“太陽(yáng)能還可以從空中發(fā)電？”太陽(yáng)能發(fā)電并不是個(gè)很新鮮的清潔新能源使用方式，但是通過(guò)火箭將太陽(yáng)能電站送到空中，建立空間太陽(yáng)能發(fā)電站，則很少很人聽(tīng)說(shuō)過(guò)。近日，在第二屆空間太陽(yáng)能電站發(fā)展技術(shù)研討會(huì)上，西安電子科技大學(xué)段寶巖院士團(tuán)隊(duì)提出的名為SSPS-OMEGA方案有望成為中國(guó)未來(lái)建造空間太陽(yáng)能電站的備選方案。

相比于地面神奇的空間太陽(yáng)能發(fā)電優(yōu)點(diǎn)多多

張逸群副教授是段寶巖院士的學(xué)術(shù)秘書(電子機(jī)械工程學(xué)科)，他介紹說(shuō)，與國(guó)際上最新的美國(guó)NASA于2012年提出的方案相比，這一創(chuàng)新方案不僅可使太陽(yáng)能收集系統(tǒng)功率質(zhì)量比提升約三分之一，而且可有效緩解三明治結(jié)構(gòu)帶來(lái)的嚴(yán)酷的散熱問(wèn)題，引起與會(huì)專家學(xué)者的廣泛關(guān)注與濃厚興趣，多位專家表達(dá)了聯(lián)合進(jìn)行相關(guān)技術(shù)攻關(guān)的愿望。

那么，到底空間太陽(yáng)能發(fā)電是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？據(jù)張逸群解釋，原來(lái)，面對(duì)日漸緊迫的能源危機(jī)，以及使用化石能源導(dǎo)致的溫室效應(yīng)、環(huán)境污染等問(wèn)題，世界各國(guó)都在積極尋找方便、清潔的新能源。太陽(yáng)能將是解決能源問(wèn)題的根本出路之一，而發(fā)展空間太陽(yáng)能電站則是高效利用太陽(yáng)能的有效途徑之一。空間太陽(yáng)能電站是指將地球靜止同步軌道上的太陽(yáng)能，通過(guò)新的工程技術(shù)手段進(jìn)行有效采集，并以微波方式傳輸?shù)降孛孓D(zhuǎn)換成電能供使用的系統(tǒng)。

據(jù)介紹，我國(guó)在西部等地方建立了很多太陽(yáng)能電站，但是相比于空間太陽(yáng)能電站，地面的太陽(yáng)能電站存在很多問(wèn)題，比如，用光功率密度來(lái)表示一平米接受多少瓦的光能的話，有云霧、有雨雪、有夜晚，地面的太陽(yáng)能電站接收到的光密度是有限的，到達(dá)地面的太陽(yáng)平均輻射量為每平方米約為150-250瓦。而在地球靜止軌道上，每平方米可接收太陽(yáng)能約為1400瓦，且除春分和秋分以外，空間太陽(yáng)能電站可接收到的輻射強(qiáng)度基本不受時(shí)間和空間限制。因此，一旦能夠攻克空間太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，就有望逐步解決人類社會(huì)面臨的能源危機(jī)，獲得“取之不盡，用之不竭”的清潔可持續(xù)能源；其次，到了夜晚，地面太陽(yáng)能需要用電池來(lái)畜電，需要配比好幾倍于總?cè)萘康男铍姵?，持續(xù)供電難度很大，成本也不低，而在空中的話，僅適用極少量的蓄電池就可以滿足持續(xù)供電；最后就是地面維護(hù)容易收到風(fēng)沙腐蝕，而在空中受的干擾相對(duì)小很多，相比較的可靠性高很多，我國(guó)對(duì)未來(lái)建造的空間太陽(yáng)能電站的設(shè)計(jì)壽命預(yù)期為30年以上。因?yàn)橛泄饷芏却蟆⑹懿▌?dòng)小、壽命長(zhǎng)這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，空間太陽(yáng)能發(fā)電前景很廣闊。

地面上太陽(yáng)能光板往往需要建造的面積很大，同時(shí)還會(huì)受到太陽(yáng)東升西落得影響，太陽(yáng)光和光伏電池存在夾角導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率低。段寶巖院士的解決方案用球形聚光的方式來(lái)避免系統(tǒng)在軌道上的大慣量、大范圍旋轉(zhuǎn)，同時(shí)聚光帶來(lái)了太陽(yáng)能光伏電池面積的減小，單位接收的光會(huì)更多，利用效率更高。

