宇宙太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)？(中)

變化的發(fā)射天線面 　　微波是指具有從1mm到1m間的短波長(zhǎng)的電磁波。這種電磁波廣泛應(yīng)用于日常生活中的微波爐、手機(jī)和無線LAN，還有宇宙空間中的氣象衛(wèi)星、地球觀測(cè)衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、廣播電視衛(wèi)星的通信等，其實(shí)就在身邊，與我們的生活息息相關(guān)。并且，雖然不是微波方式，但通過電磁感應(yīng)方式、磁共振方式無線傳輸能源的技術(shù)已經(jīng)確立并投入了實(shí)用。例如為手機(jī)、純電動(dòng)汽車的蓄電池非接觸充電的“無線供電”。但傳輸?shù)木嚯x有限。 　　那么，空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)使用微波無線傳輸能源的優(yōu)點(diǎn)是什么？ 　　首先是波長(zhǎng)短，與波長(zhǎng)長(zhǎng)的電波相比，相對(duì)不容易擴(kuò)散。從高度為3.6萬km的地球靜止軌道向接收天線傳送能源時(shí)，需要的接收天線的面積小于波長(zhǎng)長(zhǎng)的電波，能夠降低設(shè)備的建設(shè)成本。 　　其次是能夠穿透云層。在下雨和陰天的時(shí)候，只要選擇最佳的頻率，就能幾乎杜絕能源傳輸?shù)膿p失。 　　但微波也存在缺點(diǎn)。即便是微波，隨著距離的增加，電波的擴(kuò)散也會(huì)增大。微波的擴(kuò)散與發(fā)射天線的大小成反比。因此，為了盡可能縮小接收天線的直徑，避免傳輸能源出現(xiàn)損耗，反而需要擴(kuò)大發(fā)射天線的直徑。 　　微波無線能源傳輸技術(shù)開發(fā)上最大的難題，是控制微波束的方向，使能源準(zhǔn)確傳送到接收天線。 　　上土井說：“激光也是如此，這是實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的一大課題。” 　　降低這個(gè)問題難度的一個(gè)辦法是，把空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星送入高度為3.6萬km的地球靜止軌道。地球靜止軌道是永遠(yuǎn)與地球上的1點(diǎn)保持相同角度的軌道。因從地面看上去如同靜止一般而得名。如果從空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星向地球上固定的位置傳送微波，地球靜止軌道是最佳選擇。 　　然而，發(fā)射天線的尺寸增大后，天線面會(huì)變形，在構(gòu)造上無法完全保持平面，從而使微波束的方向發(fā)生錯(cuò)位。因此對(duì)微波束方向的控制就是必須的技術(shù)。 　　關(guān)于波束方向控制的困難程度，有這樣一個(gè)比喻：如果接收天線的直徑為幾公里，從3.6萬km高空的地球靜止軌道瞄準(zhǔn)天線，就像是從東京瞄準(zhǔn)立在名古屋的直徑約為9m的圓靶。用角度來說，微波束方向的偏差要控制在0.001度的范圍之內(nèi)，需要精度極高的方向控制技術(shù)。 　　為此，JAXA正在研發(fā)這樣的微波相位控制技術(shù)：從接收天線向空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射用于引導(dǎo)的導(dǎo)頻信號(hào)，高精度檢測(cè)收到信號(hào)的方向，并向該方向發(fā)射微波束。 　　使用這種技術(shù)可以使微波束準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)接收天線的方向。并且，若事先設(shè)定了使微波在引導(dǎo)用導(dǎo)頻信號(hào)停止后不再匯聚，則即使出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致微波的方向大幅偏離接收天線的位置，也可以保證安全性。此時(shí)，微波將呈現(xiàn)發(fā)散狀，不匯聚成束。 　　除此之外，JAXA還在考慮并用可修正發(fā)射天線模塊之間的位置、方向偏差的相位控制，以使地面的接收功率達(dá)到最大。 空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的概要 　　“烤鳥問題”要不要緊？ 　　另一方面，大家或許會(huì)好奇，空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射的微波如果直接擊中天上的飛機(jī)和飛禽，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)危害？ 　　上土井解釋說：“這就是‘烤鳥問題’，即人們擔(dān)心的穿越微波束的鳥會(huì)不會(huì)烤熟而落到地上的問題。對(duì)于實(shí)用系統(tǒng)，我們計(jì)劃把發(fā)射到地面的微波的能量密度控制在與陽(yáng)光的能量密度相同的水平，不會(huì)對(duì)飛機(jī)和飛禽造成影響。” 　　但按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，人體允許的微波輻射水平為每m210W。因此，設(shè)置接收設(shè)備的區(qū)域需禁止人員進(jìn)入。 　　JAXA預(yù)定與（財(cái)）宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱：J-spacesystems）合作，于2014年度之前，在地面上設(shè)置間距約為50m的發(fā)射裝置和接收裝置，開展從發(fā)射裝置發(fā)射1.6kW左右的微波，控制微波束的方向，使其抵達(dá)接收裝置并轉(zhuǎn)換成電力的實(shí)驗(yàn)，目前正在進(jìn)行相關(guān)準(zhǔn)備。 　　上土井說：“日本和美國(guó)過去也曾經(jīng)開展過發(fā)射微波并轉(zhuǎn)換成電力的實(shí)驗(yàn)。但使用半導(dǎo)體生成功率高達(dá)1.6kW的微波束，高精度控制方向傳送能源的實(shí)驗(yàn)在全世界尚屬首次，這是實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)必不可少的一步。微波無線能源傳送技術(shù)是日本領(lǐng)先的技術(shù)，我們一定要令其成功。” 　　2014年將成為里程碑 　　接下來看第二項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)“激光無線能源傳輸技術(shù)”。 　　使用激光的優(yōu)勢(shì)在于波長(zhǎng)比微波更短，與微波相比，收發(fā)裝置可以實(shí)現(xiàn)小型化。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越短，波束就可越細(xì)，所以可以縮小發(fā)射天線與接收天線的直徑。因此能夠大幅削減建設(shè)成本。 　　但激光的弱點(diǎn)是會(huì)在云、雨、空氣、灰塵的作用下急劇衰減。能源傳輸送時(shí)的損失大于微波。 　　而且對(duì)于波束方向控制精度的要求比微波高100倍左右。如果說微波是從東京瞄準(zhǔn)名古屋的直徑約為9m的靶子，那么，激光瞄準(zhǔn)的則是直徑約為9cm的靶子。而且，與微波相比，激光的波束越細(xì)，能量集中的面積越小。因此，接收裝置附近需要更加嚴(yán)格的安全管理。 　　現(xiàn)在，JAXA準(zhǔn)備做以高精度的方向控制，從高度約為200m的塔上，向地面的接收裝置傳輸500W功率激光的實(shí)驗(yàn)，目前正在進(jìn)行準(zhǔn)備。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也計(jì)劃在2014年度內(nèi)實(shí)施。 　　上土井說：“我們還預(yù)定通過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)大氣湍流對(duì)于激光的影響等。在2014年度，微波、激光都將開展大型實(shí)驗(yàn)，對(duì)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的研究來說，將會(huì)是一個(gè)重要的里程碑。”（未完待續(xù) 特約撰稿人：山田 久美，科學(xué)技術(shù)記者）