關(guān)鍵一步！科學(xué)家首次將空天光伏發(fā)電，從太空發(fā)射到地球！

100年來(lái)，人們一直夢(mèng)想著將大量的太陽(yáng)能電池板送入太空，并將能量發(fā)射到地球上。與地面上的間歇性可再生能源不同，這些軌道面板將始終沐浴在明亮的陽(yáng)光下，并有可能提供持續(xù)的電力供應(yīng)。如今，世界航天科技強(qiáng)國(guó)正在這一領(lǐng)域展開激烈競(jìng)爭(zhēng)?？涨?span>光伏，從現(xiàn)在開始，從夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。

在用于電力傳輸?shù)蛙壍缹?shí)驗(yàn)（MAPLE）的天基微波陣列內(nèi)部；來(lái)源美國(guó)加州理工學(xué)院

01

關(guān)鍵的一步

所謂空天光伏，就是將光伏電站建設(shè)在太空之中。

太陽(yáng)能的主要限制因素是間歇性，這意味著它只能在充足的陽(yáng)光可用時(shí)收集電力。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們花了幾十年的時(shí)間研究天基太陽(yáng)能（SBSP），其中軌道上的衛(wèi)星將一年365天，每天24小時(shí)地不間斷地收集電力。

三個(gè)多月前，趕碳號(hào)曾對(duì)此深入報(bào)道——《光伏已經(jīng)上天！航天強(qiáng)國(guó)間的太空光伏角逐！我國(guó)已啟動(dòng)逐日行動(dòng)！》。

今年1月3日，在我們頭頂約525公里的太陽(yáng)同步軌道上，開始出現(xiàn)了一顆名為“太空太陽(yáng)能演示者一號(hào)”（簡(jiǎn)稱SSPD-1）的小型實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。它由加州理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和建造，由加州房地產(chǎn)開發(fā)商唐納德·布倫（Donald Bren）的捐款資助，并于今年1月3日與其他113個(gè)小型有效載荷一起，在SpaceX Falcon 9火箭上發(fā)射升空。

如今，仍然是美國(guó)加州理工學(xué)院，成功實(shí)現(xiàn)了從太空中向地球傳輸光伏電力，從而向空天光伏的應(yīng)用再進(jìn)一步最近，加州理工學(xué)院空間太陽(yáng)能項(xiàng)目（SSPP）的研究人員完成了使用微波陣列進(jìn)行電力傳輸?shù)蛙壍缹?shí)驗(yàn)（MAPLE）的首次成功的無(wú)線電力傳輸。

SSPP 創(chuàng)始于2011 年，當(dāng)時(shí)加州理工學(xué)院董事會(huì)的終身成員 Donald Bren 與加州理工學(xué)院當(dāng)時(shí)的校長(zhǎng) Jean-Lou Chameau共同創(chuàng)建了該研究項(xiàng)目。

布倫和他的妻子（也是加州理工學(xué)院的受托人）同意捐贈(zèng)總計(jì)1億美元資助該項(xiàng)目，而諾斯羅普·格魯曼公司則額外提供了 1250 萬(wàn)美元。由此，SSPD-1才得以于1 月3 日在 SpaceX 獵鷹 9 號(hào)上發(fā)射升空，并由 Vigoride 航天器（由航空航天公司 Momentus 提供）部署。

美國(guó)加州理工學(xué)院的太空太陽(yáng)能演示器已于今年1月3日成功發(fā)射

使用輕型結(jié)構(gòu)在太空中進(jìn)行無(wú)線電力傳輸?shù)难菔?，是朝著太空太?yáng)能和全球范圍內(nèi)廣泛使用它邁出的重要一步。

例如，太陽(yáng)能電池板已經(jīng)在太空中用于為國(guó)際空間站供電，但要發(fā)射和部署足夠大的空間陣列為地球提供電力，SSPP 必須設(shè)計(jì)和制造超輕、廉價(jià)和靈活的太陽(yáng)能能量傳輸系統(tǒng)。”

每個(gè)SSPP單元重約50 公斤（110 磅），與通常重量在10到100 公斤之間的微型衛(wèi)星相當(dāng)。每個(gè)單元折疊成體積約1立方的包裹，展開后，其直徑約為50 米的正方形物體，一側(cè)是太陽(yáng)能電池，另一側(cè)是無(wú)線電力發(fā)射器。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人說“通過我們迄今為止進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，它可以成功地將能量傳輸?shù)教战邮掌魃?。我們還能夠?qū)夥嚵羞M(jìn)行編程，將其能量導(dǎo)向地球，這是我們?cè)诩又堇砉W(xué)院檢測(cè)到的。”

該演示器沒有移動(dòng)裝置，他們依靠精確的時(shí)間控制元件和電磁波的相干疊加，來(lái)確保光束能量到達(dá)預(yù)期目標(biāo)。

MAPLE 還包括一個(gè)小窗口，陣列可以通過該窗口發(fā)射能量，該能量由加州理工學(xué)院戈登和貝蒂摩爾工程實(shí)驗(yàn)室的接收器檢測(cè)到。

02

我國(guó)的逐日行動(dòng)

據(jù)《人民日?qǐng)?bào)》報(bào)道，2019年1月9日，命名為“逐日工程”的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)項(xiàng)目在西安電子科技大學(xué)正式啟動(dòng)。

空間太陽(yáng)能電站可將在太空中收集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，再以無(wú)線能量方式傳回地面，最后轉(zhuǎn)換成直流電送入普通電網(wǎng)，大大提高太陽(yáng)能利用率。

權(quán)威媒體這樣定義這是構(gòu)建國(guó)家級(jí)高水平科研平臺(tái)、發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重大研發(fā)項(xiàng)目。

“逐日工程”空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)位于西電南校區(qū)，其支撐塔為75m高的鋼結(jié)構(gòu)。

驗(yàn)證系統(tǒng)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(wú)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。

早在2014年，逐日行動(dòng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人段寶巖院士提出了一種“基于球面線聚焦原理的聚光方案——OMEGA創(chuàng)新空間太陽(yáng)能電站方案”。這個(gè)方案相較美國(guó)最新的ALPHA方案，在系統(tǒng)質(zhì)量相同的情況下，發(fā)電能力可提高24%，已作為我國(guó)未來(lái)建設(shè)空間太陽(yáng)能電站的備選方案。

與地面太陽(yáng)能相比，太空太陽(yáng)能具有照射時(shí)間長(zhǎng)、利用效率高、能流密度大、持續(xù)穩(wěn)定、不受晝夜和氣候影響等優(yōu)點(diǎn)。

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。

段寶巖，中國(guó)工程院院士，西安電子科技大學(xué)教授，國(guó)家973首席科學(xué)家，全國(guó)天線產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主席，曾主持國(guó)家九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）的總體設(shè)計(jì)，兼任錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室“空間太陽(yáng)能電站領(lǐng)域首席科學(xué)家”。

趕碳號(hào)注意到，去年6月5日，該團(tuán)隊(duì)的世界首個(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)順利通過專家組驗(yàn)收。這一驗(yàn)證系統(tǒng)突破并驗(yàn)證了高效率聚光與光電轉(zhuǎn)換、微波轉(zhuǎn)換、微波發(fā)射與波形優(yōu)化、微波波束指向測(cè)量與控制、微波接收與整流、靈巧機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

END

原文標(biāo)題:關(guān)鍵一步！科學(xué)家首次將空天光伏發(fā)電，從太空發(fā)射到地球！