在空間太陽(yáng)能電站接收了太陽(yáng)光，和地面不同的是無(wú)法立刻使用，而是先轉(zhuǎn)化為微波進(jìn)行傳輸，到地面再轉(zhuǎn)化為電。雖然總體來(lái)說(shuō)投入成本會(huì)比地面高，但是維護(hù)成本小很多。

新方案高效、穩(wěn)定、易控已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平

據(jù)介紹，1968年格拉塞博士提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電站方案，這一設(shè)想是建立在一個(gè)極其巨大的太陽(yáng)能電池陣的基礎(chǔ)上，由它來(lái)聚集大量的陽(yáng)光，利用光電轉(zhuǎn)換原理達(dá)到發(fā)電的目的。所產(chǎn)生的電能將以微波形式傳輸?shù)降厍蛏?，然后通過(guò)天線接收經(jīng)整流轉(zhuǎn)變成電能，送入全國(guó)供電網(wǎng)。但由于難度大，效率低、成本高等問(wèn)題難以解決，因而遲遲未實(shí)施。張逸群表示，而在此領(lǐng)域，我們國(guó)家正在從追趕向著超越的方向發(fā)展。

在段寶巖院士的帶領(lǐng)下，西安電子科技大學(xué)機(jī)電科技研究所(以下簡(jiǎn)稱機(jī)電所)暨電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)空間太陽(yáng)能電站設(shè)計(jì)方案和相關(guān)理論技術(shù)進(jìn)行了深入而系統(tǒng)的研究。在針對(duì)國(guó)內(nèi)外提出的多個(gè)空間太陽(yáng)能電站方案系統(tǒng)分析與論證的基礎(chǔ)上，于2014年9月提出了一種高效、穩(wěn)定、易控的空間太陽(yáng)能電站創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案---OMEGA(Orb-shapeMembraneEnergyGatheringArray)。國(guó)家對(duì)此高度關(guān)注，專門組織專家予以論證，并列入國(guó)家國(guó)防科工局“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持項(xiàng)目中。學(xué)校也予以高度重視，科學(xué)研究院于2014年5月成立了空間太陽(yáng)能電站項(xiàng)目群，積極鼓勵(lì)和引導(dǎo)科研人員開(kāi)展研究；在2016年將該項(xiàng)研究列為學(xué)校“三個(gè)一流建設(shè)”重點(diǎn)項(xiàng)目，支撐搭建我國(guó)首個(gè)全系統(tǒng)、全能量轉(zhuǎn)換鏈路的空間太陽(yáng)能電站演示驗(yàn)證系統(tǒng)。

2014年9月SSPS-OMEGA方案提出以來(lái)，段寶巖院士團(tuán)隊(duì)針對(duì)方案涉及到的多個(gè)科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了攻關(guān)，已取得可喜進(jìn)展。

針對(duì)美國(guó)最新的任意相控陣空間太陽(yáng)能電站設(shè)計(jì)方案(SSPS-ALPHA方案)，段寶巖院士團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了其聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與存在的不足，提出了“球面-線饋源”太陽(yáng)能收集方式，通過(guò)線饋源一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)代替了ALPHA方案中數(shù)千組鏡面的協(xié)同調(diào)整，極大地降低了系統(tǒng)調(diào)整難度。此外，OMEGA方案采用球形聚光器設(shè)計(jì)，相比于ALPHA方案，在二者發(fā)電功率相同的條件下，OMEGA方案可實(shí)現(xiàn)減重約三分之一。另外，OMEGA方案實(shí)現(xiàn)了光伏電池陣列與發(fā)射天線系統(tǒng)的分離，較ALPHA方案緩解了散熱問(wèn)題；同時(shí)，避免了龐大的中央電纜系統(tǒng)，可提高電力傳輸效率，并大大降低系統(tǒng)質(zhì)量；再者，創(chuàng)新性的使用無(wú)線耦合傳輸?shù)姆绞剑苊饬藗鹘y(tǒng)接觸式電力傳輸面臨的接觸表面粗糙度易引起瞬時(shí)電流過(guò)大、壽命短、可靠性低等問(wèn)題。