SPACE SCHOOL

Houston Association for Space and Science Education.
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Houston, we have the power - 太空太陽能發電

18世紀,班傑明•富蘭克林於雷雨中放出的風箏迸發了近代電學研究的火花。1世紀後,由尼古拉•特斯拉創造的交流電開啟了電力商業化的時代,也連結了電力供應與現代社會密不可分的關係。進入21世紀後,科學家開始計畫直接從大氣層外取得發電所需的能量。

SPS-Alpha solar satellite [1]

相信各位都深刻體驗過,停電的日子有多麼不方便。因此,研究可永續發展的發電方式已是燃眉之急。令人擔憂的是,當前台灣的主要發電方式幾乎還是依賴非再生能源,亦及火力與核能發電,再生能源僅不到10%。由於台灣的天然資源並不算充裕且人口密度極高,因此只能仰賴能量密度高但造成環境汙染(例如火力發電廠排放的廢氣造成中部PM2.5濃度「紫爆」)的非再生能源。然而,再生能源(如水力、風力等)更大的問題在於發電量不穩定,如水力發電量受到河川流量變化影響,而夏季的微弱風力導致風力發電無法滿足用電高峰需求。那麼,如果直接從地球的能量來源,也就是太陽,直接取得呢?

台中火力發電廠排放廢氣[2]風力發電圖解[3]1950年代,美國貝爾實驗室研發出第一個太陽能電池,後應用於人造衛星。1980年代,太陽能發電技術邁向商業化。2015年,太陽能發電量已佔全球發電量的1%。但是,現有太陽能電池的效率僅15~20%,且大氣層產生的折射及反射,使太陽光傳遞到地表的能量產生部分損失。因此,除了改進太陽能電池材質外,科學家想出了利用衛星在太空直接收集陽光,再將其以微波或雷射傳輸至地球的概念,亦即太空太陽能(Space-based solar power)。

太陽能電池原理[4]太空太陽能發電系統示意圖[5]



太空太陽能發電有許多優點,例如在太空中能獲得至少95%的太陽能、能量來源在50億年永無枯竭、能將電力透過無線傳輸至地球任何一個角落、不須大量建置發電機組及減少電力傳輸的耗損、建造接收天線不需佔用地表可用來生產糧食的土地等。即使有著顯而易見的好處,這項尖端技術仍然需要面對現實問題。首先,在同步軌道中設立大型發電衛星的花費極為可觀,後續基礎建設更是天文數字;其次,大量能源透過雷射光束或微波傳輸是否會對地表產生威脅?隨著科技的長足進步,2015年日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)和三菱重工分別成功完成地面上無線電力傳送實驗,成功將電力轉換為高功率微波,經過誘導投射到500公尺外的受電板並成功點亮LED燈。今年2月,SpaceX研發的獵鷹9號超重型運載火箭試射成功,如未來發射成本降到特定門檻,應有機會滿足大型發電衛星的發射需求,進而降低成本。

電力無線傳輸示意圖[6]獵鷹9號超重型運載火箭發射升空[7]能源資源與台灣同樣貧乏的日本,已宣布30年內建立首座太空太陽能發電站,反觀台灣目前似乎仍無具體措施或研發成果。外星球移民的時代尚未到來,投資天際的計畫,相較全球暖化以及核電廠災害的可能代價,似乎更為划算。



文章參考來源:

當能源來自天際:太空太陽能發電(檢索日期2018/02/19)

在同步軌道向太陽借光(檢索日期2018/02/19)

日本 無線電力傳輸技術 太空太陽能發電系統(檢索日期2018/02/19)

Caltech and Grumman partner on Space Based Solar Power Initiative (檢索日期2018/02/19)

New Space based solar power designs can get to less than 2 cents per kwh (檢索日期2018/02/19)

Space-Based Solar Power (檢索日期2018/02/19)

About Space-Based Solar Power(檢索日期2018/02/19)

圖片引用來源:

http://discovermagazine.com/2015/july-aug/19-stellar-energy, retrieved February 19, 2018

https://12udn.com/news/story/11321/2882585, retrieved February 19, 2018

https://www.stockfeel.com.tw/%E9%A2%A8%E5%8A%9B%E7%99%BC%E9%9B%BB%E7%94%A2%E6%A5%AD%E2%94%80%E8%AE%93%E9%A2%A8%E5%90%B9%3E5%BE%97%E6%9B%B4%E4%BE%86%E9%9B%BB%E4%BA%9B/, retrieved February 19, 2018

http://www.solart4ech.com.tw/tw/rd_product_development_solar_cell.html, retrieved February 19, 2018

http://www.qsl.net/vr2ls/SOLAR/solar-01.html, retrieved February 19, 2018

http://news.ltn.com.tw/news/world/paper/862362, retrieved February 19, 2018

https://www.wired.com/story/spacex-successfully-launches-the-falcon-heavyand-elon-musks-roadster/, retrieved February 19, 2018

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