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宇宙光伏发电系统如上图所示,大致分三个阶段。
首先是设置在宇宙空间的卫星利用太阳能发电,将电能转换成微波或者激光。这是第一阶段。接下来是准确向地面输送电波。最后利用地面的天线接收电波,重新复原成电能。
其中最大的课题是卫星。使用过去研发的主流——微波作为供电方式时,设置在宇宙空间的发电卫星的成本非常高昂。
利用宇宙太阳能生产1座核电站的发电量,即100万千瓦,必须在宇宙空间内,铺设约2公里见方的太阳能电池。如果达不到这样的面积,从宇宙空间到地面,在3.6万公里的供电过程中,电波将会扩散。使用上面提到的太阳能电池时,在地面上也需要设置直径约为4公里的受电天线。
由于需要的卫星体型巨大,发射成本自然也是巨大。
以发电量为100万千瓦计算,资材的重量约为1.5万吨。即使每次能够发射50吨,也要发射300次。因此,资材的运输不能使用一次性火箭,必须将航天飞机等可以重复使用的太空飞机实用化。在此前提下估算,整体的成本至少需要1~2万亿日元以上,“考虑到利润,以现在的技术还难以实现”(JAXA工作人员)。
供电方式不只是手机等使用的微波。JAXA还考虑采用波长仅为微波约5万分之1的激光。
微波可以不受天气影响进行供电,但如上所述,微波存在导致负责供电的卫星和负责受电的天线大型化的问题。另一方面,激光虽然能实现装置的小型化,但容易受到云和雨的遮挡,无法充分发挥宇宙太阳能的优势。而且,如果天线受电不准确,还有可能危害人体健康。二者都各有长短。
除此之外,包括如何确保设置受电天线的大片用地、如何取得宇宙光伏发电使用的电波波段在内,课题还有很多。
考虑到这些情况,美国决定冻结计划。那么,日本为什么还在坚持研究呢?
这从2015年3月在兵库县内进行的验证实验可以一探究竟。
JAXA、推进机构、三菱电机等,开展了将电能转换成微波,向54m开外的受电天线发送的实验,得到的电能超过了预期。
54m与3.6万公里似乎相去甚远,但推进机构的中村说:“只要建立起根据受电部的天线发出的信号,准确输送电波的技术,就能提高转换效率,延长传输距离。”
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