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空间太阳能发电系统将使太阳成为取之不竭的稳定能源

http://cn.newmaker.com 9/8/2011 11:22:00 AM 日中环保生态网

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展厅 4	太阳能发电展厅太阳能发电机, 光伏发电设备, 风光互补发电系统, 多晶硅生产设备, ...

空间太阳能发电系统（Space Solar Power Systems：SSPS）是指在高度为3.6万公里的静止轨道上（宇宙空间）采集太阳能，以微波和激光的形式传送到陆地的能源供应系统。为了在2035年使100万千瓦级的能源传输投入实用，研究开发正在进行之中。

宇宙太阳能与在地面利用太阳能最大的差别是基本不受自然条件的影响。我们居住的地面虽然有夜晚和坏天气，但静止轨道上却随时可以接收到太阳能*1。因此，与地面的太阳能发电相比，单位面积每年可以利用的能量是5～10倍。

*1严格来说，在春分、秋分当天约有1个小时被地球的影子遮盖。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研究开发本部未踏技术研究中心高等任务研发小组藤田辰人认为，“对于国土狭窄的日本，地面可以利用的太阳能和风力同样有限。因此，即使从全球来看，日本对于研究开发也是最投入的”，是一种未来的能源。因为主要系统大部分位于不受地震、海啸等自然灾害影响的宇宙空间，所以还具有只要准备接收设备，就能够轻松向灾区和岛屿供应能源的优点。

微波和激光两种方式

微波方式与激光方式的研究正在同步进行，二者各有长短，目前还不能断言哪种方式更好。根据今后的研究结果，有可能某一种方式得到采用，也有可能按照用途同时使用两种方式。

微波方式是利用大型反射镜把太阳能聚集到太阳能电池进行发电，把电能转换成微波，向地面的电力接收设备传输。使用的微波频率为2.4G～5.8GHz。优点在于大气和雨水给供电功率造成的衰减和变化较小，电力收发装置的技术成熟度较高。其实，在地面使用微波无线供电的开发也在进行之中。供电元件和受电元件的电力转换效率也比较高。

不过，除了需要获得频率许可外，微波方式在微波与电离层的相互作用和影响评价方面还存在课题。作为微波供电部分的电子管和半导体虽然在研究之中，但电子管效率高重量大，半导体则是重量轻效率差。

另一方面，激光方式利用反射镜把太阳能聚集到激光模块，产生波长为1064nm的近红外线。因为波长比微波短，所以可以缩小电力接收设备的体积，便于在岛屿等地使用。激光方式的课题有，与微波不同，会因大气和雨水衰减；因为束宽较窄，所以对于方向控制的精度要求高，技术难度高。

成本比例最高的运输系统

对于SSPS，除了能量转换和传输等供电系统方面的要素技术之外，在宇宙空间组装系统的技术同样必不可少。把如此大的结构体运往宇宙空间进行搭建更是史无前例。

以微波方式为例，2个一级反射镜的尺寸分别为2.5k×3.5km，重1000t，直径1.25km的发电部分与直径1.8km的供电部分的总重量达到8000t。也就是必须从地面发射重量约为1万吨的物质。为了降低发射成本，研究正在围绕小型、轻量化和改进发射方法两个主题同步进行。

关于小型、轻量化，天线等使用的桁架结构体的展开方法，以及反射镜等利用气体压力展开的充气结构体正在研究之中。利用一项能够使桁架结构体在展开的同时与相邻的桁架结构体结合的技术的研究成果，H-ⅡB火箭发射1次可以搭建的桁架结构体的展开面积可以扩大到2倍。另一项研究成果则通过把向充气结构体供应膨胀气体的气泵更改升华剂，节省了高压气罐和配管。

除此之外，在2010年度还有一项成果以500g/m2的重量，实现了反射率为96％的聚光镜。通过采用泡沫金属作为支撑结构，成功试制出了厚度为100微米、边长为500毫米的聚光镜。

