【宇宙开发民营化】(四)宇宙光伏发电，能源从天而降

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目前，世界各国都在推进大型光伏发电设施计划。这种设施通过设置数万块太阳能面板，来达到百万瓦级发电规模。在宇宙扩大设施规模的研究也在推进之中。“宇宙光伏发电系统”可在宇宙中进行光伏发电，并将电力输送至地面（图1）。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）计划最早于2017年度发射具有2kW发电能力的实证卫星。

图1 宇宙光伏发电系统示意图在地球轨道上设置太阳能面板等装置，利用微波或激光向地面输送能量。（图：JAXA）

在太空中，太阳光不会像在地球上那样因大气吸收而减弱，也不会受到天气的影响。而且，如果将光伏发电系统设置在日照时间最长的静止轨道上，就基本不会转到地球阴影里，可以持续不断发电了。发电量也可达到地面的5～10倍。

宇宙光伏发电系统是1968年美国的彼得·格拉泽（Peter Glaser）提出的概念，日本于1990年代初期在宇宙科学研究所（现JAXA）的主导下组建了研究小组。目前，JAXA与经济产业省下属的宇宙系统开发利用推进机构（J-spacesystems）正致力于无线电力传输及卫星技术的开发。日本政府在2009年制定的“宇宙基本计划”中，提出了力争在今后10年内使其走上实用化道路的目标。

利用5.8GHz频带电波传输电力

宇宙光伏发电系统大致分为两类，分别是以微波传送太阳能的方式和以激光传送的方式。前者以微波传送太阳能面板提供的电力。而后者利用太阳光激发激光，然后向地面传送，通过向海水中的光催化剂照射这种激光等方法，生成燃料电池的燃料——氢气。尽管尚不清楚哪种方式会成为主流，但研究历史较长的微波方式目前在试验等方面处于领先地位。

采用微波方式的宇宙光伏发电系统的大致原理如图2所示。整个系统由太阳能面板和三个子系统构成。分别为（1）微波发生系统、（2）发送天线（宇宙天线）、（3）微波接收天线与电力转换系统（整流天线）。微波频率考虑使用5.8GHz频带。

图2 微波方式宇宙光伏发电系统的大致原理

利用微波发生器将太阳能电池的直流电转换成微波之后发送出去，通过整流电路将地面接收的微波重新转换成直流电。发送微波时，从接收端发送指示信号来通知准确的位置。

首先，将太阳能面板提供的直流电转换成微波。被人们看好的微波发生器是一种电子管即磁控管。这是因为其构造简单，可以输出高效率微波。而且，宇宙天线可利用放大器将发生器产生的微波传送至天线。放大器考虑使用可高频运行的GaAs类元件、GaN类元件及SiC类元件等。