圖1 宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖
在地球軌道上設(shè)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(huì)像在地球上那樣因大氣吸收而減弱，也不會(huì)受到天氣的影響。而且，如果將光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置在日照時(shí)間最長(zhǎng)的靜止軌道上，就基本不會(huì)轉(zhuǎn)到地球陰影里，可以持續(xù)不斷發(fā)電了。發(fā)電量也可達(dá)到地面的5～10倍。
宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)是1968年美國(guó)的彼得·格拉澤（Peter Glaser）提出的概念，日本于1990年代初期在宇宙科學(xué)研究所（現(xiàn)為JAXA）的主導(dǎo)下組建了研究小組。目前，JAXA與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省下屬的宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)（J-spacesystems）正致力于無線電力傳輸及衛(wèi)星技術(shù)的開發(fā)。日本政府在2009年制定的“宇宙基本計(jì)劃”中，提出了力爭(zhēng)在今后10年內(nèi)使其走上實(shí)用化道路的目標(biāo)。
利用5.8GHz頻帶電波傳輸電力
宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)激光，然后向地面?zhèn)魉?，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(huì)成為主流，但研究歷史較長(zhǎng)的微波方式目前在試驗(yàn)等方面處于領(lǐng)先地位。
采用微波方式的宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)的大致原理如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由太陽能面板和三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。分別為（1）微波發(fā)生系統(tǒng)，（2）發(fā)送天線（宇宙天線），（3）微波接收天線與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（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(fā)電系統(tǒng)的大致原理
利用微波發(fā)生器將太陽能電池的直流電轉(zhuǎn)換成微波之后發(fā)送出去，通過整流電路將地面接收的微波重新轉(zhuǎn)換成直流電。發(fā)送微波時(shí)，從接收端發(fā)送指示信號(hào)來通知準(zhǔn)確的位置。
首先，將太陽能面板提供的直流電轉(zhuǎn)換成微波。被人們看好的微波發(fā)生器是一種電子管即磁控管。這是因?yàn)槠錁?gòu)造簡(jiǎn)單，可以輸出高效率微波。而且，宇宙天線可利用放大器將發(fā)生器產(chǎn)生的微波傳送至天線。放大器考慮使用可高頻運(yùn)行的GaAs類元件、GaN類元件及SiC類元件等。
宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)使用相控陣天線（Phased Array Antenna）向地面發(fā)送放大的微波。相控陣天線是氣象雷達(dá)及飛機(jī)雷達(dá)等采用的技術(shù)，將多個(gè)小型天線排列在一個(gè)平面上。其特點(diǎn)是，即便不通過機(jī)械方式改變天線的朝向，也能通過錯(cuò)開每個(gè)天線的電波相位，精密地控制無線電波的波束角。
進(jìn)行一般通信時(shí)，為了向更多的人發(fā)送信息，需要在大范圍內(nèi)發(fā)送低密度電波。但微波送電方式為了有效發(fā)送能量，需要將電波集中在地面目標(biāo)（整流天線）上。因此，必須采用能夠精密控制波束角的相控陣天線等技術(shù)。但這種天線的控制非常困難，因?yàn)槭怯尚⌒吞炀€構(gòu)成，部材成本也很高。宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)必須設(shè)置幾十億個(gè)小型天線。因此，作為可減少天線數(shù)量的替代技術(shù)，最近業(yè)界正在考慮采用無線LAN等使用的MIMO（multipleinput multiple output）技術(shù)。
宇宙天線可向接到指示信號(hào)（用來通知整流天線位置）的地方照射電波束。在照射的電波束中，90％以上的微波會(huì)到達(dá)整流天線。整流天線利用二極管對(duì)這些微波進(jìn)行整流，再利用濾波器進(jìn)行平滑處理，然后轉(zhuǎn)換成直流電流。
