新能源发电技术(新能源发电技术论文)

（来源：innovationfrontier）

▎全球太空能源竞赛正逐渐升温。

钛媒体编辑丨林志佳

随着全球能源短缺问题加剧，中国开始在太空中部署太阳能发电厂。钛媒体App 6月21日消息，据中国科协主管的《小康》杂志报道，中国空间技术研究院董士伟团队日前在《中国空间科学技术》上发表一篇论文称，中国将在2028年发射一颗试验卫星，来测试从太空到地面400公里的无线电力传输技术，即2028年在太空建造中国第一座太阳能发电厂，比原计划提前两年。报道指，这颗卫星将太阳能转换为微波或激光，然后将能量束引导至各种目标，包括地球上的固定位置和移动的卫星。与此同时，6月14日，西安电子科技大学官网发布消息称，中国工程院院士段宝岩带领的逐日工程团队，研制的全链路全系统空间太阳能电站地面验证系统通过验收，实现从跟日、聚光、光电转换、微波发射到微波接收整流等完整过程。这意味着，中国已经成功测试了一项新的革命性技术——将太阳能从外太空无线传输到地球，从而更好的解决能源短缺及碳排放问题，预计最快六年后进行实践，有望改变全球能源的整体格局。开在太空的太阳能发电厂空间太阳能电站（SSPS），是一套基于太阳能发电技术，在地球轨道上收集太阳能再无线传输到接收天线的发电系统。它利用卫星在太空中把太阳能聚集起来，然后把能量集中射向地面，再转变成电能供人类使用。目前，人类已经有了风力发电和太阳能发电，但是这种方式获取的能源需要考虑阳光、风速等天气、环境的影响，尤其地面上索取太阳能断断续续，受云层遮盖影响较大，甚至会因为核电站产生放射性废料，导致能源受到污染。而太空中的阳光强度要比地面大5-10倍，可提供恒定而没有污染的能量。从技术上来说，空间太阳能电站主要由发、送、收三部分组成。首先，空间太阳能电站在太空中，通过大型太阳能电池阵列将太阳能转化为电能，继而将电能转化为微波，接着通过微波发射天线将能量传输到接收天线，最后由接收天线将接收到的微波转化为电能，供用户使用。早在1941年，科幻小说作家伊萨克·阿西莫夫（Issac Assimov），在他的短篇小说《理性》（Reason）中谈到空间站可以利用微波束从太阳收集的能量传输到各个行星。1968年，美国航空工程师彼得·格拉泽（Peter Glaser）撰写了第一个关于空间太阳能系统的正式提案，距离阿姆斯特朗（Neil Armstrong）月球漫步仅过去一年，而阿西莫夫的愿景更接近现实。1973年，格拉泽获得了卫星太阳能发电系统专利。中国于2013年通过院士建议，开始推动中国空间太阳能电站研究工作，至今正好十年。2017年，国家成立空间太阳能电站推进委员会，一年后，中国首个空间太阳能电站领域的省部级重点实验室在西安电子科技大学挂牌。2018年12月23日，中国正式启动西电空间太阳能电站研究项目，命名为逐日工程；2021年中国宇航学会空间太阳能专委会正式成立，开启中国空间太阳能电站的测试研制工作。目前，中国空间太阳能电站研究主要分地面端和卫星端两部分进行开展。空间太阳能电站地面验证系统（来源：西安电子科技大学新闻网）从地面验证来看，段宝岩院士逐日工程团队提出了欧米伽（OMEGA）空间太阳能电站设计方案：首先以75m高的钢结构支撑塔为底座，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，四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。空间太阳能电站分阶段任务（来源：论文）从卫星传输来看，董士伟团队论文称，中国提出两大步，三小步发展设想：2028年中国完成空间高压发电输电及无线能量传输试验任务；到2030年前，中国分别完成空间太阳能电站关键技术地面及浮空器试验验证、空间超高压发电输电及轨道间能量传输试验验证和间无线能量对地传输试验验证，构建地球静止轨道 (GEO) 大功率无线能量对地传输试验。2035年，中国要构建10兆瓦 (MW) 空间太阳能电站，开始向部分用户输送能源。到2050年前，分别建设兆瓦级空间太阳能电站验证系统和吉瓦 (GW) 级商业空间太阳能电站，功率输出预计将上升到2吉瓦，与核电站大致相同，并且成本降低到商业可承受的水平，以实现空间太阳能电站的商业化运行。而任务主要目标是为社会提供一种可持续的绿色基础能源。全球太空能源竞赛升温不止是中国，美国、日本、印度、俄罗斯、英国、法国亦在空间太阳能电站研究领域持续发力。其中，日本后来居上，已经成为走在世界最前沿的研究者之一。他们在世界上第一个将空间太阳能电站正式列入了国家航天计划，还提出了独特的分布式绳系太阳能电站理念，制定了研究-研发-商业三阶段的远景发展路线图。早在2015年，日本研究团队开展了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时处于世界领先地位。报告显示，到2030年，日本将开发出功能正常的空间太阳能发电系统。不过段宝岩院士认为，上述日本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。而中国的OMEGA—SSPS地面验证系统已经实现全链路全系统的完整过程。而美国宇航局（NASA），于1999年提出的太阳能探索性研究和技术计划，重新介入研究空间太阳能问题。到了2012年，NASA创新概念项目支持下，美国提出了任意大规模相控阵式空间太阳能电站阿尔法（SSPS-ALPHA）方案。随后，美国诺格公司与加州理工大学签署了一项总额1750万美元的空间太阳能电站技术研发合同。此外，英国政府在今年3月表示，他们正在考虑一项160亿英镑的投资提议，借助空中客车等欧洲公司帮助下，到2035年，将英国研制的太阳能发电厂投入太空。全球太空能源竞赛正逐渐升温。段宝岩院士表示，空间太阳能电站研究是一个能源领域的曼哈顿工程。实际上，在外太空建立发电站，不会受到天气因素的影响，而且太阳能发电是清洁能源，不仅可以解决能源短缺的问题，还能有效减少地球污染问题。发电站地面验证系统的发射与接收天线在段宝岩团队看来，空间太阳能电站的应用主要有以下两点：

1、成为轨道中的太空充电桩，为太空运转的各类航空器以及地面运转的移动设备供电，而不再需要庞大的太阳帆板。

2、一旦地面无线充电桩的构想获得突破，其在民用及军用两大领域都有着广阔的现实价值，包括救灾、突发事件无线供电，降低恶劣气候（台风强度、走向等）影响，以及用于对军用卫星、空间武器、大型舰船、地面军事设施的无线供电等，可确保持续、灵活、可靠、实时的能源供应，保障国家安全。

此外，部分科学家认为，空间太阳能技术还可能作为武器瞄准城市或操纵天气，但目前没有国际法律来规范这些活动。需要提醒的是，董士伟团队在论文中表示，上述这些应用、任务都属于在轨验证。在此之前，中国还需要开展充分的地面试验，从而为中国空间太阳能电站事业发展提供重要技术支撑。（本文首发钛媒体App，作者｜林志佳）

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