免再發生核災難要減少核能，需開發新能源 - 太空太陽能

你檡楷 · 發表於 2011-3-22 01:10:33

本帖最後由你檡楷於 2011-3-22 01:15 編輯

太空太陽能發電

在太空建設大型的太陽能發電廠, 再用2.45GHz微波傳回地面 ??

這個多年來的構想已靜悄悄地在日本人手中加以實用化並積極在研究中了

其實日本政府於1990年在侯斯頓國際高峰會議中提出「地球再造計畫」，此計畫是以100年的時間再造地球環境的技術方案，其中包括了可能成為下一代重要能源技術的核聚變與太空太陽能發電。此兩項技術希望可以在21世紀中期實現，以下將介紹其中之一的太空太陽能發電的研究情形。

太陽能發電的應用

太陽能發電是利用半導體將光能直接轉換為電能的發電方式，目前的技術已經可將10%左右的光能轉換為電能。由於此發電方式不會產生氮氧化物等以及對人體有害的氣體和輻射性廢棄物，又不會產生造成地球溫室效應成因的二氧化碳，因此稱為「清淨發電技術」而備受矚目。如果能以太陽能發電的電能供應人類活動所需的大部分能量，對整個地球的環保問題將有莫大貢獻。

但在地表可以獲得的太陽能僅是每平方公尺大約l千瓦，並且具有會受氣候影響的缺點，為了避開這個缺點，才有在日照豐富的沙漠地區實施大規模太陽能發電的構想，不過只要是在地面，夜間就無法發電。

實施太陽能發電最終的方法是在不斷能接受太陽光能的地方 ---- 太空空間中發電。美國人Peter Haresa於1968年提出太空太陽能發電衛星的構想，他認為設置同步衛星，利用太陽能電池獲得的電能，可以利用微波送回地球，人類就可取得無限的清淨能源。

同步軌道是位在赤道上方3萬6000公里的圓形軌道，配置在同步軌道上的人造衛星可以配合地球的自轉週期，每天環繞地球一次，因此在地表上任何時間都可以看到此種衛星駐留在同一個位置。而且同步軌道上的太陽光強度是地表上的1.4倍左右，除了進入地球影子而無法發電的「黑暗」期間之外，不受日夜不同、氣候或季節的影響而能持續發電，因此在太空中能利用的太陽能是地表上的10倍之多。在同步軌道上，以春分與秋分為中心前後大約 45 天之間，每天會出現最長 72 分鐘的「黑暗」現象，因此「見不到太陽」的總合時間是每年總時間的 l% 以下。

在太空中發出的電能是以微波送回地表，用來送電的微波是電磁波的一種，其波長與一般用於人造衛星轉播、微波爐、流動電話等設施的波長相同。

供應美國全部電力需求

經l970年代的能源危機之後，美國政府能源部為了因應將來的能源危機，於1976年與美國航空暨太空總署(NASA)合作，開始研究太空太陽能發電。此計畫的目的是假定21世紀初的美國全部電力需要量為3億千瓦，又假定以太空太陽能發電能完全滿足此需求的情況下，討論對環境、經濟和社會可能產生的問題，並與火力、核能、核聚變等其他能源技術相比較。

此時研究的發電衛星稱為「參考系統」(reference system)，每顆衛星具有5公里乘10公里的龐大體型，將體積如此巨大的衛星送上同步軌道，即可進行500萬千瓦的發電能力。每顆衛星的總重量可能達5萬噸左右，並預定每年送上2顆，在30年之間則計畫總共可送出60顆。

經廣泛研究之後，獲得實施此計畫並無嚴重技術問題的結論，此外也檢討了以微波的送電方式對地球環境的影響和綜合性能源效率，並得到了應該推動太陽能發電衛星的研究開發工作的結論。但是後來能源危機解除，又因為無法精確地預估龐大的建造費用，而於1980年中止了此項研究。

因此，其他各國也迅速失去了對發展太空太陽能發電的興趣，但是最近在全球環保聲浪日漸升高的狀況下，太空太陽能發電又重新受到大家的重硯，於是在1980年代後半再度展開此方面的研究。

