【宇宙開發民營化】(四)宇宙光伏發電，能源從天而降

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目前，世界各國都在推進大型光伏發電設施計劃。這種設施通過設置數萬塊太陽能面板，來達到百萬瓦級發電規模。在宇宙擴大設施規模的研究也在推進之中。“宇宙光伏發電系統”可在宇宙中進行光伏發電，並將電力輸送至地面（圖1）。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）計劃最早於2017年度發射具有2kW發電能力的實証衛星。

圖1 宇宙光伏發電系統示意圖在地球軌道上設置太陽能面板等裝置，利用微波或激光向地面輸送能量。（圖：JAXA）

在太空中，太陽光不會像在地球上那樣因大氣吸收而減弱，也不會受到天氣的影響。而且，如果將光伏發電系統設置在日照時間最長的靜止軌道上，就基本不會轉到地球陰影裡，可以持續不斷發電了。發電量也可達到地面的5∼10倍。

宇宙光伏發電系統是1968年美國的彼得·格拉澤（Peter Glaser）提出的概念，日本於1990年代初期在宇宙科學研究所（現JAXA）的主導下組建了研究小組。目前，JAXA與經濟產業省下屬的宇宙系統開發利用推進機構（J-spacesystems）正致力於無線電力傳輸及衛星技術的開發。日本政府在2009年制定的“宇宙基本計劃”中，提出了力爭在今后10年內使其走上實用化道路的目標。

利用5.8GHz頻帶電波傳輸電力

宇宙光伏發電系統大致分為兩類，分別是以微波傳送太陽能的方式和以激光傳送的方式。前者以微波傳送太陽能面板提供的電力。而后者利用太陽光激發激光，然后向地面傳送，通過向海水中的光催化劑照射這種激光等方法，生成燃料電池的燃料——氫氣。盡管尚不清楚哪種方式會成為主流，但研究歷史較長的微波方式目前在試驗等方面處於領先地位。

採用微波方式的宇宙光伏發電系統的大致原理如圖2所示。整個系統由太陽能面板和三個子系統構成。分別為（1）微波發生系統、（2）發送天線（宇宙天線）、（3）微波接收天線與電力轉換系統（整流天線）。微波頻率考慮使用5.8GHz頻帶。

圖2 微波方式宇宙光伏發電系統的大致原理

利用微波發生器將太陽能電池的直流電轉換成微波之后發送出去，通過整流電路將地面接收的微波重新轉換成直流電。發送微波時，從接收端發送指示信號來通知准確的位置。

首先，將太陽能面板提供的直流電轉換成微波。被人們看好的微波發生器是一種電子管即磁控管。這是因為其構造簡單，可以輸出高效率微波。而且，宇宙天線可利用放大器將發生器產生的微波傳送至天線。放大器考慮使用可高頻運行的GaAs類元件、GaN類元件及SiC類元件等。