科幻小說真實化 太空太陽能上陣

編譯/潘楠慕  |2021.09.12
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印度推動鐵路電氣化,並採用太陽能供電。圖/法新社
許多國家正在研發太陽能發電衛星。圖/法新社
傳統太陽能發電設施成本較低,但運作受日照限制。圖/美聯社

編譯/潘楠慕 

知名科幻小說作家艾西莫夫(Isaac Asimov)曾在作品中描述這樣的場景:人類運用先進科技在外太空收集太陽能,為地球上的同胞提供維持生命所需的能源;如今,這些虛構的情節,可能即將實現。

專家指出,設置在地表的太陽能發電廠效率不彰,原因之一是受到日照時間和天氣狀況限制,一旦到了夜間或雲層遮擋太陽光,太陽能板就無法運作;此外,大氣層會反射或吸收日光的近半數能量。因此,一九六○年代起,就有科學家開始嘗試在外太空打造太陽能發電站,因為這種發電站不會受到遮蔽和天候影響,能全天候吸收光能;這些能源可透過高頻微波傳回地球,且傳輸過程的損耗率大約只有百分之二。

中國大陸、美國、歐洲和日本都在研發這種革命性技術,設法在外太空部署巨型太陽能板,以微波把收集到的能源傳回地球;為達成碳中和目標,中國大陸當局目前已在重慶壁山打造接收宇宙太陽能的試驗基地,目標是在二○三○年時發電量達1MW(百萬瓦)。

美國國防部也正在開發光電射頻天線模組(PRAM),把電力從太空發射到地球上指定地點。PRAM開發者賈菲(Paul Jaffe)博士表示:「目前原型裝置已實測成功,可透過微波,把乾淨再生能源發送到地球,下一個階段是把模組的尺寸放大,收集更多的太陽能。」

賈菲表示,這項技術能為全球偏遠地區提供電力,且能分擔都會地區電網的壓力,並用來應對緊急情況或自然災害。他在發表於《IEEE微波期刊》(IEEE Journal of Microwaves)的論文中指出:「相對於其他能源,太陽能衛星的獨特優勢是能夠持續轉換太陽能,把這種取之不盡的能量傳輸到地球。」

太陽能發電衛星面臨的瓶頸之一是成本過於昂貴,但賈菲表示,減少二氧化碳排放、再生能源已成為主流風潮,即使成本高昂,仍須設法在電力傳輸和機器人技術等領域推動創新,包括太陽能發電衛星。

賈菲指出,民間企業的投入已大幅降低衛星發射的費用,例如藍源(Blue Origin)和SpaceX等公司均已開發出可重複使用的火箭,有助提高PRAM系統的可行性。據美國國家航空暨太空總署(NASA)統計,和十年前相比,目前發射衛星的成本不到十分之一。

賈菲表示,太空太陽能具有解決全球氣候危機的潛力,這種系統的成本、脆弱性和維修等問題仍待改善,但不再只是科幻小說內容;如果能透過有效的法律框架達成國際協議,加上適當的鼓勵和規畫,太空太陽能可望成真。

重量少一半 塑膠太陽能板更永續

設置太陽能板需考慮的問題之一是承重,若能以創新材料取代傳統的太陽能模組材料,在相同的承重範圍內將可擴大太陽能板的面積,提高發電效率;荷蘭Solarge公司開發一種特殊強化塑膠,能取代傳統太陽能板使用的玻璃和鋁框,不僅減少五成的重量,製造過程產生的二氧化碳也減少了八成。

Solarge技術長李德(Gerard de Leede)坦言,幾年前研究團隊提出這個構想時,他持懷疑態度,因為塑膠的光學作用與硬度都和玻璃不同;不過,Solarge成功找出最合適的塑膠原料和添加劑,製造出透光性和玻璃相近的強化塑膠,取代太陽能板中的玻璃。

