“太阳能还可以从空中发电？”太阳能发电并不是【shì】个很新鲜的清【qīng】洁新能【néng】源使用方【fāng】式，但是通过【guò】火箭将太阳【yáng】能电站送到空中，建立空间【jiān】太阳能发电站【zhàn】，则很【hěn】少【shǎo】很人听说过。近日，在【zài】第二【èr】届空【kōng】间太阳能电【diàn】站发展技【jì】术研讨会上，西安【ān】电子【zǐ】科【kē】技大学段宝【bǎo】岩院士团队提【tí】出的名为【wéi】SSPS-OMEGA方案有望成为中国未来建造空间太阳能电站的备选方案【àn】。
相比于地面神奇的空间太阳能发电优点多多
张【zhāng】逸【yì】群【qún】副教授是段宝岩院士的学术秘书（电子机械工程学科），他介绍说，与国际上【shàng】最【zuì】新的美国NASA于2012年提出的方案相比，这一【yī】创【chuàng】新【xīn】方案不仅可【kě】使太【tài】阳能收集系统功率【lǜ】质量比提升约三分之一，而且可有【yǒu】效缓解三明治【zhì】结构带来的严【yán】酷的散热问题，引起与会【huì】专【zhuān】家学者的广【guǎng】泛关注【zhù】与浓【nóng】厚兴【xìng】趣【qù】，多位专家表达【dá】了【le】联合进【jìn】行相关技术【shù】攻关【guān】的愿【yuàn】望。
那【nà】么，到底空间太阳能发电是怎么实现的呢？据【jù】张【zhāng】逸【yì】群解【jiě】释，原来，面【miàn】对日渐紧【jǐn】迫的能源危机，以【yǐ】及使用【yòng】化【huà】石能源导致的温室效应、环境污染等问题【tí】，世界各国【guó】都在积极寻找方【fāng】便、清洁的新【xīn】能源。太阳【yáng】能将是解决能源问题的【de】根本出路之一，而发【fā】展【zhǎn】空【kōng】间太阳能【néng】电站则是高效【xiào】利用太阳能的有效途径之一。空间太阳能电【diàn】站是【shì】指将地球静止同步【bù】轨道上的太阳【yáng】能，通过新【xīn】的工程技术手段【duàn】进行【háng】有效【xiào】采集，并以微波【bō】方式传【chuán】输到地面转换成电能供使用的系统【tǒng】。
据介绍【shào】，我国在西部等地方建立了很【hěn】多太阳【yáng】能电站【zhàn】，但是【shì】相比于空间太阳能电【diàn】站，地【dì】面的太阳能电站存【cún】在【zài】很多【duō】问题，比如，用光功率密度来表示一平米【mǐ】接受【shòu】多少瓦的光能【néng】的话【huà】，有云雾、有【yǒu】雨雪【xuě】、有夜晚，地面的太阳能电站接收到的光密度是【shì】有【yǒu】限的，到达地面的太阳平均辐射【shè】量为每平方米【mǐ】约为150-250瓦。而在【zài】地球【qiú】静止轨道上，每平【píng】方米可【kě】接收太阳能约【yuē】为1400瓦【wǎ】，且【qiě】除【chú】春【chūn】分【fèn】和秋分以外，空间太阳能电站可接收到的辐射强度基本不受时间和空间限【xiàn】制。因此【cǐ】，一旦能【néng】够【gòu】攻【gōng】克空【kōng】间太阳能【néng】发电【diàn】技术，就有望逐步解决人类社会面临的能源【yuán】危机，获【huò】得“取之不尽【jìn】，用之【zhī】不竭”的清洁可持续能源；其次【cì】，到【dào】了【le】夜晚，地面太阳【yáng】能需【xū】要用电池来畜电，需要配比好几倍于总容量的蓄电池，持【chí】续供电难度很大，成本也不低，而【ér】在空中的话，仅适用极少量的蓄【xù】电【diàn】池就可以满足持【chí】续供电；最后就是地【dì】面【miàn】维护【hù】容易收到风沙【shā】腐【fǔ】蚀，而在空中受【shòu】的干扰相对小很【hěn】多，相比较的【de】可靠性高很多，我国对未来【lái】建造【zào】的空【kōng】间太阳【yáng】能电站的设计寿命预期为30年【nián】以【yǐ】上。因【yīn】为【wéi】有光密度大、受波动小、寿命【mìng】长这三个优点，空间【jiān】太阳能发电前【qián】景很【hěn】广阔。
地面上太阳能光板往往需要建造的面积很大，同【tóng】时还会受到太阳【yáng】东升【shēng】西落得影【yǐng】响【xiǎng】，太【tài】阳光和【hé】光伏电池存【cún】在夹角导致光【guāng】电转换效率低。段宝【bǎo】岩院【yuàn】士的解决方案用球形聚光的方式来避【bì】免【miǎn】系统在轨道上【shàng】的大惯量【liàng】、大范围旋转，同时【shí】聚光带来了太阳能【néng】光伏电池【chí】面积【jī】的【de】减小，单位【wèi】接收的光会更多【duō】，利用效率更高【gāo】。
