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未来科技:太空光伏发电计划

发布时间:  2015-08-04    点击量:  8  次    作者:  泰联河南     来源:  日经BP社

关键词:  光伏发电系统,光伏发电,太阳能电池,太阳能发电,宇宙光伏发电

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光伏摘要:泰联光伏-河南太阳能光伏发电系统安装商,河南分布式光伏发电先行者!日本政府2015年1月制定的“宇宙基本计划”中,包含了一项要推进研发的“未来技术”。那就是使太阳能电池板漂浮在宇宙空间,将所发电力输送到地面的“宇宙光伏发电系统”。


长年困扰日本的能源问题也许能够从根本上得到解决。在宇宙空间发电并直接向地面输送电能的系统将成为解决能源问题的杀手锏。在系统得以实现之前,无线供电等基础技术已经在开花结果了。

日本政府2015年1月制定的“宇宙基本计划”中,包含了一项要推进研发的“未来技术”。那就是使太阳能电池板漂浮在宇宙空间,将所发电力输送到地面的“宇宙光伏发电系统”。

这项研究目前还面临着许多有待解决的技术课题,目前预计的开发费用将超过1~2万亿日元。据称最快2040年实现。虽然路途艰难,但实用化,就能改变整个世界的能源产业。

所谓宇宙光伏发电,是要在3.6万公里高空的同步卫星轨道设置上专用卫星,在宇宙空间利用太阳能发电,再把电能转换为电波,输送到地球。最后在地面的受电基地再恢复成电能。

在没有云层遮挡的宇宙空间,可以不间断地稳定发电,因此与地面的光伏发电相比,发电效率约是后者的10倍。而且,向地面的受电基地定点供电的方式也具有较大的优势。只要建设好受电基地,即便是深山、海上等交通不便的场所,也可以大量供应发电过程碳排放为零的清洁电力。

而且,在宇宙空间生产的无穷的电能,还可以从日本拥有的卫星,输送给其他国家。让没有资源的日本转型为能源出口国,也不再只是梦想了。

美国冻结计划日本一马当先

宇宙光伏发电的方案是在1968年由美国的PeterGlaser博士提出的。之后一直以美国宇航局(NASA)为中心推进研发。但现在,出于财政等原因,NASA的开发计划遭到了冻结。部分民营企业虽然也在继续进行研究,但没有取得突出的成果。

于是,从1980年代开始参与研发的日本冲到了领跑的位置。文部科学省等管辖的日本宇宙航空研发机构(JAXA)与经济产业省下属的宇宙系统开发利用推进机构合作,正在联手开发基础技术。

宇宙系统开发利用推进机构系统开发部担当部长中村修治自豪地说:“还在继续开展研发的国家只有日本。我们引领着世界。”

宇宙光伏发电系统如上图所示,大致分三个阶段。

首先是设置在宇宙空间的卫星利用太阳能发电,将电能转换成微波或者激光。这是第一阶段。接下来是准确向地面输送电波。最后利用地面的天线接收电波,重新复原成电能。

其中最大的课题是卫星。使用过去研发的主流——微波作为供电方式时,设置在宇宙空间的发电卫星的成本非常高昂。

利用宇宙太阳能生产1座核电站的发电量,即100万千瓦,必须在宇宙空间内,铺设约2公里见方的太阳能电池。如果达不到这样的面积,从宇宙空间到地面,在3.6万公里的供电过程中,电波将会扩散。使用上面提到的太阳能电池时,在地面上也需要设置直径约为4公里的受电天线。

由于需要的卫星体型巨大,发射成本自然也是巨大。

以发电量为100万千瓦计算,资材的重量约为1.5万吨。即使每次能够发射50吨,也要发射300次。因此,资材的运输不能使用一次性火箭,必须将航天飞机等可以重复使用的太空飞机实用化。在此前提下估算,整体的成本至少需要1~2万亿日元以上,“考虑到利润,以现在的技术还难以实现”(JAXA工作人员)。

供电方式不只是手机等使用的微波。JAXA还考虑采用波长仅为微波约5万分之1的激光。

微波可以不受天气影响进行供电,但如上所述,微波存在导致负责供电的卫星和负责受电的天线大型化的问题。另一方面,激光虽然能实现装置的小型化,但容易受到云和雨的遮挡,无法充分发挥宇宙太阳能的优势。而且,如果天线受电不准确,还有可能危害人体健康。二者都各有长短。

除此之外,包括如何确保设置受电天线的大片用地、如何取得宇宙光伏发电使用的电波波段在内,课题还有很多。

考虑到这些情况,美国决定冻结计划。那么,日本为什么还在坚持研究呢?

这从2015年3月在兵库县内进行的验证实验可以一探究竟。

JAXA、推进机构、三菱电机等,开展了将电能转换成微波,向54m开外的受电天线发送的实验,得到的电能超过了预期。

54m与3.6万公里似乎相去甚远,但推进机构的中村说:“只要建立起根据受电部的天线发出的信号,准确输送电波的技术,就能提高转换效率,延长传输距离。”

向无人机无线供电

微波供电和受电天线——奠定宇宙光伏发电基础的这两项基础技术,还可以应用于其他领域。

比如说,无人机充电一次可飞行几十分钟左右。目前还需要在断电前返回地面的充电基地,而使用微波无线供电的话,就可以持续飞行。

福岛第一核电站的报废作业、桥梁和高速公路等基础设施的检查等,无人机的活用范围将飞跃式扩大。甚至可能出现自动为特定区域内的手机充电的服务等。

通过推进宏伟的宇宙太阳能计划,加快必要的基础技术的革新速度,从而回馈社会——出于这样的目的,日本政府决定继续实施计划。

其效果还带动了其他技术。开发发电卫星配备的玻璃镜的日本电气硝子以宇宙太阳能为契机,拓展了业务范围。

日本电气硝子于2010年,应JAXA“制造1m2重100g的玻璃镜”的要求,着手对玻璃进行轻量化。在2014年成功开发出了世界最薄、约为0.03mm的玻璃。为得到手机等产品的采用,该公司正致力于生产的稳定化。回顾当时,执行董事薄膜业务部长金井敏正说:“宇宙太阳能计划推动了技术革新。”

虽然成本、技术等课题还为数众多。但放弃宇宙光伏发电还为时尚早。

宇宙系统开发利用推进机构等为实现小型发电系统,已经行动了起来。他们没有一次性建设巨型设备,而是要发射多颗小型卫星。计划通过连接卫星,慢慢扩大规模,借此降低成本。

能源问题是人类永远的课题。作为引领人类从根本上解决这一课题的梦幻技术,宇宙光伏发电肩负着重望。


关键词:  光伏发电系统,光伏发电,太阳能电池,太阳能发电,宇宙光伏发电