太阳能从空中发电?西安科学家提出空间太阳能电站方案

“太阳能还可以从空中发电？”太阳能发电并不是个很新鲜的清洁新能源使用方式，但是通过火箭将太阳能电站送到空中，建立空间太阳能发电站，则很少很人听说过。近日，在第二届空间太阳能电站发展技术研讨会上，西安电子科技大学段宝岩院士团队提出的名为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。

相比于地面神奇的空间太阳能发电优点多多

张逸群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，与国际上最新的美国NASA于2012年提出的方案相比，这一创新方案不仅可使太阳能收集系统功率质量比提升约三分之一，而且可有效缓解三明治结构带来的严酷的散热问题，引起与会专家学者的广泛关注与浓厚兴趣，多位专家表达了联合进行相关技术攻关的愿望。

那么，到底空间太阳能发电是怎么实现的呢？据张逸群解释，原来，面对日渐紧迫的能源危机，以及使用化石能源导致的温室效应、环境污染等问题，世界各国都在积极寻找方便、清洁的新能源。太阳能将是解决能源问题的根本出路之一，而发展空间太阳能电站则是高效利用太阳能的有效途径之一。空间太阳能电站是指将地球静止同步轨道上的太阳能，通过新的工程技术手段进行有效采集，并以微波方式传输到地面转换成电能供使用的系统。

据介绍，我国在西部等地方建立了很多太阳能电站，但是相比于空间太阳能电站，地面的太阳能电站存在很多问题，比如，用光功率密度来表示一平米接受多少瓦的光能的话，有云雾、有雨雪、有夜晚，地面的太阳能电站接收到的光密度是有限的，到达地面的太阳平均辐射量为每平方米约为150-250瓦。而在地球静止轨道上，每平方米可接收太阳能约为1400瓦，且除春分和秋分以外，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制。因此，一旦能够攻克空间太阳能发电技术，就有望逐步解决人类社会面临的能源危机，获得“取之不尽，用之不竭”的清洁可持续能源；其次，到了夜晚，地面太阳能需要用电池来畜电，需要配比好几倍于总容量的蓄电池，持续供电难度很大，成本也不低，而在空中的话，仅适用极少量的蓄电池就可以满足持续供电；最后就是地面维护容易收到风沙腐蚀，而在空中受的干扰相对小很多，相比较的可靠性高很多，我国对未来建造的空间太阳能电站的设计寿命预期为30年以上。因为有光密度大、受波动小、寿命长这三个优点，空间太阳能发电前景很广阔。

地面上太阳能光板往往需要建造的面积很大，同时还会受到太阳东升西落得影响，太阳光和光伏电池存在夹角导致光电转换效率低。段宝岩院士的解决方案用球形聚光的方式来避免系统在轨道上的大惯量、大范围旋转，同时聚光带来了太阳能光伏电池面积的减小，单位接收的光会更多，利用效率更高。

在空间太阳能电站接收了太阳光，和地面不同的是无法立刻使用，而是先转化为微波进行传输，到地面再转化为电。虽然总体来说投入成本会比地面高，但是维护成本小很多。

新方案高效、稳定、易控已达到国际领先水平

据介绍，1968年格拉塞博士提出了空间太阳能发电站方案，这一设想是建立在一个极其巨大的太阳能电池阵的基础上，由它来聚集大量的阳光，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地球上，然后通过天线接收经整流转变成电能，送入全国供电网。但由于难度大，效率低、成本高等问题难以解决，因而迟迟未实施。张逸群表示，而在此领域，我们国家正在从追赶向着超越的方向发展。

在段宝岩院士的带领下，西安电子科技大学机电科技研究所(以下简称机电所)暨电子装备结构设计教育部重点实验室，长期以来对空间太阳能电站设计方案和相关理论技术进行了深入而系统的研究。在针对国内外提出的多个空间太阳能电站方案系统分析与论证的基础上，于2014年9月提出了一种高效、稳定、易控的空间太阳能电站创新设计方案---OMEGA(Orb-shapeMembraneEnergyGatheringArray)。国家对此高度关注，专门组织专家予以论证，并列入国家国防科工局“十三五”重点研发计划的支持项目中。学校也予以高度重视，科学研究院于2014年5月成立了空间太阳能电站项目群，积极鼓励和引导科研人员开展研究；在2016年将该项研究列为学校“三个一流建设”重点项目，支撑搭建我国首个全系统、全能量转换链路的空间太阳能电站演示验证系统。

2014年9月SSPS-OMEGA方案提出以来，段宝岩院士团队针对方案涉及到的多个科学问题和关键技术展开了攻关，已取得可喜进展。

针对美国最新的任意相控阵空间太阳能电站设计方案(SSPS-ALPHA方案)，段宝岩院士团队系统分析了其聚光系统结构的优势与存在的不足，提出了“球面-线馈源”太阳能收集方式，通过线馈源一个自由度的运动代替了ALPHA方案中数千组镜面的协同调整，极大地降低了系统调整难度。此外，OMEGA方案采用球形聚光器设计，相比于ALPHA方案，在二者发电功率相同的条件下，OMEGA方案可实现减重约三分之一。另外，OMEGA方案实现了光伏电池阵列与发射天线系统的分离，较ALPHA方案缓解了散热问题；同时，避免了庞大的中央电缆系统，可提高电力传输效率，并大大降低系统质量；再者，创新性的使用无线耦合传输的方式，避免了传统接触式电力传输面临的接触表面粗糙度易引起瞬时电流过大、寿命短、可靠性低等问题。