硅业在线赢硅网10月24日讯 现在，以日本宇宙航空研发机构(JAXA)为中心，产学官在合作研发“空间太阳能发电系统(SSPS=Space Solar Power Systems)”。其目标是实现这一系统，用空间技术为能源领域做贡献。JAXA研发本部未踏技术研究中心研究员上土井大助接受了记者采访。
“这是一项宏伟的计划，实现之路的确很漫长。但如果放弃就一切都完了。我们现在只有坚韧不拔地朝着梦想一步步前进。”
日本宇宙航空研发机构(JAXA)研发本部未踏技术研究中心研究员上土井大助坚定地说道。
现在，上土井等人正在着手开发“空间太阳能发电系统”。如果实现，这种系统有望成为承担未来能源供应重任的基础设施。因此，日本内阁会议2014年4月通过的《能源基本计划》和内阁宇宙开发战略本部2013年1月通过的《宇宙基本计划》都将其列入其中，并作为国策在推进实施。
日本处在世界顶尖水平
空间太阳能发电系统，顾名思义是指在宇宙空间进行太阳能发电，把所发电力转换成微波和激光以无线方式传送至地面，在地面接收并转换成电能使用的发电系统。
虽然听上去像是科幻电影的情节，但实际上，空间太阳能发电的历史悠久，可以追溯到1968年。最早由美国的航天工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出。无线传输能源的原理已经得到验证，日本如今是这一领域的领头羊。
宇宙空间不同于地面，不分白天和黑夜，也不受天气情况的影响，尽管是自然能源也可24小时发电。而且，宇宙没有空气，没有光的散射和吸收。因此，太阳能电池板接收到的阳光的光能是地面的5～10倍以上。
考虑到未来的技术发展，并估算从太空传输到地面时会发生的能量转换损耗约为50%时，则太阳能电池板单位面积的发电量还可为地面的2.5～5倍。而且，2011年3月11日的东日本大地震发生后，空间太阳能发电作为能够取代核电、火力发电成为基础电源的自然能源，在日本的关注度陡增。
上土井意气风发地说：“现在，全世界只有日本把开发空间太阳能发电系统作为国策，制定计划并由产学官联合进行研发。美国政府等因为财政问题和政策方针等原因，国家并没有开展具有连续性的研究。因此，日本在空间太阳能发电系统领域的技术水平被认为在全世界首屈一指。身为一名空间太阳能发电系统的研究者，我相信自己从事的是能够为解决人类的能源问题做出贡献的有意义的研究，希望我们能够领先世界，早日实现这一系统。”
他的梦想是实现空间太阳能发电系统，利用空间技术为能源领域做出贡献。
志向虽然远大，但要克服的课题堆积如山。“课题的确不少”，一番开场白过后，上土井道出了JAXA在研发过程碰到的三大技术课题。第一个是“微波无线能源传输技术”，第二个是“激光无线能源传输技术”，第三个是“大型结构体组装技术”。
正在研发的基础技术大致分为三项
在介绍这些技术的内容和课题之前，首先来看空间太阳能发电系统的整体结构。
系统由设置在宇宙空间的空间太阳能发电卫星与设置在地面的接收设备两部分组成。
空间太阳能发电卫星配备太阳能电池板、把太阳能电池板所发直流电转换成微波和激光的装置，以及向地面传送的装置三种装置。
而地面的接收设备上，设有将微波和激光转换为直流电的装置和电力转换机。通过该转换机直流电再转换成交流电，传送到现有的商用电力网。
JAXA从1998年正式开始研究空间太阳能发电系统。最初，研究的核心人物是京都大学名誉教授、现任该校校长的松本纮与已经去世的前宇宙科学研究所(2003年并入JAXA)教授长友信人，他们于1980年代从美国带回了空间太阳能发电系统的概念。
迄今为止，以美国为中心，世界各地虽已提出了几十种空间太阳能发电系统方案，JAXA也用10多年的时间进行了实用系统的设计和研究。
JAXA目前仍未确定是使用微波还是使用激光从宇宙向地面传送电力。原因是二者各有短长。正在考虑按照用途区别使用。因此，JAXA正在平行研发两种能源传输技术，计划在2014年度末之前开展地面验证实验。
首先来看第一项基础技术“微波无线能源传输技术”，这究竟是一种什么样的技术?
变化的发射天线面
微波是指具有从1mm到1m间的短波长的电磁波。这种电磁波广泛应用于日常生活中的微波炉、手机和无线LAN，还有宇宙空间中的气象卫星、地球观测卫星、通信卫星、广播电视卫星的通信等，其实就在身边，与我们的生活息息相关。并且，虽然不是微波方式，但通过电磁感应方式、磁共振方式无线传输能源的技术已经确立并投入了实用。例如为手机、纯电动汽车的蓄电池非接触充电的“无线供电”。但传输的距离有限。
那么，空间太阳能发电系统使用微波无线传输能源的优点是什么?