李德表示,Solarge的目標,是製造地球上最永續的太陽能板。他說:「我們必須生產為環境負責的低碳太陽能電池,這種新型塑膠板是在挪威製造,生產過程使用的電力來自水力發電。此外,我們的產品在使用壽命結束後能回收循環使用。」

他並指出,中國大陸製造的太陽能板需使用四年才能抵銷對環境的負面衝擊,但Solarge的面板只需要四個月。

李德指出,除了環保方面的優點,塑膠太陽能板的另一項優勢是重量只有一般面板的一半,「創造許多可能性」。

李德表示:「要產生足夠的永續電力,在屋頂上安裝太陽能板是關鍵;許多建築物的屋頂至今無法安裝傳統太陽能板,原因是屋頂結構不夠堅固,能承受的重量有限。若採用新型的塑膠太陽能板,我們估計光是在荷蘭,就能額外安裝一百平方公里的太陽能板。」

安全性和耐用性也是塑膠太陽能板的優勢,李德表示,市面上已出現一些輕量化的太陽能板,但多數品質不佳,使用壽命不長,且含有全氟辛烷磺酸(PFAS),容易失火。Solarge的塑膠太陽能板已通過認證,耐用程度和安全性都與玻璃面板不相上下。

李德表示:「從環保、安全和品質方面來說,我們的產品目前雖然較貴,但前景可期;歐盟的法規和邊境稅將創造更公平的競爭環境,讓我們能以具有競爭力的價格,製造碳排放量極低的太陽能板。」

Solarge正在籌集資金,目標是在二○二二年建廠並量產;李德說:「我們已證明我們的技術可行,也準備商業化生產,太陽能板市場將出現重大變化。」

太陽能供電 印度鐵路邁向淨零目標

印度鐵路公司(Indian Railways)正在推動鐵路全面電氣化,目標是在二○三○時達成淨零排放;最新研究指出,印度鐵路若能直接採用國內的太陽能電力,成本效益將高於購買綠電,也可大幅減少印度對化石燃料的依賴。

印度是最早開通火車運輸的亞洲國家之一,第一條鐵路建設迄今已逾一六○年,鐵路系統也成為印度運輸、通勤的基礎;不過,印度鐵路系統的耗電量相當驚人,占總用電量百分之三,每年消耗約二十六億公升柴油,有鑒於這些龐大的成本、需求量與二氧化碳排放,印度政府已設定遠大的目標,希望打造完全以再生能源供電的鐵路網。

非政府組織氣候趨勢(Climate Trends)和英國綠色科技新創公司Riding Sunbeams的研究則指出,太陽能電力的碳排放量極低,且具有成本優勢,是印度鐵路實現電氣化及碳中和的最佳方案。印度鐵路若自行安裝太陽能發電裝置, 把發電容量約五千二百七十二GW(百萬瓩)的太陽能板直接連結至鐵路高架電線,將可滿足鐵路運輸約四分之一的電力需求,每年可減少近七百萬噸二氧化碳排放量,同時還能減少電力傳輸過程的損耗。

Riding Sunbeams創辦人穆瑞(Leo Murray)表示:「鐵路電氣化和太陽能部署這兩種技術,是當前氣候議題最重要的兩個領域,我們的分析顯示,印鐵路公司的計畫將可整合這兩種低碳技術;此外,這種大規模的基礎設施建設將吸引許多資金,有助經濟復甦,也能推動印度減少使用化石燃料,應對氣候危機。」

氣候趨勢的研究員寇斯拉(Aarti Khosla)則表示:「印度鐵路公司在印度扮演重要角色,該公司準備裝設容量高達三十GW的太陽能,為鐵路系統供電。此外也將裝設二百MW (百萬瓦)的風力發電;根據鐵路營運商的資料,這將創造數千個工作機會,吸引高額投資,也能幫助政府達成再生能源目標,在國家的淨零願景中發揮重要作用。」

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