(dāng)先

  宇宙光伏發(fā)電的方案是在1968年由美國(guó)的PeterGlaser博士提出的。之后一直以美國(guó)宇航局(NASA)為中心推進(jìn)研發(fā)。但現(xiàn)在,出于財(cái)政等原因,NASA的開發(fā)計(jì)劃遭到了凍結(jié)。部分民營(yíng)企業(yè)雖然也在繼續(xù)進(jìn)行研究,但沒有取得突出的成果。

  于是,從1980年代開始參與研發(fā)的日本沖到了領(lǐng)跑的位置。文部科學(xué)省等管轄的日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省下屬的宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)合作,正在聯(lián)手開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)。

  宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)部擔(dān)當(dāng)部長(zhǎng)中村修治自豪地說:“還在繼續(xù)開展研發(fā)的國(guó)家只有日本。我們引領(lǐng)著世界?!庇钪婀夥l(fā)電系統(tǒng)如上圖所示,大致分三個(gè)階段。

  首先是設(shè)置在宇宙空間的衛(wèi)星利用太陽(yáng)能發(fā)電,將電能轉(zhuǎn)換成微波或者激光。這是第一階段。接下來是準(zhǔn)確向地面輸送電波。最后利用地面的天線接收電波,重新復(fù)原成電能。

  其中最大的課題是衛(wèi)星。使用過去研發(fā)的主流——微波作為供電方式時(shí),設(shè)置在宇宙空間的發(fā)電衛(wèi)星的成本非常高昂。

  利用宇宙太陽(yáng)能生產(chǎn)1座核電站的發(fā)電量,即100萬千瓦,必須在宇宙空間內(nèi),鋪設(shè)約2公里見方的太陽(yáng)能電池。如果達(dá)不到這樣的面積,從宇宙空間到地面,在3.6萬公里的供電過程中,電波將會(huì)擴(kuò)散。使用上面提到的太陽(yáng)能電池時(shí),在地面上也需要設(shè)置直徑約為4公里的受電天線。

  由于需要的衛(wèi)星體型巨大,發(fā)射成本自然也是巨大。

  以發(fā)電量為100萬千瓦計(jì)算,資材的重量約為1.5萬噸。即使每次能夠發(fā)射50噸,也要發(fā)射300次。因此,資材的運(yùn)輸不能使用一次性火箭,必須將航天飛機(jī)等可以重復(fù)使用的太空飛機(jī)實(shí)用化。在此前提下估算,整體的成本至少需要1~2萬億日元以上,“考慮到利潤(rùn),以現(xiàn)在的技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)”(JAXA工作人員)。

  供電方式不只是手機(jī)等使用的微波。JAXA還考慮采用波長(zhǎng)僅為微波約5萬分之1的激光。

  微波可以不受天氣影響進(jìn)行供電,但如上所述,微波存在導(dǎo)致負(fù)責(zé)供電的衛(wèi)星和負(fù)責(zé)受電的天線大型化的問題。另一方面,激光雖然能實(shí)現(xiàn)裝置的小型化,但容易受到云和雨的遮擋,無法充分發(fā)揮宇宙太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)。而且,如果天線受電不準(zhǔn)確,還有可能危害人體健康。二者都各有長(zhǎng)短。

  除此之外,包括如何確保設(shè)置受電天線的大片用地、如何取得宇宙光伏發(fā)電使用的電波波段在內(nèi),課題還有很多。

  考慮到這些情況,美國(guó)決定凍結(jié)計(jì)劃。那么,日本為什么還在堅(jiān)持研究呢?

  這從2015年3月在兵庫(kù)縣內(nèi)進(jìn)行的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可以一探究竟。

  JAXA、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、三菱電機(jī)等,開展了將電能轉(zhuǎn)換成微波,向54m開外的受電天線發(fā)送的實(shí)驗(yàn),得到的電能超過了預(yù)期。

  54m與3.6萬公里似乎相去甚遠(yuǎn),但推進(jìn)機(jī)構(gòu)的中村說:“只要建立起根據(jù)受電部的天線發(fā)出的信號(hào),準(zhǔn)確輸送電波的技術(shù),就能提高轉(zhuǎn)換效率,延長(zhǎng)傳輸距離?!?/p>

  向無人機(jī)無線供電

  微波供電和受電天線——奠定宇宙光伏發(fā)電基礎(chǔ)的這兩項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù),還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

  比如說,無人機(jī)充電一次可飛行幾十分鐘左右。目前還需要在斷電前返回地面的充電基地,而使用微波無線供電的話,就可以持續(xù)飛行。

  福島第一核電站的報(bào)廢作業(yè)、橋梁和高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的檢查等,無人機(jī)的活用范圍將飛躍式擴(kuò)大。甚至可能出現(xiàn)自動(dòng)為特定區(qū)域內(nèi)的手機(jī)充電的服務(wù)等。

  通過推進(jìn)宏偉的宇宙太陽(yáng)能計(jì)劃,加快必要的基礎(chǔ)技術(shù)的革新速度,從而回饋社會(huì)——出于這樣的目的,日本政府決定繼續(xù)實(shí)施計(jì)劃。

  其效果還帶動(dòng)了其他技術(shù)。開發(fā)發(fā)電衛(wèi)星配備的玻璃鏡的日本電氣硝子以宇宙太陽(yáng)能為契機(jī),拓展了業(yè)務(wù)范圍。

  日本電氣硝子于2010年,應(yīng)JAXA“制造1m2重100g的玻璃鏡”的要求,著手對(duì)玻璃進(jìn)行輕量化。在2014年成功開發(fā)出了世界最薄、約為0.03mm的玻璃。為得到手機(jī)等產(chǎn)品的采用,該公司正致力于生產(chǎn)的穩(wěn)定化?;仡櫘?dāng)時(shí),執(zhí)行董事薄膜業(yè)務(wù)部長(zhǎng)金井敏正說:“宇宙太陽(yáng)能計(jì)劃推動(dòng)了技術(shù)革新。”

  雖然成本、技術(shù)等課題還為數(shù)眾多。但放棄宇宙光伏發(fā)電還為時(shí)尚早。

  宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)等為實(shí)現(xiàn)小型發(fā)電系統(tǒng),已經(jīng)行動(dòng)了起來。他們沒有一次性建設(shè)巨型設(shè)備,而是要發(fā)射多顆小型衛(wèi)星。計(jì)劃通過連接衛(wèi)星,慢慢擴(kuò)大規(guī)模,借此降低成本。

  能源問題是人類永遠(yuǎn)的課題。作為引領(lǐng)人類從根本上解決這一課題的夢(mèng)幻技術(shù),宇宙光伏發(fā)電肩負(fù)著重望。

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