探索丨我国首个全链路全系统SSPS地面验证系统启用

在全球能源需求持续增长和对清洁能源迫切需求的背景下，空间太阳能电站（SSPS）作为一种极具潜力的新型能源解决方案，受到了广泛关注。我国科研团队完成的“逐日工程”——世界首个全链路、全系统SSPS地面验证系统，于2023年底正式启动。开启了空间太阳能利用的新篇章，在理论与实践层面均取得了重大突破，为未来空间太阳能电站的建设与应用奠定了坚实基础。

▏****研究背景一、能源需求与现状随着全球经济的快速发展，能源消耗不断增加。传统化石能源储量有限，且在使用过程中会产生大量污染物，对环境造成严重破坏。同时，化石能源的分布不均也引发了一系列地缘政治问题，影响全球能源安全。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，在地面已得到广泛应用，但受到昼夜、天气等因素限制，难以满足持续稳定的能源需求。二、空间太阳能电站的优势空间太阳能电站位于地球大气层外，能够24小时不间断地接收太阳能，且不受天气和季节变化影响。其太阳能辐射强度比地面高得多，可实现大规模、高效率的太阳能收集与转换。通过将太阳能转化为电能并传输回地球，空间太阳能电站有望为全球提供稳定、清洁的能源供应，有效缓解能源危机和环境压力。三、国际研究现状美国、日本、欧洲等国家和地区在空间太阳能电站领域开展了大量研究工作。美国提出了多种空间太阳能电站概念方案，并进行了关键技术验证实验；日本在无线能量传输技术方面取得了显著进展，成功实现了短距离的微波能量传输；欧洲则侧重于空间太阳能电站的系统设计与集成研究。这些国际研究成果为我国的相关研究提供了重要参考，但由于空间太阳能电站技术涉及多学科交叉，仍存在诸多技术难题有待攻克。

**▏****我国的“逐日工程”**一、欧米伽SSPS创新设计方案1.整体架构我国全链路全系统SSPS创新设计方案采用独特的聚光与能量转换布局。其核心结构围绕着欧米伽形的聚光镜展开，这种设计能够更高效地收集太阳能，并引导光线聚焦到特定的光电转换区域。与传统的平面或简单曲面聚光镜相比，欧米伽聚光镜通过优化的几何形状，实现了更大的聚光比，有效提高了单位面积上的太阳能收集效率。在能量转换环节，紧密集成的高效光伏电池阵列与聚光系统协同工作，确保最大限度地将太阳能转化为电能。2.子系统协同设计整个系统由多个关键子系统组成，包括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、控制与测量子系统。这些子系统之间实现了高度的协同设计。例如，电力传输与管理子系统紧密配合聚光与光电转换子系统，实时调整电能的收集、存储和分配，确保在不同光照条件下都能稳定输出电能。控制与测量子系统则对各个子系统进行实时监测和精准控制，根据环境变化和系统运行状态，动态调整各部分的工作参数，保证系统的高效运行。

▏理论创新与技术突破一、理论创新1.场耦合理论模型科研团队建立了聚光、光电转换与发射天线的场耦合理论模型。该模型深入分析了光场、电场在系统不同组件之间的相互作用和能量传递机制。通过对这些复杂物理场的精确描述和数值模拟，揭示了系统内部能量转换和传输过程中的关键影响因素。例如，在聚光与光电转换过程中，模型考虑了光线在聚光镜表面的反射、折射以及在光伏电池内部的吸收和载流子产生过程，为优化聚光镜设计和光伏电池选型提供了坚实的理论依据。在发射天线部分，场耦合理论模型则详细分析了电能转换为微波辐射过程中的电磁场分布和能量辐射特性，指导了高性能发射天线的设计。2.系统优化设计模型基于场耦合理论模型，进一步构建了系统优化设计模型。该模型以提高系统整体性能为目标，综合考虑多个设计参数和运行条件。通过多变量优化算法，对聚光镜的形状、尺寸、材料特性，光伏电池的类型、排列方式，以及发射和接收天线的结构参数等进行全面优化。例如，在考虑系统重量和成本的约束条件下，通过优化设计模型找到使系统能量转换效率和无线传能效率达到最优的参数组合。这种系统级的优化设计模型为欧米伽SSPS的高效运行提供了理论指导，同时也为后续的工程实现提供了精确的设计准则。二、技术突破1.高效聚光与光电转换技术在聚光技术方面，研发了高精度的欧米伽聚光镜制造工艺，实现了聚光镜表面的纳米级精度加工，有效减少了光线反射损失，提高了聚光效率。同时，通过对光伏材料的深入研究和创新，采用新型的钙钛矿/硅异质结光伏电池，将光电转换效率提升到了新的高度。这种新型光伏电池结合了钙钛矿材料的高吸光系数和硅材料的稳定性，在保证高效光电转换的同时，提高了电池的长期可靠性。2.高功率微波无线能量传输技术高功率微波发射技术是实现空间太阳能电站能量传输的关键。科研团队成功突破了高功率微波源的瓶颈，研制出了高效率、高稳定性的微波发射装置。通过优化微波发射天线的结构和辐射模式，实现了高功率微波的定向发射，有效提高了微波传输的方向性和传输效率。在接收端，创新的接收与整流天线设计大幅提高了微波的接收灵敏度和整流效率。采用新型的超导材料和高效整流电路，降低了接收过程中的能量损耗，使得系统在远距离无线能量传输中表现出色。3.智能控制与测量技术为了确保系统在复杂环境下的稳定运行，开发了一套基于人工智能和大数据分析的智能控制与测量系统。该系统通过分布在各个子系统中的传感器，实时采集大量的运行数据，包括光照强度、温度、电压、电流等。利用先进的机器学习算法对这些数据进行实时分析和处理，实现了对系统运行状态的精确预测和故障诊断。例如，当系统检测到光照强度发生变化时，智能控制算法能够迅速调整聚光镜的角度和光伏电池的工作参数，保证系统始终处于最佳工作状态。在故障诊断方面，通过对历史数据的学习和分析，系统能够快速准确地定位故障点，并及时采取相应的修复措施，提高了系统的可靠性和可维护性。