首先是波长短，与波长长的电波相比，相对不容易扩散。从高度为3.6万km的地球静止轨道向接收天线传送能源时，需要的接收天线的面积小于波长长的电波，能够降低设备的建设成本。
其次是能够穿透云层。在下雨和阴天的时候，只要选择最佳的频率，就能几乎杜绝能源传输的损失。
但微波也存在缺点。即便是微波，随着距离的增加，电波的扩散也会增大。微波的扩散与发射天线的大小成反比。因此，为了尽可能缩小接收天线的直径，避免传输能源出现损耗，反而需要扩大发射天线的直径。
微波无线能源传输技术开发上最大的难题，是控制微波束的方向，使能源准确传送到接收天线。
上土井说：“激光也是如此，这是实现空间太阳能发电系统的一大课题。”
降低这个问题难度的一个办法是，把空间太阳能发电卫星送入高度为3.6万km的地球静止轨道。地球静止轨道是永远与地球上的1点保持相同角度的轨道。因从地面看上去如同静止一般而得名。如果从空间太阳能发电卫星向地球上固定的位置传送微波，地球静止轨道是最佳选择。
然而，发射天线的尺寸增大后，天线面会变形，在构造上无法完全保持平面，从而使微波束的方向发生错位。因此对微波束方向的控制就是必须的技术。
关于波束方向控制的困难程度，有这样一个比喻：如果接收天线的直径为几公里，从3.6万km高空的地球静止轨道瞄准天线，就像是从东京瞄准立在名古屋的直径约为9m的圆靶。用角度来说，微波束方向的偏差要控制在0.001度的范围之内，需要精度极高的方向控制技术。
为此，JAXA正在研发这样的微波相位控制技术：从接收天线向空间太阳能发电卫星发射用于引导的导频信号，高精度检测收到信号的方向，并向该方向发射微波束。
使用这种技术可以使微波束准确对准接收天线的方向。并且，若事先设定了使微波在引导用导频信号停止后不再汇聚，则即使出现意外情况导致微波的方向大幅偏离接收天线的位置，也可以保证安全性。此时，微波将呈现发散状，不汇聚成束。
除此之外，JAXA还在考虑并用可修正发射天线模块之间的位置、方向偏差的相位控制，以使地面的接收功率达到最大。
“烤鸟问题”要不要紧?
另一方面，大家或许会好奇，空间太阳能发电卫星发射的微波如果直接击中天上的飞机和飞禽，会不会出现危害?
上土井解释说：“这就是‘烤鸟问题’，即人们担心的穿越微波束的鸟会不会烤熟而落到地上的问题。对于实用系统，我们计划把发射到地面的微波的能量密度控制在与阳光的能量密度相同的水平，不会对飞机和飞禽造成影响。”
但按照国际标准，人体允许的微波辐射水平为每m210W。因此，设置接收设备的区域需禁止人员进入。
JAXA预定与(财)宇宙系统开发利用推进机构(简称：J-spacesystems)合作，于2014年度之前，在地面上设置间距约为50m的发射装置和接收装置，开展从发射装置发射1.6kW左右的微波，控制微波束的方向，使其抵达接收装置并转换成电力的实验，目前正在进行相关准备。
上土井说：“日本和美国过去也曾经开展过发射微波并转换成电力的实验。但使用半导体生成功率高达1.6kW的微波束，高精度控制方向传送能源的实验在全世界尚属首次，这是实现空间太阳能发电系统必不可少的一步。微波无线能源传送技术是日本领先的技术，我们一定要令其成功。”
2014年将成为里程碑
接下来看第二项基础技术“激光无线能源传输技术”。
使用激光的优势在于波长比微波更短，与微波相比，收发装置可以实现小型化。因为波长越短，波束就可越细，所以可以缩小发射天线与接收天线的直径。因此能够大幅削减建设成本。
但激光的弱点是会在云、雨、空气、灰尘的作用下急剧衰减。能源传输送时的损失大于微波。
而且对于波束方向控制精度的要求比微波高100倍左右。如果说微波是从东京瞄准名古屋的直径约为9m的靶子，那么，激光瞄准的则是直径约为9cm的靶子。而且，与微波相比，激光的波束越细，能量集中的面积越小。因此，接收装置附近需要更加严格的安全管理。
现在，JAXA准备做以高精度的方向控制，从高度约为200m的塔上，向地面的接收装置传输500W功率激光的实验，目前正在进行准备。这项实验也计划在2014年度内实施。
上土井说：“我们还预定通过这项实验，确认大气湍流对于激光的影响等。在2014年度，微波、激光都将开展大型实验，对空间太阳能发电系统的研究来说，将会是一个重要的里程碑。”
