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

相比于地面神奇的空間太陽能發(fā)電優(yōu)點多多

張逸群副教授是段寶巖院士的學(xué)術(shù)秘書(電子機械工程學(xué)科)，他介紹說，與國際上最新的美國NASA于2012年提出的方案相比，這一創(chuàng)新方案不僅可使太陽能收集系統(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)帶來的嚴酷的散熱問題，引起與會專家學(xué)者的廣泛關(guān)注與濃厚興趣，多位專家表達了聯(lián)合進行相關(guān)技術(shù)攻關(guān)的愿望。

那么，到底空間太陽能發(fā)電是怎么實現(xiàn)的呢？據(jù)張逸群解釋，原來，面對日漸緊迫的能源危機，以及使用化石能源導(dǎo)致的溫室效應(yīng)、環(huán)境污染等問題，世界各國都在積極尋找方便、清潔的新能源。太陽能將是解決能源問題的根本出路之一，而發(fā)展空間太陽能電站則是高效利用太陽能的有效途徑之一?？臻g太陽能電站是指將地球靜止同步軌道上的太陽能，通過新的工程技術(shù)手段進行有效采集，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，我國在西部等地方建立了很多太陽能電站，但是相比于空間太陽能電站，地面的太陽能電站存在很多問題，比如，用光功率密度來表示一平米接受多少瓦的光能的話，有云霧、有雨雪、有夜晚，地面的太陽能電站接收到的光密度是有限的，到達地面的太陽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能約為1400瓦，且除春分和秋分以外，空間太陽能電站可接收到的輻射強度基本不受時間和空間限制。因此，一旦能夠攻克空間太陽能發(fā)電技術(shù)，就有望逐步解決人類社會面臨的能源危機，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，地面太陽能需要用電池來畜電，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；最后就是地面維護容易收到風(fēng)沙腐蝕，而在空中受的干擾相對小很多，相比較的可靠性高很多，我國對未來建造的空間太陽能電站的設(shè)計壽命預(yù)期為30年以上。因為有光密度大、受波動小、壽命長這三個優(yōu)點，空間太陽能發(fā)電前景很廣闊。

地面上太陽能光板往往需要建造的面積很大，同時還會受到太陽東升西落得影響，太陽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避免系統(tǒng)在軌道上的大慣量、大范圍旋轉(zhuǎn)，同時聚光帶來了太陽能光伏電池面積的減小，單位接收的光會更多，利用效率更高。

在空間太陽能電站接收了太陽光，和地面不同的是無法立刻使用，而是先轉(zhuǎn)化為微波進行傳輸，到地面再轉(zhuǎn)化為電。雖然總體來說投入成本會比地面高，但是維護成本小很多。

新方案高效、穩(wěn)定、易控已達到國際領(lǐng)先水平

據(jù)介紹，1968年格拉塞博士提出了空間太陽能發(fā)電站方案，這一設(shè)想是建立在一個極其巨大的太陽能電池陣的基礎(chǔ)上，由它來聚集大量的陽光，利用光電轉(zhuǎn)換原理達到發(fā)電的目的。所產(chǎn)生的電能將以微波形式傳輸?shù)降厍蛏?，然后通過天線接收經(jīng)整流轉(zhuǎn)變成電能，送入全國供電網(wǎng)。但由于難度大，效率低、成本高等問題難以解決，因而遲遲未實施。張逸群表示，而在此領(lǐng)域，我們國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)機電科技研究所(以下簡稱機電所)暨電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計教育部重點實驗室，長期以來對空間太陽能電站設(shè)計方案和相關(guān)理論技術(shù)進行了深入而系統(tǒng)的研究。在針對國內(nèi)外提出的多個空間太陽能電站方案系統(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、易控的空間太陽能電站創(chuàng)新設(shè)計方案---OMEGA(Orb-shapeMembraneEnergyGatheringArray)。國家對此高度關(guān)注，專門組織專家予以論證，并列入國家國防科工局“十三五”重點研發(fā)計劃的支持項目中。學(xué)校也予以高度重視，科學(xué)研究院于2014年5月成立了空間太陽能電站項目群，積極鼓勵和引導(dǎo)科研人員開展研究；在2016年將該項研究列為學(xué)校“三個一流建設(shè)”重點項目，支撐搭建我國首個全系統(tǒng)、全能量轉(zhuǎn)換鏈路的空間太陽能電站演示驗證系統(tǒng)。

2014年9月SSPS-OMEGA方案提出以來，段寶巖院士團隊針對方案涉及到的多個科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)展開了攻關(guān)，已取得可喜進展。

針對美國最新的任意相控陣空間太陽能電站設(shè)計方案(SSPS-ALPHA方案)，段寶巖院士團隊系統(tǒng)分析了其聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與存在的不足，提出了“球面-線饋源”太陽能收集方式，通過線饋源一個自由度的運動代替了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，相比于ALPHA方案，在二者發(fā)電功率相同的條件下，OMEGA方案可實現(xiàn)減重約三分之一。另外，OMEGA方案實現(xiàn)了光伏電池陣列與發(fā)射天線系統(tǒng)的分離，較ALPHA方案緩解了散熱問題；同時，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)新性的使用無線耦合傳輸?shù)姆绞?，避免了傳統(tǒng)接觸式電力傳輸面臨的接觸表面粗糙度易引起瞬時電流過大、壽命短、可靠性低等問題。