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位于西電南校區(qū)的“逐日工程”空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)。

項(xiàng)目評(píng)介會(huì)。

OMEGA–SSPS地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)說(shuō)明。 圖片均由西安電子科大提供

6月5日，世界首個(gè)全鏈路全系統(tǒng)的空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)通過(guò)專家組驗(yàn)收。中國(guó)工程院院士、西安電子科技大學(xué)段寶巖教授帶領(lǐng)的“逐日工程”研究團(tuán)隊(duì)研制的這一驗(yàn)證系統(tǒng)突破并驗(yàn)證了高效率聚光與光電轉(zhuǎn)換、微波轉(zhuǎn)換、微波發(fā)射與波形優(yōu)化、微波波束指向測(cè)量與控制、微波接收與整流、靈巧機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

驗(yàn)收當(dāng)天，在經(jīng)過(guò)了深入、細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)考察、咨詢交流等環(huán)節(jié)后，以中國(guó)科學(xué)院院士吳一戎研究員為組長(zhǎng)、包括另外三位院士在內(nèi)的九位專家組成的評(píng)價(jià)組一致認(rèn)為：該項(xiàng)目成果總體處于國(guó)際先進(jìn)水平。其中歐米伽光機(jī)電集成設(shè)計(jì)、55米傳輸距離的微波功率無(wú)線傳輸效率、微波波束收集效率、聚光與天線等高精度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功質(zhì)比等主要技術(shù)指標(biāo)位居國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果對(duì)我國(guó)下一代微波功率無(wú)線傳輸技術(shù)與空間太陽(yáng)能電站理論與技術(shù)的發(fā)展具有支撐性、引領(lǐng)性作用，應(yīng)用前景十分廣闊。

驗(yàn)證了自主創(chuàng)新的完整過(guò)程

2014年，工信部、發(fā)改委、科技部等16個(gè)部委組織來(lái)自國(guó)內(nèi)的130余位專家開(kāi)展了近一年的論證工作，論證組最終完成了《中國(guó)太空發(fā)電站發(fā)展規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)體系規(guī)劃論證報(bào)告》，為我國(guó)開(kāi)展太空發(fā)電站關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)決策提供了重要指引。

與此同時(shí)，段寶巖團(tuán)隊(duì)提出了歐米伽（OMEGA）空間太陽(yáng)能電站設(shè)計(jì)方案。這一設(shè)計(jì)方案與美國(guó)的阿爾法（ALPHA）設(shè)計(jì)方案相比，具備三個(gè)優(yōu)勢(shì)：控制難度下降，散熱壓力減輕，功質(zhì)比（天上系統(tǒng)的單位質(zhì)量所產(chǎn)生的電）提高約24%。

“空間太陽(yáng)能電站研究，目前在全世界是一個(gè)熱點(diǎn)?！倍螌殠r介紹說(shuō)。據(jù)了解，自1968年美國(guó)人彼得·格拉澤提出建設(shè)太空電站的構(gòu)想之后，先后已有美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）與能源部聯(lián)合啟動(dòng)并資助的“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”，歐洲啟動(dòng)的“空間探索與利用的系統(tǒng)、概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)”研究等。

2012年以來(lái)，在NASA創(chuàng)新概念項(xiàng)目支持下，約翰·曼金斯教授提出了“任意大規(guī)模相控陣式空間太陽(yáng)能電站”阿爾法（SSPS-ALPHA）方案。之后，美國(guó)諾格公司與加州理工大學(xué)簽署了一項(xiàng)總額1750萬(wàn)美元的空間太陽(yáng)能電站技術(shù)研發(fā)合同。與此同時(shí)，印度、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)的科研工作者，亦在空間太陽(yáng)能電站研究領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力。

2015年，日本研究者開(kāi)展了55米距離的微波無(wú)線傳能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于5.8吉赫頻率、固態(tài)源和相控陣體制下的傳輸，傳輸效率為9.88%，在微波無(wú)線能量傳輸技術(shù)方面暫時(shí)處于世界領(lǐng)先地位?！暗毡镜倪@種試驗(yàn)系統(tǒng)依然不是全鏈路的，缺少了從光到電的過(guò)程，他們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)集中在從發(fā)射天線到接收天線這一鏈路?！倍螌殠r補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)說(shuō)，“而西電搭建的這個(gè)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，是全鏈路全系統(tǒng)的，實(shí)現(xiàn)了從跟日、聚光、光電轉(zhuǎn)換、微波發(fā)射到微波接收整流等完整過(guò)程?！?/p>

測(cè)試成功時(shí)間提前近三年

10年磨一劍。

10年來(lái)，段寶巖研究團(tuán)隊(duì)從方案提出、理論分析、仿真計(jì)算、室內(nèi)傳能驗(yàn)證、戶外地面驗(yàn)證，一步一個(gè)腳印地穩(wěn)步向前開(kāi)展著空間太陽(yáng)能電站相關(guān)研究工作。