最后是第三项基础技术“大型结构体组装技术”。
为了让空间太阳能发电系统拥有相当于1座核电站的1GW的发电能力，必须要在宇宙空间构筑并配置几公里见方、重达几万吨的巨型太阳能电池板和发射天线，组成空间太阳能发电卫星。
在宇宙空间构筑几公里见方的大型结构体
巨型载人实验设施“国际空间站(ISS)”从1998年开始在约400km高空的轨道上进行组装，虽说是巨型，但建成时的尺寸只有大约108m×73m，体积约为1200m3，重量约为419吨。而且，空间站所在的近地轨道的高度只有地球静止轨道的百分之一左右。与之相对比，也就不难想像配置大规模空间太阳能发电卫星的艰巨程度。
上土井说：“国际空间站是通过40多次发射，把大量的构件运往太空，由航天员通过操作机械臂、进行舱外活动，在轨道上慢慢组装的。而空间太阳能发电卫星必须在地球静止轨道上构筑面积达到数km见方的太阳能电池板和发射天线。这样的工程根本无法单纯依靠人工。因此，我们现在正在研发组装装置和依靠机器人的无人组装技术。”
JAXA当前的目标是研发出100m规模结构体的无人组装技术。从2010年度开始，研发的重点放在了展开桁架组装技术上。
这种技术，是将发射上去时为折叠状态的桁架结构体，使用专门的组装装置在轨道上自动展开并组合起来，将平板状结构体以无人方式组装。太阳电池板和发射天线都将设置在结构体上。
2012年度，JAXA曾进行了展开桁架结构体的自动展开、组合功能的地面验证实验，取得了良好的成果。
虽如此，但组装中形态维持、姿态和轨道控制、热变形补偿等等，今后需要解决的课题还有很多。
“宇宙空间大型宇宙结构体的无人组装技术是一项前所未有的技术，非常具有挑战性。只要掌握了这项技术，就能大幅拓展太空任务的可能性，我们在研究之中感受到了巨大的成就感”，说到这里，上土井的眼中闪烁着光芒。
上土井接着说道，“其实还有一个堪称最大的课题”。那就是如何以低成本将如此巨大的结构体构件送入地球静止轨道。
运输是最大课题
向宇宙空间运输大量构件需要多次发射。过去使用的一次性火箭不仅时间上跟不上需求，成本也十分庞大。
空间太阳能发电系统要想在一定程度上满足世界规模的能源需求，需要发射数百颗空间太阳能发电卫星。就算加快制造速度，1年制造1颗，但1年必须运输的构件多达几万吨。这就需要采用可以重复利用的大型航天运输机。
上土井说：“就像前面介绍的一样，实现空间太阳能发电系统估计还需要相当长的时间。因此，为了使研发的成果回报社会，我们从较早阶段，就在同步研究能够小规模投入实用的任务和基础技术的分拆任务。”
在研发空间太阳能发电系统的过程中得到的基础技术同样可以应用于其他领域。比方说，使用微波和激光的无线能源传输技术如果应用于地面间传输，或许可以置换部分供电电缆。而大型结构体组装技术估计也将成为未来宇宙开发的推动力。
最后，上土井坚定地表示：
“通往空间太阳能发电系统的道路还有着重重阻碍，但我们相信，我们要做的是一点点地推进研究开发的进展，我们为此将不懈地努力。空间太阳能发电系统如果实现，不仅有可能成为承担未来能源供应重任的基础设施，还有可能使日本成为能源出口国。虽然不知道需要30年还是40年，但我们会把眼光放远，力争早日实现这一目标”。
特别声明：
本网(站)及其相关载体所载(述)资讯、信息、数据、观点，特别是涉及到的有关分析、评判内容等，仅代表作者或发布者的个人观点或意见，且受时效性和区域性等诸因素的限制和制约，与硅业在线赢硅网的立场和观点无关。本网(站)因能力所限对上述内容的真实性、完整性、及时性以及可靠性未做证实，所载内容不应成为任何交易和评判的依据和条件，请读者自行决定并参考使用，对由此产生的任何权益和相关责任，全部由读者自行承担。
联系我们：
编辑：邢晓宇 电话：010-82070650-382 传真：010-82070690 邮箱：xingxy@windosi.com
责任编辑：王朝荣 电话：010-82070650-363 传真：010-82070690 邮箱：wangcr@windosi.com
建议与投诉：gm@windosi.com 或 gm@sinosi.org
欢迎并恭候您的垂询!