在空间【jiān】太【tài】阳能电站接【jiē】收了太阳光【guāng】，和【hé】地【dì】面不同的【de】是无法立【lì】刻使用，而是先转化【huà】为微波进行传输，到地面再【zài】转化为电【diàn】。虽然总体来说投入成本会比地面高，但是维护【hù】成本小很多【duō】。
新方案高效、稳定、易控已达到国际领先水平
据【jù】介绍，1968年格拉【lā】塞博士提出了空间太阳能发【fā】电【diàn】站【zhàn】方案，这一设想【xiǎng】是建立在一个极其【qí】巨【jù】大的太阳能电池阵的基【jī】础上，由它来【lái】聚集大【dà】量的阳光，利用光电转换原理达到发电的目的。所产生的电能将以微波形式传输到【dào】地球上，然【rán】后【hòu】通过【guò】天【tiān】线接【jiē】收经整流转变成电能【néng】，送入全国供电网。但由于【yú】难【nán】度大，效率低、成本高等问题【tí】难【nán】以【yǐ】解决，因【yīn】而迟迟未实施。张逸群表【biǎo】示，而【ér】在此领域，我们国【guó】家正在从【cóng】追赶向着超越【yuè】的方向【xiàng】发展。
在段宝岩院【yuàn】士【shì】的【de】带领下，西安电子科技大学【xué】机电科技研【yán】究所（以下【xià】简称机电所）暨电【diàn】子装【zhuāng】备结【jié】构设计教育部重点实【shí】验室，长期以【yǐ】来对空间太【tài】阳能电站设计方案和【hé】相关【guān】理【lǐ】论技术【shù】进行了深入而系统的研究。在针【zhēn】对国内外【wài】提出【chū】的多个空间太阳能电站方案系统分析与论【lùn】证的基础上，于2014年9月提出了一种高效、稳定、易控的空【kōng】间太阳能电站创新设计方案---OMEGA(Orb-shapeMembraneEnergyGatheringArray)。国家对此【cǐ】高度关注，专【zhuān】门组织专【zhuān】家予以论证【zhèng】，并列入国家国防科工【gōng】局“十三五”重点【diǎn】研发【fā】计划的支持项目中【zhōng】。学【xué】校【xiào】也予以高度重视，科学研究【jiū】院于2014年5月成立了【le】空间太阳能电站项目【mù】群【qún】，积极鼓励和引导科研人员开展【zhǎn】研【yán】究【jiū】；在【zài】2016年【nián】将该项研【yán】究列为学校“三个一流【liú】建【jiàn】设【shè】”重点项目，支撑搭建我国首个【gè】全系统、全能量转换链路的【de】空间太阳能【néng】电站演示【shì】验证系统。
2014年9月SSPS-OMEGA方案提出以【yǐ】来，段宝岩院士团队针对方案涉及到的多个科【kē】学问题和【hé】关【guān】键技【jì】术展开了攻关，已取得可喜【xǐ】进展。
针对美【měi】国最新的任意相【xiàng】控阵空间【jiān】太阳能电站设计方【fāng】案【àn】（SSPS-ALPHA方案），段【duàn】宝岩【yán】院士团【tuán】队系统分【fèn】析【xī】了其聚光系统结【jié】构【gòu】的优【yōu】势与存在的不足，提出了“球面-线馈源”太阳能收集方式【shì】，通【tōng】过【guò】线馈源一【yī】个自【zì】由度的运动【dòng】代替了ALPHA方案中数千组镜面【miàn】的协同调整，极大地降低了系统调【diào】整难度【dù】。此外，OMEGA方案采用球形聚【jù】光【guāng】器设计，相【xiàng】比于ALPHA方案，在【zài】二者发电功率相同的【de】条件下，OMEGA方【fāng】案可实现减【jiǎn】重约【yuē】三分之一【yī】。另外，OMEGA方案实【shí】现【xiàn】了光伏电池阵列与【yǔ】发射【shè】天线系统的分离【lí】，较【jiào】ALPHA方案缓解了散热问题；同时【shí】，避免了庞大【dà】的中央电缆系统，可提高【gāo】电力传输效【xiào】率，并【bìng】大大降低【dī】系统质量；再【zài】者【zhě】，创新性的使用无线耦合传【chuán】输的方式，避【bì】免【miǎn】了传统接触式电力传输【shū】面临的接触表面粗糙度易引起【qǐ】瞬时电流【liú】过【guò】大【dà】、寿命短、可靠性低等问题。