2030年后商用化？
從JAXA的開發(fā)藍(lán)圖來看，首先將在地面上進(jìn)行數(shù)kW送電實(shí)驗(yàn)。然后，在距離地面400km～500km的低軌道上設(shè)置篇首提到的小型衛(wèi)星式發(fā)電系統(tǒng)，評(píng)估大氣等的影響及安全性。還將實(shí)施MW級(jí)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，并在國(guó)際空間站附近進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)體組裝技術(shù)實(shí)驗(yàn)。計(jì)劃在2030年以后，作為商用系統(tǒng)，在距離地面3.6萬km的靜止軌道上設(shè)置相當(dāng)于一座核電站的1吉瓦（GW）規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)（圖3）。
圖3 JAXA的宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)想藍(lán)圖
通過地面實(shí)驗(yàn)確立基礎(chǔ)技術(shù)之后，反復(fù)在軌道上進(jìn)行驗(yàn)證，力爭(zhēng)2030年以后實(shí)現(xiàn)商用。（《日經(jīng)電子》根據(jù)JAXA的資料制圖，圖片全部來源于JAXA）
宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)的誕生地美國(guó)也在推進(jìn)實(shí)用化進(jìn)程。2007年公布了由美國(guó)能源部（DOE）制定的開發(fā)計(jì)劃方案，因2008年美國(guó)總統(tǒng)貝拉克·奧巴馬推出了促進(jìn)導(dǎo)入可再生能源的“綠色新政”，宇宙光伏發(fā)電進(jìn)一步受到關(guān)注。2009年美國(guó)加利福尼亞州大型電力運(yùn)營(yíng)商PG＆E與美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)Solaren簽署合約，收購(gòu)其構(gòu)建的宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的電力。計(jì)劃從2016年開始收購(gòu)15年。
研究微波送電技術(shù)的京都大學(xué)生存圈研究所教授篠原真毅表示，“前幾天還接到了美國(guó)宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)的咨詢。民間似乎也在積極行動(dòng)”。
安全性能否確保萬無一失
盡管宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)看到了實(shí)用化的曙光，但仍有很多問題需要解決（圖4）。比如，需要建造長(zhǎng)數(shù)百米～1km的宇宙天線。在太空建造如此巨大的結(jié)構(gòu)體可以說是史無前例 注1）。需要開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料等方面的新技術(shù)。此外，安全性和建造時(shí)的運(yùn)輸成本也是大問題。不少人尤其擔(dān)心宇宙光伏發(fā)電使用的微波的安全性。
注1）此前人類在宇宙中建造的最大構(gòu)造體是國(guó)際空間站（ISS），它也只有73m×108.5m×20m左右。
圖4 宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)的課題
其他還有太陽能電池的高效率化、防止宇宙輻射及垃圾的措施等很多課題。
微波的安全性大多根據(jù)單位面積的能量密度（mW/cm2）來衡量 注2）。宇宙光伏發(fā)電使用數(shù)km×數(shù)km的超大型整流天線接收微波，所以可在接收部附近降低能量密度，使其減小至不會(huì)對(duì)生物體帶來影響的范圍。但是，這種安全性以“理論上可以實(shí)現(xiàn)”為前提，GW級(jí)大規(guī)模系統(tǒng)發(fā)生意外情況的風(fēng)險(xiǎn)并非為零。
注2）生物安全標(biāo)準(zhǔn)為1mW/cm2。
如果宇宙天線的電波束失控，導(dǎo)致部分地方能量密度非常高的話，將會(huì)出現(xiàn)什么情況？另外，飛機(jī)儀表及電子設(shè)備等就連受到能量密度極小的（μW/cm2）手機(jī)電波干擾，也有可能出現(xiàn)誤動(dòng)作。如果碰到能量密度很高的電波，這些設(shè)備會(huì)沒有問題嗎？這是稍有不當(dāng)就有可能轉(zhuǎn)變成軍事武器的系統(tǒng)，所以更需要采取萬無一失的安全措施。而且，成本方面，“建造成本是否真的能夠與最初的推算吻合”以及“能否取得與建設(shè)成本相符的收益”等，還需要從多個(gè)側(cè)面進(jìn)行驗(yàn)證。