▏****工程实现一、系统搭建与集成在工程实现阶段，科研团队严格按照设计方案进行系统的搭建与集成。从聚光镜的安装到各个子系统的连接和调试，每一个环节都经过了精心的策划和严格的质量控制。在聚光镜的安装过程中，采用了高精度的定位和校准技术，确保聚光镜的位置和角度精度达到设计要求。各个子系统之间的电气连接和信号传输线路也经过了优化设计，减少了信号干扰和能量损耗。在系统集成过程中，对各个子系统进行了多次联合调试，确保它们之间能够协同工作，实现系统的整体功能。二、实验平台建设为了对系统进行全面的测试和验证，科研团队专门建设了先进的实验平台。该实验平台模拟了多种实际运行环境，包括不同的光照强度、温度、湿度等条件。在实验平台上，安装了高精度的测量设备，用于对系统的各项性能指标进行精确测量。例如，采用了激光干涉仪对聚光镜的精度进行检测，使用高精度的功率分析仪对电能和微波功率进行测量。通过在实验平台上进行大量的实验，收集了丰富的实验数据，为系统的性能优化和改进提供了有力支持。

▏****实验结果一、远距离高功率微波无线传能效率在距离55m的实验测试中，系统表现出了卓越的性能。发射功率达到2081瓦，波束收集效率高达87.3%，DC - DC传输效率为15.05%。这些数据表明，我国的欧米伽SSPS地面验证系统在远距离高功率微波无线传能方面达到了世界领先水平。相比其他国家的同类研究，本系统在能量传输效率和功率稳定性方面具有明显优势。通过对实验数据的深入分析，发现系统的高效性能得益于先进的聚光与光电转换技术、高功率微波发射与接收技术以及智能控制技术的协同作用。二、功质比等其他关键技术指标除了无线传能效率，系统的功质比也达到了世界领先水平。功质比是衡量空间太阳能电站性能的重要指标之一，它反映了系统在单位质量下能够产生的功率。通过采用轻量化的材料和优化的结构设计，本系统在保证高性能的同时，有效降低了系统的重量，提高了功质比。此外，系统在稳定性、可靠性和环境适应性等方面也表现出色。经过长时间的连续运行测试，系统能够在各种复杂环境条件下稳定工作，未出现明显的性能下降和故障。

▏****应用前景与潜在影响一、能源领域缓解能源危机：空间太阳能电站能够提供大规模、稳定的清洁能源供应，有效缓解全球能源危机。我国作为能源消费大国，空间太阳能电站的发展将为我国能源安全提供重要保障。优化能源结构：有助于推动我国能源结构向清洁、低碳方向转型。减少对传统化石能源的依赖，降低碳排放，助力我国实现“双碳”目标。能源供应多样化：为偏远地区、海上平台等难以接入传统电网的区域提供可靠的能源供应，实现能源供应的多样化和均衡化。二、航天领域为航天器提供能源支持：空间太阳能电站可以为近地轨道、深空探测等航天器提供持续的能源供应，延长航天器的使用寿命，降低航天任务的成本。推动航天技术发展：促进航天技术在能源获取、无线能量传输、空间结构等方面的创新与发展，带动相关学科的进步。拓展太空探索能力：为未来的太空基地建设、星际航行等提供能源保障，拓展人类的太空探索能力。三、经济与社会领域带动产业发展：空间太阳能电站的研发、建设和运营将带动一系列相关产业的发展，如航天、能源、材料、电子等，创造大量的就业机会和经济效益。提升国际竞争力：我国在空间太阳能电站领域的技术突破和应用推广，将提升我国在全球能源和航天领域的国际竞争力，增强我国的国际影响力。改善社会生活：稳定的清洁能源供应将改善人们的生活质量，减少环境污染，促进社会的可持续发展。我国科研团队完成的“逐日工程”通过建立独特的理论模型，突破多项关键技术，成功实现了全链路、全系统的地面验证，并在远距离高功率微波无线传能效率和功质比等主要技术指标上达到世界领先水平。随着技术的不断进步和完善，空间太阳能电站有望成为解决全球能源问题的重要途径。下一步的研究工作将集中在进一步提高系统效率、降低成本、提高系统的空间环境适应性等方面。同时，积极探索空间太阳能电站的商业化应用模式，推动其从实验室研究走向实际工程应用，为实现全球能源的可持续发展做出更大贡献。（图片源自网络）
作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦、李书豪复审 | 魏星华
终审 | 韩永林