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建造宇宙太陽能發(fā)電站
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(jìn)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(dǎo)體將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電方法，利用當(dāng)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(xiàn)。
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(bǔ)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(qiáng)度為地面上的大約14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(jìn)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(jī)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(jì)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(jì)、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(jìn)行比較。
當(dāng)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(yīng)推進(jìn)陽光發(fā)電衛(wèi)星研究這一結(jié)論。但由于難以預(yù)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(yán)重，對宇宙太陽發(fā)電的認(rèn)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(xué)和研究所的研究人員組成了文部省宇宙科學(xué)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(xué)、工學(xué)，又有法學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)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(wù)局設(shè)在東京大學(xué)，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(jì)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(jìn)行研究，但1998年后將會大幅增加研究經(jīng)費(fèi)，而且研究的進(jìn)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(jī)器人和自動組裝機(jī)進(jìn)行組裝。衛(wèi)星建成后由機(jī)器人進(jìn)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(jī)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(dāng)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(biāo)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(dǎo)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(jìn)行了預(yù)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(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)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(jìn)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(yù)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(jī)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(jì)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(dǎo)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(jìn)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(yù)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(yù)測調(diào)查”，2014年用火箭發(fā)射宇宙衛(wèi)星的費(fèi)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(yīng)運(yùn)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(xué)研究所正在使用可重復(fù)使用的火箭試驗裝置，進(jìn)行未來型宇宙運(yùn)輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。1998年已進(jìn)行了試驗裝置發(fā)動機(jī)的燃燒試驗，計劃很快進(jìn)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(jìn)行綜合評價。
對造成地球變暖的二氧化碳排放也應(yīng)進(jìn)行綜合評價。1996年慶應(yīng)大學(xué)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jì)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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