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从宇宙向地面送电,科学家欲发射太阳能发电卫

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从宇宙向地面送电,科学家欲发射太阳能发电卫

日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和日本宇宙系统开发利用推进机构(J-spacesystems)于2015年3月8日在日本兵库县的三菱电机试验场实施了无线供受电系统实验,实验过程同时向媒体公开。太空光伏发电是指将在宇宙空间利用太阳能电池发的电通过微波方式输送到地面。因此,必须准确控制微波的发射方向。另外,在阳光照射面与非照射面存在摄氏100度以上温差的宇宙空间,需要防止天线热变形导致的供电效率下降。过去,地面上的无线供电实验使用抛物面天线进行供电,而用抛物面天线则难以补偿热变形。

美国科学家曾率先提出设想,认为利用太阳能发电技术在宇宙空间把太阳能转换为电能,然后把它转换为微波传输到地球上来,再把它转换为电能,这将永久性地解决人类的能源短缺问题。不久前,日本科学家就此在地面上进行了基础性实验并获得成功,证实这一梦想有可能变成现实。据报道,这一实验是由日本政府的宇宙开发事业团和京都大学宇宙电波科学研究中心联合进行的。实验装置是一个六角形结构的装置,由进行光电转换的太阳能电池betway必威登录,和微波发生器构成。研究人员以卤灯代替太阳,照射这具装置,安装在装置下面的发射天线就发出直径为20厘米的微波束,设置在地面的发光二极管在接收微波束之后就亮起来,从而证实了这一新的能源生产系统的有效性。宇宙太阳能发电技术的优点是:既能够彻底解决现有火力发电站排出二氧化碳等温室气体污染环境的问题,又可以避免地球上太阳能发电设备受天气和昼夜变化等的影响,从而高效率地生产清洁能源。日本经济产业省已设立一个专家委员会,在认真研究这一技术问题,并计划2020年前后把这一技术发展到实用化水平。

随着用电量的增加,对电力的需求也在提升,对于多种形式的发电种类要求也在提升。在这个水力,风力,火力,太阳能,潮汐能多方面利用的年代,地球上的能源获取方式已经无法满足科学家的野心了,人类已经把目光瞄准了外太空。

JAXA和J-spacesystems此次全球首次在供电和受电两方面都采用了由小型天线元件呈平面排列组成的相控阵天线。采用了利用受电方发出的引导信号,供电方以微波形式沿正确方向送回电力的形式。另外,有意错开由4块面板构成的供电天线各面板的安装位置,再现了发生热变形的状态,通过控制向天线发送的微波的相位,验证了即使存在热变形也可以防止供电效率下降的结果。

英国《每日邮报》报道,地球上的太阳能电池板存在一个巨大缺陷--发电效率低。为此,科学家提出打造太阳能发电卫星,利用部署在太空的太阳能电池板捕获太阳能量,而后以微波或者激光的形式将能量传回地球。目前,苏格兰斯特莱斯克莱德大学的研究人员已开始测试为太阳能发电卫星项目研发的设备。他们的目标是向太空发射大量发电卫星,形成一个卫星群,满足整座城市的用电需求。

相距55m供电340W

在太空部署大量太阳能电池板的想法已经被科学家深入讨论。根据苏格兰科学家的新研究,小规模的太阳能发电卫星群具有可行性。研究领导人、斯特莱斯克莱德大学机械与航空航天工程系的马西米利亚诺·瓦西勒博士表示:“太空是收集太阳能的理想之所,我们能够在一天中的任何时候捕获阳光,不用受天气限制。类似撒哈拉沙漠这样的地区虽然是建造太阳能发电站的理想之选,但在输电方面却面临相当难度。”

实验中,将供电天线和受电天线相隔约55m相向设置,利用5.8GHz的微波传输了电力(图1)。供电方的驱动电力是普通的200V三相交流电。受电方会产生50V直流电。此次实验中,演示了利用50V直流电通过逆变器转变成普通家庭使用的100V交流电,并利用这个电供业余无线电通信(图2)。