另一方面，目前设想到的发射方法的改进是利用航天飞机等可重复使用航天器（RLV：Reusable Launch Vehicle）把运载对象送入低轨道，然后再使用轨道机动航天器（OTV：Orbital Transfer Vehicle），从低轨道送入静止轨道。即便如此，搭建1个SSPS仍然需要RLV往返运输300次以上*2，但与从地面直接送入静止轨道相比，可以大幅降低成本。目前，向宇宙空间发射物体需要的成本为8.5亿日元/吨。这一数字将争取缩小到1700万日元。

*2假设RLV有效负载的容积为直径15m×长60m，重量为50吨。那么，包括OTV的推进剂和保护材料在内，运输的总重量将达到1.5万吨以上。

藤田表示，SSPS投入实用时的目标是1年建成1座。那时花费的成本将为“1～2万亿日元”。其中包括了修理损坏部件的维护成本。他表示，“如果以SSPS使用40年为前提，计算能量的成本，则结果与核电站相同”。

另外，SSPS的实现还需要在宇宙空间进行组装的机器人技术、控制卫星和聚光镜位置关系的编队飞行技术、使用多个聚光镜的聚光技术、在温差剧烈的宇宙空间进行无电力温度控制的技术。

目前，JAXA、京都大学、民营企业都在开展SSPS要素技术的研究。在大幅左右成本的重量和效率方面，现状距离目标还差距较大。为了缩小差距，除了利用太阳能直接激发激光等SSPS独有的技术之外，太阳能电池、微波发生装置、机器人技术等面向其他用途开发的技术也需要得以应用。

除此之外，在2010年度还有一项成果以500g/m2的重量，实现了反射率为96％的聚光镜。通过采用泡沫金属作为支撑结构，成功试制出了厚度为100微米、边长为500毫米的聚光镜。

另一方面，目前设想到的发射方法的改进是利用航天飞机等可重复使用航天器（RLV：Reusable Launch Vehicle）把运载对象送入低轨道，然后再使用轨道机动航天器（OTV：Orbital Transfer Vehicle），从低轨道送入静止轨道。即便如此，搭建1个SSPS仍然需要RLV往返运输300次以上*2，但与从地面直接送入静止轨道相比，可以大幅降低成本。目前，向宇宙空间发射物体需要的成本为8.5亿日元/吨。这一数字将争取缩小到1700万日元。

*2假设RLV有效负载的容积为直径15m×长60m，重量为50吨。那么，包括OTV的推进剂和保护材料在内，运输的总重量将达到1.5万吨以上。

藤田表示，SSPS投入实用时的目标是1年建成1座。那时花费的成本将为“1～2万亿日元”。其中包括了修理损坏部件的维护成本。他表示，“如果以SSPS使用40年为前提，计算能量的成本，则结果与核电站相同”。

另外，SSPS的实现还需要在宇宙空间进行组装的机器人技术、控制卫星和聚光镜位置关系的编队飞行技术、使用多个聚光镜的聚光技术、在温差剧烈的宇宙空间进行无电力温度控制的技术。

目前，JAXA、京都大学、民营企业都在开展SSPS要素技术的研究。在大幅左右成本的重量和效率方面，现状距离目标还差距较大（表）。为了缩小差距，除了利用太阳能直接激发激光等SSPS独有的技术之外，太阳能电池、微波发生装置、机器人技术等面向其他用途开发的技术也需要得以应用。

SSPS的目标是使发电单价达到8日元/千瓦时。如上所述，成本与核电相同*3。虽然达成目标需要解决的课题还多如牛毛，但在宇宙空间把太阳能转化为能量，向任意地点输送恐怕称得上是具有划时代意义的灵活供能机制。

*3日本政府公布的核电成本是5.9日元/千瓦时，但考虑到临时储存设施的建设费用、地方政府的税金和投资，1千瓦时增加了约2日元。

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