在日本，公立大學和研究所的研究人員於1987年在文部省宇宙科學研究所組織了「太陽能發電衛星工作組」，日本政府於1990年在「地球再造計畫」中提出了太空太陽能發電計畫，同年在太陽能發電衛星工作群中成立了研究太空太陽能發電系統實用化的小組「SPS2000」，此小組至今依然持續進行衛星設計的研究等工作。

1997年，日本也成立了不僅包含理工系列，連經濟學等更多領域的研究人員也參與其中的「太陽能發電衛星研究會議」，目前該研究會議的事務機構設在東京大學，主要是執行研究資料的交換、對外提供資料等工作。1998年，在科學技術廳下設置了太空太陽能發電檢討委員會，以安全性和經濟性為中心來討論實行的相關可能性。

最近，美國NASA也重新開始研究太空太陽能發電，眼前尚屬於末仔細考慮成本等可行性的調查研究階段，但1998年獲得同意將研究預算大幅增加，由此推測芙國住後將有再度加速研究的可能。

你檡楷 · 發表於 2011-3-22 01:11:32

日本的SPS2000計畫
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%。

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。

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。

你檡楷 · 發表於 2011-3-22 01:12:15

太空太陽能發電的實用化可推動太空旅行時代的來臨
目前，環繞地球低軌道的升空成本大約是每公斤100萬日圓，依照現在的SPS2000計畫，其總重量是240噸，升空費用需要大約2400億日圓。

根據日本科學技術廳於1996年以各領域專家4000人為對象進行的「第6次技術預測調查」，很多人認為到了2014年，利用火箭升空的太空輸送費用將會下降到現在的10分之l以下。

如果升空費用大幅降價，將會產生多種需求，例如也許太空旅行可以商業化。每公斤的升空成本如果降到2萬~3萬日圓，即可將體重60公斤的人以120萬~180萬日圓左右的費用送上太空。到了此價位水平之後，應該會出現相當程度的需求，需求越增加，還可再壓低成本。太空太陽能發電的實用化或許可以與太空旅行的商業化同時實現。到時成隻北極熊(淮山杞子)送上太空都可能三百蚊有找(一笑)。

日本宇宙科學研究所以建立低成本的未來型太空輸送系統為目標，正在進行可以重覆使用的火箭實驗機的基礎研究，並於1998年完成測試機的引擎燃燒實驗，且於1999年春季進行了飛行實驗。

太空太陽能發電系統是否有用?

對於太空太陽能發電的實現，也需要綜合性評估其能量收支，需要多久才能回收由人造衛星零件的製造、升空，到製造受電設施等的耗用能量回收時間 (energy pay back time) ，必須綜合性地詳細評估其能量收支。

此外，也要綜合評估造成地球溫暖化成因的二氧化碳排放問題。1996年，日本慶應義塾大學吉岡完沼教授等人將太陽能發電衛星的耐用年數假定約30年，以此來與火力、核能等其他發電方式比較二氧化碳的排放量。由其結果得知，太空太陽能發電系統每千瓦的二氧化碳排放量是17克，煤火力是1225克，石油火力是846克，液化天然氣火力是631克，核能是22克。在太空太陽能發電方面，在製造太陽能電池、火箭，以及升空時使用火箭燃料等狀況都會產生二氧化碳，上述數值已包含這些因素在內，顯示其二氧化碳排放量仍然少於核能發電。

1996~1997年，經慶應義塾大學產業研究所與東京大學尖端科學技術研究中心的共同研究知道，假定以太空太陽能發電來供應日本的總發電量時，排放的二氧化碳總量可以減少到大約30分之l。

21世紀中期將可進入太空太陽能發電時代

由於SPS2000尚未列入國家級的研究計畫，因此尚末開始製造衛星等各個系統部分，SPS2000研究小組也朝預定於2010年升空為實現目標推進。經由設計研究已了解到實用化所需的技術問題，但只有藉實際製造SPS2000並升空以獲得實際資料，才能判別太空太陽能發電系統是否真的是可行的技術。

為了迎接太空太陽能發電的時代，我們尚需以SPS2000之類的衛星運用10~15年來累積經驗，由此取得的實際資料即能成為太空太陽能發電是否造福人類社會的判斷資料。如果社會大眾同意接受，可於2040年前後發射更大規模的衛星，到了21世紀中期以後，將出現100萬千瓦甚至500萬千瓦程度的巨型太空太陽能發電廠。