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【宇宙开发民营化】(四)宇宙光伏发电,能源从天而降【2】

2013年02月07日10:50    来源:人民网-财经频道

宇宙光伏发电系统使用相控阵天线(Phased Array Antenna)向地面发送放大的微波。相控阵天线是气象雷达及飞机雷达等采用的技术,将多个小型天线排列在一个平面上。其特点是,即便不通过机械方式改变天线的朝向,也能通过错开每个天线的电波相位,精密地控制无线电波的波束角。

进行一般通信时,为了向更多的人发送信息,需要在大范围内发送低密度电波。但微波送电方式为了有效发送能量,需要将电波集中在地面目标(整流天线)上。因此,必须采用能够精密控制波束角的相控阵天线等技术。但这种天线的控制非常困难,因为是由小型天线构成,部材成本也很高。宇宙光伏发电系统必须设置几十亿个小型天线。因此,作为可减少天线数量的替代技术,最近业界正在考虑采用无线LAN等使用的MIMO(multipleinput multiple output)技术。

宇宙天线可向接到指示信号(用来通知整流天线位置)的地方照射电波束。在照射的电波束中,90%以上的微波会到达整流天线。整流天线利用二极管对这些微波进行整流,再利用滤波器进行平滑处理,然后转换成直流电流。

2030年后商用化?

从JAXA的开发蓝图来看,首先将在地面上进行数千瓦送电实验。然后,在距离地面400~500公里的低轨道上设置篇首提到的小型卫星式发电系统,评估大气等的影响及安全性。还将实施百万瓦级发电系统实验,并在国际空间站附近进行大型结构体组装技术实验。计划在2030年以后,作为商用系统,在距离地面3.6万公里的静止轨道上设置相当于一座核电站的1吉瓦(GW)规模发电系统(图3)。

宇宙光伏发电系统的诞生地美国也在推进实用化进程。2007年公布了由美国能源部(DOE)制定的开发计划方案,因2008年美国总统贝拉克·奥巴马推出了促进导入可再生能源的“绿色新政”,宇宙光伏发电进一步受到关注。2009年美国加利福尼亚州大型电力运营商PG&E与美国风险企业Solaren签署合约,收购其构建的宇宙光伏发电系统提供的电力。计划从2016年开始收购15年。

研究微波送电技术的京都大学生存圈研究所教授篠原真毅表示:“前几天还接到了美国宇宙光伏发电系统风险企业的咨询。民间似乎也在积极行动。”

安全性能否确保万无一失

尽管宇宙光伏发电系统看到了实用化的曙光,但仍有很多问题需要解决(图4)。比如,需要建造长数百米~1公里的宇宙天线。在太空建造如此巨大的结构体可以说是史无前例。此前人类在宇宙中建造的最大构造体是国际空间站(ISS),它也只有73米×108.5米×20米左右。需要开发结构设计及材料等方面的新技术。此外,安全性和建造时的运输成本也是大问题。不少人尤其担心宇宙光伏发电使用的微波的安全性。

微波的安全性大多根据单位面积的能量密度(mW/cm2)来衡量。生物安全标准为1mW/cm2。宇宙光伏发电使用数公里×数公里的超大型整流天线接收微波,所以可在接收部附近降低能量密度,使其减小至不会对生物体带来影响的范围。但是,这种安全性以“理论上可以实现”为前提,吉瓦级大规模系统发生意外情况的风险并非为零。

如果宇宙天线的电波束失控,导致部分地方能量密度非常高的话,将会出现什么情况?另外,飞机仪表及电子设备等就连受到能量密度极小的(μW/cm2)手机电波干扰,也有可能出现误动作。如果碰到能量密度很高的电波,这些设备会没有问题吗?这是稍有不当就有可能转变成军事武器的系统,所以更需要采取万无一失的安全措施。而且,成本方面,“建造成本是否真的能够与最初的推算吻合”以及“能否取得与建设成本相符的收益”等,还需要从多个侧面进行验证。(日经技术在线! 供稿) 

(责任编辑:值班编辑、庄红韬)

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