中国储能网讯：目前，世界各国都在推进大型光伏发电设施计划。这种设施通过设置数万块太阳能面板，来达到百万瓦级发电规模。在宇宙扩大设施规模的研究也在推进之中。“宇宙光伏发电系统”可在宇宙中进行光伏发电，并将电力输送至地面（图1）。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）计划最早于2017年度发射具有2kW发电能力的实证卫星。
图1 宇宙光伏发电系统示意图在地球轨道上设置太阳能面板等装置，利用微波或激光向地面输送能量。（图：JAXA）
在太空中，太阳光不会像在地球上那样因大气吸收而减弱，也不会受到天气的影响。而且，如果将光伏发电系统设置在日照时间最长的静止轨道上，就基本不会转到地球阴影里，可以持续不断发电了。发电量也可达到地面的5～10倍。
宇宙光伏发电系统是1968年美国的彼得·格拉泽（Peter Glaser）提出的概念，日本于1990年代初期在宇宙科学研究所（现JAXA）的主导下组建了研究小组。目前，JAXA与经济产业省下属的宇宙系统开发利用推进机构（J-spacesystems）正致力于无线电力传输及卫星技术的开发。日本政府在2009年制定的“宇宙基本计划”中，提出了力争在今后10年内使其走上实用化道路的目标。
利用5.8GHz频带电波传输电力
宇宙光伏发电系统大致分为两类，分别是以微波传送太阳能的方式和以激光传送的方式。前者以微波传送太阳能面板提供的电力。而后者利用太阳光激发激光，然后向地面传送，通过向海水中的光催化剂照射这种激光等方法，生成燃料电池的燃料——氢气。尽管尚不清楚哪种方式会成为主流，但研究历史较长的微波方式目前在试验等方面处于领先地位。
采用微波方式的宇宙光伏发电系统的大致原理如图2所示。整个系统由太阳能面板和三个子系统构成。分别为（1）微波发生系统、（2）发送天线（宇宙天线）、（3）微波接收天线与电力转换系统（整流天线）。微波频率考虑使用5.8GHz频带。
图2 微波方式宇宙光伏发电系统的大致原理
利用微波发生器将太阳能电池的直流电转换成微波之后发送出去，通过整流电路将地面接收的微波重新转换成直流电。发送微波时，从接收端发送指示信号来通知准确的位置。
首先，将太阳能面板提供的直流电转换成微波。被人们看好的微波发生器是一种电子管即磁控管。这是因为其构造简单，可以输出高效率微波。而且，宇宙天线可利用放大器将发生器产生的微波传送至天线。放大器考虑使用可高频运行的GaAs类元件、GaN类元件及SiC类元件等。
进行一般通信时，为了向更多的人发送信息，需要在大范围内发送低密度电波。但微波送电方式为了有效发送能量，需要将电波集中在地面目标（整流天线）上。因此，必须采用能够精密控制波束角的相控阵天线等技术。但这种天线的控制非常困难，因为是由小型天线构成，部材成本也很高。宇宙光伏发电系统必须设置几十亿个小型天线。因此，作为可减少天线数量的替代技术，最近业界正在考虑采用无线LAN等使用的MIMO（multipleinput multiple output）技术。
宇宙天线可向接到指示信号（用来通知整流天线位置）的地方照射电波束。在照射的电波束中，90％以上的微波会到达整流天线。整流天线利用二极管对这些微波进行整流，再利用滤波器进行平滑处理，然后转换成直流电流。
2030年后商用化？
从JAXA的开发蓝图来看，首先将在地面上进行数千瓦送电实验。然后，在距离地面400～500公里的低轨道上设置篇首提到的小型卫星式发电系统，评估大气等的影响及安全性。还将实施百万瓦级发电系统实验，并在国际空间站附近进行大型结构体组装技术实验。计划在2030年以后，作为商用系统，在距离地面3.6万公里的静止轨道上设置相当于一座核电站的1吉瓦（GW）规模发电系统（图3）。
宇宙光伏发电系统的诞生地美国也在推进实用化进程。2007年公布了由美国能源部（DOE）制定的开发计划方案，因2008年美国总统贝拉克·奥巴马推出了促进导入可再生能源的“绿色新政”，宇宙光伏发电进一步受到关注。2009年美国加利福尼亚州大型电力运营商PG＆E与美国风险企业Solaren签署合约，收购其构建的宇宙光伏发电系统提供的电力。计划从2016年开始收购15年。
研究微波送电技术的京都大学生存圈研究所教授篠原真毅表示：“前几天还接到了美国宇宙光伏发电系统风险企业的咨询。民间似乎也在积极行动。”
安全性能否确保万无一失
尽管宇宙光伏发电系统看到了实用化的曙光，但仍有很多问题需要解决（图4）。比如，需要建造长数百米～1公里的宇宙天线。在太空建造如此巨大的结构体可以说是史无前例。此前人类在宇宙中建造的最大构造体是国际空间站（ISS），它也只有73米×108.5米×20米左右。需要开发结构设计及材料等方面的新技术。此外，安全性和建造时的运输成本也是大问题。不少人尤其担心宇宙光伏发电使用的微波的安全性。
微波的安全性大多根据单位面积的能量密度（mW/cm2）来衡量。生物安全标准为1mW/cm2。宇宙光伏发电使用数公里×数公里的超大型整流天线接收微波，所以可在接收部附近降低能量密度，使其减小至不会对生物体带来影响的范围。但是，这种安全性以“理论上可以实现”为前提，吉瓦级大规模系统发生意外情况的风险并非为零。
如果宇宙天线的电波束失控，导致部分地方能量密度非常高的话，将会出现什么情况？另外，飞机仪表及电子设备等就连受到能量密度极小的（μW/cm2）手机电波干扰，也有可能出现误动作。如果碰到能量密度很高的电波，这些设备会没有问题吗？这是稍有不当就有可能转变成军事武器的系统，所以更需要采取万无一失的安全措施。而且，成本方面，“建造成本是否真的能够与最初的推算吻合”以及“能否取得与建设成本相符的收益”等，还需要从多个侧面进行验证。
