環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

首圖來源：iStock

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1992篇原創(chuàng)

自古以來，人類對(duì)太陽(yáng)的敬畏與追尋從未停歇。

從神話中的夸父逐日，到如今全球裝機(jī)量超過647GW的太陽(yáng)能光伏板，我們一直在不斷追逐和探索這顆恒星慷慨贈(zèng)予的能量。

然而，地面上的太陽(yáng)能利用始終面臨一個(gè)無奈的困局：晝夜交替讓這份來“自太陽(yáng)的禮物”變得斷斷續(xù)續(xù)。

為了突破這一局限，科學(xué)家們將目光投向了更高的維度——在太空中建立太陽(yáng)能電站，擺脫大氣層的束縛，真正實(shí)現(xiàn)“全時(shí)段”的能量采集。

正是基于這樣宏大的愿景，我國(guó)于2018年正式啟動(dòng)的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)項(xiàng)目——“逐日工程”，正在逐步將這一科幻般的設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

該項(xiàng)目由西安電子科技大學(xué)段寶巖院士團(tuán)隊(duì)牽頭，目標(biāo)是將地球靜止同步軌道上的太陽(yáng)能，通過新的工程技術(shù)手段有效采集，并傳輸?shù)降孛娉蔀殡娔芄┦褂玫南到y(tǒng)。

基于八年以來的研究積累與成果，西安電子科技大學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)近日再次取得階段性重大進(jìn)展，突破了空間太陽(yáng)能電站（SSPS）與微波無線傳能的多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)攻克了遠(yuǎn)距離、高功率、高效率一對(duì)多目標(biāo)微波無線傳能技術(shù)，在百米級(jí)距離實(shí)現(xiàn)千瓦功率輸出，同時(shí)解決了多目標(biāo)供電的精準(zhǔn)控制問題。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在百米級(jí)距離，直流-直流傳輸效率達(dá)到20.8%、輸出功率達(dá)到1180瓦、波束收集效率達(dá)到88.0%，性能顯著提升。

圖說：“逐日工程”示意圖

來源：CGTN

空間太陽(yáng)能電站（SSPS）的基本原理極具想象力：在地球同步軌道部署巨型太陽(yáng)能電池陣列，將源源不斷的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，再通過微波或激光等無線能量傳輸方式，精準(zhǔn)地“投遞”給接收天線，然后再次轉(zhuǎn)化為直流電，供用戶使用，甚至可以接入現(xiàn)有電網(wǎng)。

這相當(dāng)于在距地面數(shù)萬(wàn)公里的高空建造了一座“無線充電站”，其能量來源穩(wěn)定且強(qiáng)度是地面的數(shù)倍，產(chǎn)生的電能既可以輸送回地球也可以傳送給航天器。

據(jù)介紹，理論上如果在地球靜止軌道上部署一條寬度為1000米的太陽(yáng)能光伏電池陣環(huán)帶，假定其轉(zhuǎn)換效率為100%，那么它在一年中接收到的太陽(yáng)輻射通量約等于目前地球上已知可開采石油儲(chǔ)量所包含的能量總和。

2013年底，隨著一份題為《關(guān)于盡早啟動(dòng)我國(guó)太空發(fā)電站關(guān)鍵技術(shù)研究的建議》的院士聯(lián)名建議案獲得批復(fù)，中國(guó)空間太陽(yáng)能電站研究開始步入發(fā)展快車道。

2014年，來自國(guó)內(nèi)的130余位專家開展了近一年的論證工作，論證組最終完成了《中國(guó)太空發(fā)電站發(fā)展規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)體系規(guī)劃論證報(bào)告》。

與此同時(shí)，西安電子科技大學(xué)的段寶巖院士團(tuán)隊(duì)提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“歐米伽”（OMEGA）創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

這套方案摒棄了傳統(tǒng)平板式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)形似巨大凹面鏡的聚光系統(tǒng)，能夠更高效地收集陽(yáng)光并將其聚焦在光伏電池陣上。

與美國(guó)的阿爾法（ALPHA）設(shè)計(jì)方案相比，這一方案具備三個(gè)優(yōu)勢(shì)：控制難度下降，散熱壓力減輕，功質(zhì)比（天上系統(tǒng)的單位質(zhì)量所產(chǎn)生的電）提高約24%。

2018年12月，“空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)項(xiàng)目”在西安啟動(dòng)，并正式被賦予了那個(gè)充滿浪漫主義的名字——“逐日工程”。自此，一場(chǎng)跨越理論與工程鴻溝的攻堅(jiān)拉開了序幕。

