作者:张行勇 关宏才 来源: 中国科学报 发布时间:2022-6-29
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“逐日工程”光明在前
全链路全系统空间太阳能电站地面验证系统通过验收

 

位于西电南校区的“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统。 西电供图

近日,世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过专家组验收。中国工程院院士、西安电子科技大学(以下简称西电)教授段宝岩带领“逐日工程”研究团队研制的这一验证系统突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流、灵巧机械结构设计等多项关键技术。

专家认为,该成果对我国下一代微波功率无线传输技术与空间太阳能电站理论与技术的发展具有支撑、引领作用,应用前景十分广阔。

验证完整过程

2014年,工信部、发展改革委、科技部等16个部委组织来自国内的130余位专家开展了近一年的工作,完成了《中国太空发电站发展规划及关键技术体系规划论证报告》,为我国开展太空发电站关键技术攻关决策提供了重要指引。

与此同时,段宝岩团队提出了欧米伽(OMEGA)空间太阳能电站设计方案。该设计方案与美国的阿尔法(ALPHA)设计方案相比,具备3个优势:控制难度下降、散热压力减轻、功质比(天上系统的单位质量所产生的电)提高约24%。

“空间太阳能电站研究,目前在全世界是一个热点。”段宝岩介绍说,各国先后做出了探索,其中日本研究者于2015年开展了55米距离的微波无线传能实验,验证了基于5.8吉赫频率、固态源和相控阵体制下的传输,传输效率为9.88%,在微波无线能量传输技术方面暂处世界领先地位。

“但日本的这种试验系统依然不是全链路的,缺少了从光到电的过程,他们的技术优势集中在从发射天线到接收天线这一链路。”段宝岩补充说,“而西电搭建的这个地面验证系统,是全链路全系统的,实现了从跟日、聚光、光电转换、微波发射到微波接收整流等完整过程。”

提前近三年测试成功

10年来,段宝岩研究团队从方案提出、理论分析、仿真计算,到室内传能验证、户外地面验证,稳步开展空间太阳能电站相关研究工作。

2018年12月23日,在“空间太阳能电站系统项目”启动仪式暨高峰论坛上,西电空间太阳能电站研究项目被命名为“逐日工程”。在顺利完成了理论研究计算、室内传能验证之后,段宝岩研究团队拉开了“逐日工程”空间太阳能电站的户外地面验证挑战序幕。

“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统位于西电南校区,其支撑塔为75米高的钢结构,验证系统主要包括5大子系统:欧米伽聚光与光电转换、电力传输与管理、射频发射天线、接收与整流天线、控制与测量。其工作原理是根据太阳高度角确定聚光镜需要倾斜的角度,在接收到聚光镜反射的太阳光后,位于聚光镜中心的光伏电池阵,将其转化为直流电能。随后,通过电源管理模块,4个聚光系统转换得到的电能汇聚到中间发射天线,经过振荡器和放大器等模块,电能被进一步转化为微波,利用无线传输的形式发射到接收天线。最后,接收天线将微波整流再次转换成直流电供给负载。

“从事科学研究工作,特别是我们这样的工程项目,需要亲自动手,需要实际操作,需要一次次跑现场,绝不是在电脑上做做仿真就行的。”段宝岩反复强调。

“计算仿真,安装调试,其实这都不算啥,有时我们碰到的难题,完全不像是在做研究。”“逐日工程”项目组主要成员张逸群说。

经过一千多个日夜的奋战,全链路、全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过验收时间比原定的技术路线节点提前了近3年。

段宝岩告诉记者,空间太阳能电站研究是一个能源领域的“曼哈顿工程”,涉及的技术领域非常多,最终实现天地之间的传输需要几代人接续奋斗。

“我们的研究从最可能实现的地方做起。这样做的好处,就是可以‘让一部分人先富起来’。”段宝岩说。

首先是让太空运转的各类航空器以及地面运转的移动设备获益。段宝岩设想,空间太阳能电站未来可以成为轨道中的“太空充电桩”。他指出,目前中小卫星需要携带庞大的太阳帆板进行充电,但其效率低,当卫星运行到地球阴影区时便无法充电。如果有了“太空充电桩”,卫星只需一架可收展的接收天线即可充电,就像加油站一样。

此外,一旦地面无线充电桩的构想获得突破,便能在边远地区供电、救灾、突发事件无线供电以及降低恶劣气候影响方面大展身手。

接下来,段宝岩团队将在目前已经实现的一对一传输基础上,探索微波大功率无线传输一对多等方向。(张行勇 关宏才)

《中国科学报》 (2022-06-29 第3版 领域)
 
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