西电团队推动空间太阳能电站构想迈向现实

中国科学家成功测试了一种能够同时向多个移动目标无线传输电能的地面系统，这标志着在全球利用太空太阳能的竞赛中取得了重大突破。这一里程碑由西安电子科技大学教授、中国工程院院士段宝岩带领的“逐日工程”研究团队实现。该突破使长期设想的轨道“无线充电站”概念更接近现实。系统成功在超过100米的距离内向多个移动目标输出了1180瓦的功率。这种“一对多”动态无线输电技术的成功演示，推动该技术更接近实际工程应用。段宝岩将空间太阳能电站比作一个位于预定轨道的无线充电桩。天基太阳能被广泛认为是未来有前景的清洁能源解决方案。在轨道上，由于不受大气干扰和昼夜循环的影响，此类系统可以持续收集阳光。然而，由于无法从距地球36000公里的地球静止轨道或航天器之间铺设物理电缆，科学家必须依靠微波无线输电技术。该过程将电能转化为微波，远距离传输，然后在接收端将其转换回可用的直流电。目前，许多低地球轨道上的小卫星在每个96分钟的轨道周期内只能发电约60分钟。其余时间，它们处于地球阴影中，完全依赖机载电池。段宝岩表示，天基充电网络将减少对单个太阳能电池板的依赖，使卫星能够在轨道上充电。为实现这一目标，段宝岩团队于2014年提出了OMEGA设计，利用独特的球形原理聚集阳光。2022年6月，该团队建造了所谓的世界首个全链路地面验证系统，成功测试了从捕获阳光并转化为电能，到将电能转化为微波、传输，再在地面将其转换回电能的全过程。团队的最新迭代版本称为“分布式OMEGA”，解决了在太空建造和维护大规模电网的复杂工程挑战。通过聚焦模块化，该系统使用标准化的独立组件，可以像积木一样在轨道上组装或更换。西安电子科技大学机电工程学院教授李勋表示：“与之前使用完整球形聚光器收集阳光的设计不同——如果遇到太空碎片可能导致整个系统无法使用——将其分成多个小孔径球形聚光器并采用‘编队飞行’方式，即使单个单元损坏，整体性能也几乎不受影响，从而提高了系统可靠性。”李勋补充说，这还可以降低每个单元的电压，提高工程可行性。最近的测试数据显示，与2022年基准相比，性能显著提升。在超过100米的距离上，系统的直流到直流传输效率达到20.8%，高于2022年的15.05%。波束收集效率达到88%，确保微波束紧密聚焦在目标上。李勋表示，该性能“世界领先”，有助于改进高精度太阳跟踪以确保源端能量收集，精确闭环控制系统以准确将波束从发射器引导到接收器以实现更高收集效率，以及高度集成设计以最小化链路损耗。机电工程学院副院长段学超表示：“与芯片不同，在建设空间太阳能电站方面，国家之间没有技术封锁。在相似的工业能力水平下，不断提高标准只能通过技术迭代实现。”关键的是，该团队还解决了为移动物体供电所需的跟踪精度挑战。在一次模拟试验中，一架以30公里/小时飞行的无人机成功在30米外接收了稳定的143瓦功率。这一能力被认为对太空应用至关重要，因为卫星和轨道站相对于彼此不断移动。由陕西省技术转移中心组织的专家小组对该项目进行了评估，认为成果达到世界领先水平，具有广阔的工程和产业化应用前景。段宝岩表示，团队将继续应对关键挑战，包括将系统从地面验证适应到实际太空环境，提高远距离无线输电效率，以及在卫星以高轨道速度移动时实现超精确波束指向控制。