实施太阳能发电卫星项目需要在地面上建造一个接收站,负责接收微波或者激光束并将其转化成稳定的电能。在项目的最初阶段,太阳能发电卫星因规模很小,无法取代电网,但可以用于为灾区或者电网难于覆盖的偏远地区供电。随着项目的推进,发电卫星将以“卫星群”的形式出现,能够满足整座城市的用电需求。

betway必威登录 1图1:实验装置的概要。左侧文字标注,从左到右:微波供电天线、供电部分、飞船信号接收天线。右侧文字标注,从上到下:受电部分、光束方向控制装置(受电控制)。红色箭头:高功率微波5.8GHz频带。绿色箭头:飞船信号2.45GHz频带。

瓦西勒说:“我们的研究就是为了寻找消除一系列障碍的途径。借助于部署在太空的太阳能发电卫星,我们能够为难以到达的地区供电。卫星捕获的能量将以微波或者激光的形式传回地球上的特定地区。这是一种可靠而高效的发电方式。由于能够持续传输太阳能,因此免去了存储能量的需要。最初,太阳能发电卫星只能满足小村落的用电需求。我们的目标是在太空建造大规模卫星发电站,具备满足大城市用电需求的能力。”

betway必威登录 2图2:演示利用无线供电的电力进行通信当天由业余无线团体进行了演示。

4月,斯特莱斯克莱德大学的一组工程系学生进行了一项富有革新性的“太空网”实验。实验中,他们在北极圈发射一枚火箭,进入太空边缘后,火箭将他们研制的装置喷出,这个装置随后在太空释放出一张两米见方的网。这项实验名为“Suaineadh”,是朝着太空结构设计道路迈出的重要一步。实验结果表示可以在这种采用轻量化设计的太空网上建造大型结构,这等于为太阳能卫星发电项目进入下一阶段铺平了道路。

相控阵天线通过控制向构成天线的各元件发送的微波的相位,可以控制发射电波的方向。天线中央部分有收发其他用途2.45GHz微波的天线(图3~5)。首先,受电装置向供电装置发射引导用的2.45GHz微波。供电装置朝着2.45GHz微波到达的方向返回5.8GHz的供电微波。JAXA负责研究引导机构,J-Spacesystem负责研究无线供电机构。引导机构和供电装置由三菱电机制造,受电装置由IHI Aerospace公司制造。

瓦西勒说:“Suaineadh的成功允许我们进入太空太阳能发电项目的下一阶段。在这一阶段,我们将研究用于收集太阳能的反射镜。我们的‘SAM’(适应性自充气膜的英文首字母缩写)项目旨在测试超轻蜂窝结构,部署到太空之后可以改变形状。这一结构由大量蜂窝组件构成,能够在真空环境下利用纳米泵自行充气,改变容积。这一结构复制了天然蜂窝结构。蜂窝组件的独立控制允许我们将这一结构变成一个太阳能聚光器,用于捕获阳光,而后反射给太阳能电池板。通过往数千个单独的蜂窝组件聚集到一起,这一结构也可用于建造大型太空系统。”

betway必威登录 3betway必威登录 4图3:受电天线的外观(左)和引导用微波发送天线的放大图(右)在受电天线中央有发送引导用2.45GHz微波的天线。正在解说的是JAXA研究开发本部未踏技术研究中心尖端任务研发组长大桥一夫。

斯特莱斯克莱德大学的项目是美国宇航局先进概念研究所一项由Artemis Innovation公司的约翰·曼金斯博士领导的研究的组成部分。这是一项国际合作研究项目,由欧洲、美国、日本的研究人员参与,斯特莱斯克莱德大学便是欧洲的代表。日本的研究小组由神户大学的贺屋信行教授领导。在无线电力传输领域,神户大学是世界的领导者。NIAC的研究旨在验证大型太阳能发电卫星的新概念设计。斯特莱斯克莱德大学负责研发具有革新性的结构部件以及轨道控制的新方式。

betway必威登录 5图4:设在高5.5m土堆上的供电天线为避免地面反射,设在土堆上。另外,在电波通过部分的地面上设置了电波吸收材料。

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