圖說：“逐日工程”地面驗(yàn)證系統(tǒng)

來源：西安電子科技大學(xué)

項(xiàng)目第一階段的目標(biāo)是構(gòu)建地面驗(yàn)證系統(tǒng)。

2022年6月，團(tuán)隊(duì)成功建成了世界首個(gè)全鏈路、全系統(tǒng)的空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)，成功打通從聚光發(fā)電到微波傳輸再到接收整流的完整技術(shù)鏈條。

該地面驗(yàn)證系統(tǒng)位于西電南校區(qū)，主要包括五大子系統(tǒng)：歐米伽聚光與光電轉(zhuǎn)換、電力傳輸與管理、射頻發(fā)射天線、接收與整流天線、控制與測(cè)量。

其工作原理首先是根據(jù)太陽(yáng)高度角確定聚光鏡需要傾斜的角度，在接收到聚光鏡反射的太陽(yáng)光后，位于聚光鏡中心的光伏電池陣，將其轉(zhuǎn)化為直流電能。

隨后，通過電源管理模塊，四個(gè)聚光系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到的電能匯聚到中間發(fā)射天線，經(jīng)過振蕩器和放大器等模塊，電能被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為微波，利用無線傳輸?shù)男问桨l(fā)射到接收天線。

最后，接收天線將微波整流再次轉(zhuǎn)換成直流電，供給負(fù)載。

圖說：“逐日工程”地面驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

來源：西安電子科技大學(xué)

如今，項(xiàng)目已進(jìn)入第二階段，目標(biāo)是解決在太空中產(chǎn)生高功率并高效遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾y題。

今年5月，“逐日工程”再次傳出了振奮人心的消息。

研究團(tuán)隊(duì)從多學(xué)科交叉、多系統(tǒng)耦合與系統(tǒng)可靠性角度出發(fā)，提出了分布式歐米伽空間太陽(yáng)能電站創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

這一方案旨在解決在太空構(gòu)建和維護(hù)大型電網(wǎng)這一復(fù)雜的工程難題。該系統(tǒng)注重模塊化設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、獨(dú)立的組件，這些組件可以像積木一樣在軌道上組裝或更換。

而且，該系統(tǒng)性能較2022年顯著提升。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在百米級(jí)距離，該系統(tǒng)輸出功率達(dá)到1180瓦，直流-直流傳輸效率達(dá)20.8%，高于2022年的15.05%。同時(shí)，波束收集效率達(dá)到88.0%，這表明微波能量束始終緊密聚焦于目標(biāo)上。

更重要的是，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一套發(fā)射系統(tǒng)為多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)供電，解決了多目標(biāo)供電的精準(zhǔn)控制問題，未來有望為多個(gè)太空飛行器或地面移動(dòng)設(shè)備同時(shí)供電。

在實(shí)驗(yàn)中，一架以每小時(shí)30公里速度飛行的無人機(jī)成功從30米外接收到穩(wěn)定的143瓦電力。這項(xiàng)能力對(duì)于航天應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)樾l(wèi)星和軌道空間站之間處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

此外，在空間發(fā)電上，太陽(yáng)能聚光與光電轉(zhuǎn)換效率顯著提升。在發(fā)射與接收天線集成化、小型化與輕量化上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)同樣取得關(guān)鍵進(jìn)展，為設(shè)備的太空部署奠定了基礎(chǔ)。

來源：西安電子科技大學(xué)

團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在規(guī)劃期內(nèi)開展近地軌道技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，并在2030年前后進(jìn)行兆瓦級(jí)在軌試驗(yàn)。

“逐日工程”的最終目標(biāo)，是在2050年前建成吉瓦級(jí)商業(yè)太空太陽(yáng)能發(fā)電站，直接向地球輸送清潔能源。

隨著這項(xiàng)技術(shù)不斷成熟，當(dāng)太空光伏成本持續(xù)下降、無線傳能效率節(jié)節(jié)攀升，來自太空的清潔電力終將匯入尋常百姓家。

Reference：

[1]https://www.21jingji.com/article/20260519/herald/a64b716f41d884c73c84bf125ec9cc17.html

[2]https://news.xidian.edu.cn/info/1482/220962.htm

[3]https://eme.xidian.edu.cn/info/1236/6842.htm

[4]https://news.xidian.edu.cn/info/1482/202426.htm

[5]https://news.xidian.edu.cn/info/1482/202447.htm

熱門閱讀

（點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)閱讀）