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建造宇宙太阳能发电站

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

  所谓宇宙太阳能发电站是指在宇宙空间进行大规模的太阳能发电,然后通过无线电波将电力输送到地面。此系统如果建成,人类将会获得取之不尽的绿色能源。
  1990年,日本政府在休斯顿举行的各国政府首脑会议上提出了“地球新生计划”,该计划列出了今后100年可使地球环境新生的战略技术,这就是核聚变和宇宙太阳能发电。
  所谓太阳能发电就是利用半导体将光能直接转换成电能的发电方法,利用当前的技术可将10%的光能转换成电能。为使发电过程不排放对人体有害的氮氧化物等气体、放射性废弃物及造成地球变暖的二氧化碳,人们期待着开发绿色发电技术。依靠太阳光发电不仅能满足人类活动所需的大部分能源,而且能对地球环境问题的解决做出重大贡献。
  但是,在地面上每平方米仅能获得约1千瓦的电力,而且太阳能的利用还要受天气因素的影响。为了弥补这一不足,有人曾提出在日照充足的沙漠地带建造大规模太阳光发电站的设想,但在地面上夜间不能发电。
  利用阳光发电的最好方法是不断地用太阳能在宇宙空间发电。1968年,美国人格雷齐尔提出了建造宇宙太阳能发电卫星的设想。他提出将卫星发射到静止轨道,然后利用微波将太阳电池获得的电力送到地面,这样人类便可获得无限的绿色能源。
  静止轨道就是位于赤道上空36000公里的圆形轨道。静止轨道上的卫星与地球的自转周期是一致的,即每日自转1周,所以从地面上看卫星总是处在同一位置上。而且静止轨道上的太阳光强度为地面上的大约14倍。除日食期间外,可以不分昼夜、不分季节和不管天气好坏进行发电,因此,在宇宙空间太阳能的利用率约是地面上利用率的10倍。
  宇宙空间发电所得的电力用微波送往地面。送电用的微波是光波(即电磁波)的一种,属于卫星广播、微波炉、移动电话使用的波长范围。
  
  
  
  满足美国的总电力需求
  
  经历了70年代的石油危机后,美国能源部与美国航空航天局合作,自1976年开始实施宇宙太阳能发电的研究,其研究内容有,假定21世纪之初美国所需的3亿千瓦电力全部由宇宙太阳能发电提供的话,会对环境、经济、社会等方面产生什么样的影响,同时还要将宇宙太阳能与火力、核能、核聚变等其他发电方法进行比较。
  当时研究的发电卫星叫做“参考系统”,一颗卫星就是一个5公里×10公里的庞然大物,如果把它发射到静止轨道上,可发电500万千瓦。按每颗卫星总重量50000吨计算,每年发射2颗,在30年内计划总计要发射60颗卫星。
  研究人员经过对用微波送电对地球环境的影响、能效等多方面考察,最终得出了应推进阳光发电卫星研究这一结论。但由于难以预测的巨大建造成本等问题,这项研究于1980年终止。
  这一结果,使得世界各国对宇宙太阳发电的兴趣急剧降温。但是,随着近年来地球环境问题的日益严重,对宇宙太阳发电的认识又有所改变,自80年代后期开始重新掀起了宇宙太阳发电热。在日本,1987年由国家公立大学和研究所的研究人员组成了文部省宇宙科学研究所“太阳发电卫星研究小组”。日本政府又于1990年成立了“SPS2000”宇宙太阳发电系统实用化研究小组,该小组的研究一直持续至今。1997年又成立了既有理学、工学,又有法学和经济学方面人士参加的“太阳发电卫星研究会”。目前该研究会的事务局设在东京大学,正在从事研究信息的交换及对外信息的提供。1998年日本科技厅成立了宇宙太阳发电研究委员会,专门研究其安全性及经济性问题。最近美国航天局重新开始了对宇宙太阳发电的研究,虽然对其成本问题尚未进行研究,但1998年后将会大幅增加研究经费,而且研究的进度将会加快。
  
  日本的SPS2000计划
  
  所谓SPS2000是指最迟到2000年在围绕地球的轨道上组建输出10000千瓦的太阳能发电卫星,首先把发射轨道定在赤道上空1100公里处,供电范围定在赤道附近的一些国家。该计划规定
  :1)发电卫星将成为与地面发电厂的成本可以竞争的发电站;2)发电卫星建成后,它将发展为更大规模的发电系统。
  迄今为止,由于SPS2000尚未列入正式的国家研究计划之中,因此,2000年就不能实现发射。但在以现有的技术设计的宇宙太阳发电系统中,SPS2000是目前世界上唯一的宇宙太阳发电系统。
  在SPS2000中所设计的太阳发电卫星是一个边长为336米的正三角棱柱体,柱的全长为303米,总重量为240吨,在棱柱体两个面上镶有太阳电池板,剩下的一面装设有发送微波的天线。卫星的骨架由铝管组成,骨架用机器人和自动组装机进行组装。卫星建成后由机器人进行保养,由于采用的是1100公里的低轨道,所以发出的电力仅够日本使用,但赤道附近的国家每天约有12次接收电力的机会。
  太阳电池使用的是薄片状非晶硅太阳电池。非晶硅太阳电池的特点是重量轻、柔软性好、成本低、易批量生产。现在日本原子能研究所正在给这种非晶硅电池照射相当于宇宙空间30年所承受的电子射线、质子射线、离子束及紫外线,以研究其老化的程度。
  太阳电池发的电被转换成微波后送往地面。以现在的技术,如果将100瓦的直流电转换成微波,要损失30%的能量。目前所制定的目标是将转换效率提高到75%。
  送电效率约50%
  在地面上接收微波需架设接收天线,接收天线可将卫星传送来的70%的微波转换成电能。因此在SPS2000计划中,太阳电池板发电的50%在地面上可得以利用。
  微波送电时,受电设施需向卫星发射诱导信号,这样卫星便可向受电设施传送微波。一个地方的受电设施每2小时可接收到约230秒的微波。要想用微波接收全部电力需架设直径2公里的接收天线。这种规模大小的受电设施所得到的电力,可连续提供约250千瓦的电力。在日本,250千瓦是300个家庭的用电量

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