日本的SPS2000計畫

受電裝置想像圖SPS2000計畫最遲也要於2000年達成在環繞地球軌道上開始建造輸出功率一萬千瓦的太陽能發電衛星的目的,此計畫是為了說明太空太陽能發電並非遙不可及的夢想,並為答覆「利用現有技術和火箭能實現何種程度的太陽能發衛星 ?」這個疑問而提出的。為此,其軌道設定在赤道上方1100公里處,可讓赤道一帶的開發中國家的居民成為首先使用此種電能的人類。另外的設計目標則有: (1)與地面上的發電廠發電成本比較,(2)開始營運時的發電衛星應該貝備擴充發電規模的機能。

SPS2000計畫尚未進入國家級研究計畫之列,因此無法於2000年實現升空的作業。但是這個計畫需要綜合性檢討的項目包括了從太空中的衛星到地面上的受電設施等,以目前的枝術水準來說是有可能實現的太空太陽能發電系統,為一項全球首創的研究。

依 SPS2000計畫所設計的太陽能發電衛星外型是以每邊336公尺的正三角架形成的三角柱,全長303公尺,總重量240公噸,三角柱的兩旁設置太陽能電池板,剩下的一面則設置向地表送出微波的天線。衛星的骨架是以鋁質管造成,可以利用機械人或自動安裝機來建造,安裝完成後的機械人可以執行系統保固的作業。由於軌道高度僅有1100公里,發出的電能無法供應到日本境內,但是赤道附近各國則每天大約有12次接收到電能的機會。

太陽能電池是使用薄板狀的「非晶質矽」(amorphous silicon)太陽能電池,此種電池的成本低,又能大量生產,重量輕而柔軟。使用於太空太陽能發電的太陽能電池,也同時必須具備抗宇宙射線能力高、易於保固、價廉並且容易大量生產等特性,依照以往的研究,已知地表上所使用的「非晶質矽」太陽能電池可滿足此等條件。目前利用日本核能研究所的設施,進行相當於能在太空中接受強度長達大約30年之電子射線、質子射線、離子束和紫外線等的照射,藉以了解其變質程度的研究。

經由太陽能電池發出的電能即利用微波送回地面,依照現今的技術,將100瓦的直流電能轉化成微波時,能量會降低到30%左右,因此現在的技術改進目標是希望能將轉化效率提到75%。

送電效率大約為50%
在地面上,需要設置能接收微波的「矽控整流二極體天線」(Rectenna),種天線可以將由人造衛星送回的微波能量的約70% 左右轉煥為電能。由此可知,我們能利用SPS2000太陽能電池板產生電能的大約50%。

ISY-METS火箭實驗接收微波時,先由受電裝置向人造衛星送出引導訊號,人造衛星即針對該受電裝置送出微波,每個受電裝置每2小時可接受1次約230秒鐘的微波傳送,欲完全接收全部的微波送電,需要直徑約2公里的矽控整流二極體天線。以此規模的受電裝置獲得的電能可以充電於蓄電池裡,即可連續並平均地使用250千瓦的電力。以日本人的標準來計算,250千瓦的電力可供應大約300戶的消費需求。SPS2000是計畫將受電裝置設置在赤道附近之尚未電氣化的村落,希望他們能夠有效地加以利用。

北緯3度到南緯3度之間的地區是SPS2000微波的受電可能區域,實際上已經在坦桑尼亞、巴西、印尼、巴布亞新幾內啞、厄瓜多爾、馬爾代夫、馬來西亞等國進行建造砂控整流二極體天線的預備調查工作,上列各國莫不表示對SPS2000計畫的關心,也都同意協助受電裝置的建造。

送回的微波所使用的頻率是2.45GHz,這個頻率是衛星廣播(大約12GHz)與地面上UHF廣播(大約5-700MHz)之間的頻率電磁波波長。送回地面上的最高能量密度為每平方公分一千分之一瓦的程度,可以滿足對2.45GHz的國際性安全標準。同樣使用2.45GHz的微波爐,法律規定由微波洩漏出來的微波在離微波爐表面5公分處的強度,必須保持在每平方公分一千分之五瓦以下。

目前我們尚不甚明瞭電磁波對人體、生態和地球環境的影響, 長期的衛星送電對環境會造成什麼影響是往後需要詳細研究的重要課題。

活用流動電話小型化技術

目前一般人造衛星的製造與建造成本,平均來說每噸需要大約100億日圓,以如此既有的太空技術來製造太陽能發電衛星時,推測重量240噸的SPS2000大概需要2兆日圓。此外據了解,1998年開始建造的國際太空站 ( ISS,International Space Station )總重量為460噸,需要270億美元(大約3兆日圓)。依照日本政府通商產業省的新能源暨產業技術綜合開發機構( NEDO ) 的估計,地面上的太陽能發電裝設成本於1996年下降到每千瓦大約150萬日圓。根據這個資料,在地面上建造與SPS2000同等輸出功率l萬千瓦的太陽能發電廠時,只需要大約150億日圓,這顯示利用既有的太空技術,直接運用於建造太陽能發電衛星是不符合成本效益的。

衛星骨架自動架設實驗因此,SPS2000針對利用地面上用的非晶質矽太陽能電池等,大膽採用與已往太空枝術不同的方式,希望藉此能將衛星的製造暨建造成本壓低到現在的100分之l以下。要降到100分之l以下的目標看來似乎很難達到,其實目前使用於人造衛星太陽能電池與地面用太陽能電池的成本差距就是100比l左右。

至於發電衛星其他的主要結構因素是如何將由太陽能電池產生的電能轉化為微波再送回地面的天線,以及人造衛星的骨架。SPS2000預定利用半導體元件來將電能轉化為微波,最近非常普及的流動電話對太陽能發電衛星的實現提供了絕佳的示範。流動電話也利用到微波,其小型化與低成本顯示出微波收發技術的快速進步。運用如此的技術革新,應該可以大幅減低SPS2000微波送電天線的成本。

為了降低在太空中的建造成本,必須開發出自動建造技術,研究小組正在進行只動用由太陽能發電所得的能量來自動建造SPS2000衛星骨架的實驗。

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