2018年12月23日，在“空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)項(xiàng)目”啟動(dòng)儀式暨高峰論壇上，西電空間太陽(yáng)能電站研究項(xiàng)目被命名為“逐日工程”。在順利完成了理論研究計(jì)算、室內(nèi)傳能驗(yàn)證之后，段寶巖研究團(tuán)隊(duì)拉開(kāi)了“逐日工程”空間太陽(yáng)能電站的戶外地面驗(yàn)證挑戰(zhàn)序幕。

“逐日工程”空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)位于西電南校區(qū)，其支撐塔為75米高的鋼結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證系統(tǒng)主要包括五大子系統(tǒng)：歐米伽聚光與光電轉(zhuǎn)換、電力傳輸與管理、射頻發(fā)射天線、接收與整流天線、控制與測(cè)量。其工作原理，首先是根據(jù)太陽(yáng)高度角確定聚光鏡需要傾斜的角度，在接收到聚光鏡反射的太陽(yáng)光后，位于聚光鏡中心的光伏電池陣，將其轉(zhuǎn)化為直流電能。隨后，通過(guò)電源管理模塊，四個(gè)聚光系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到的電能匯聚到中間發(fā)射天線，經(jīng)過(guò)振蕩器和放大器等模塊，電能被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為微波，利用無(wú)線傳輸?shù)男问桨l(fā)射到接收天線。最后，接收天線將微波整流再次轉(zhuǎn)換成直流電供給負(fù)載。

一千多個(gè)日日夜夜，“逐日工程”驗(yàn)證系統(tǒng)各子系統(tǒng)的搭建，研發(fā)人員經(jīng)歷了一次次失敗之后重新再來(lái)的艱辛與痛苦，在鍥而不舍的踔厲攀登中成功。

“從事科學(xué)研究工作，特別是我們這樣的工程項(xiàng)目，需要親自動(dòng)手，需要實(shí)際操作，需要一次次跑現(xiàn)場(chǎng)，絕不是在電腦上做做仿真就行了的。”段寶巖反復(fù)強(qiáng)調(diào)。

“計(jì)算仿真，安裝調(diào)試，其實(shí)這都不算啥，有時(shí)我們碰到的難題，完全不像是在做研究?！薄爸鹑展こ獭表?xiàng)目組主要成員之一年輕的張逸群教授說(shuō)。

“逐日工程”這個(gè)空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)，正是在段寶巖親自示范帶動(dòng)下，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組百名師生精誠(chéng)協(xié)作，一點(diǎn)一滴搭建起來(lái)的。

全鏈路、全系統(tǒng)的空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)通過(guò)驗(yàn)收時(shí)間比原定的技術(shù)路線節(jié)點(diǎn)提前了近三年。

項(xiàng)目將發(fā)揮的主要作用

空間太陽(yáng)能電站研究是一個(gè)能源領(lǐng)域的“曼哈頓工程”，涉及的技術(shù)領(lǐng)域非常之多，最終實(shí)現(xiàn)天地之間的傳輸需要幾代人的接續(xù)奮斗。

段寶巖說(shuō)：我們開(kāi)始研究，從最可能實(shí)現(xiàn)的地方做起。這樣做的好處，就是可以讓一部分“人”先富起來(lái)。

首先是太空運(yùn)轉(zhuǎn)的各類航空器以及地面運(yùn)轉(zhuǎn)的移動(dòng)設(shè)備。段寶巖設(shè)想，空間太陽(yáng)能電站未來(lái)可以成為軌道中的“太空充電樁”。他指出，目前中小衛(wèi)星需要攜帶龐大的太陽(yáng)帆板進(jìn)行充電，但其效率低，因?yàn)楫?dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到地球陰影區(qū)時(shí)便無(wú)法充電。如果有了“太空充電樁”，衛(wèi)星則不再需要龐大的太陽(yáng)帆板，只需一付可收展的接收天線，就像加油站一樣。

此外，一旦地面無(wú)線充電樁的構(gòu)想獲得突破，其在民用及軍用兩大領(lǐng)域都有著廣闊的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。比如，其能在邊遠(yuǎn)地區(qū)供電、救災(zāi)、突發(fā)事件無(wú)線供電以及降低惡劣氣候影響（臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、走向等）方面大展身手。再比如，其可直接應(yīng)用于對(duì)軍用衛(wèi)星、空間武器、大型艦船、地面軍事設(shè)施的無(wú)線供電，特別是在軍用應(yīng)急雷達(dá)、平流層飛行器、無(wú)人機(jī)群等無(wú)線供電方面具有令人激動(dòng)的應(yīng)用前景，可確保持續(xù)、靈活、可靠、實(shí)時(shí)的能源供應(yīng)，保障軍事力量的有效性和國(guó)家安全。

而在“人才演兵場(chǎng)”的作用方面，則可以用段寶巖常常給學(xué)生講的一句話進(jìn)行概括，那就是“一代做給一代看，一代更比一代強(qiáng)”。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在“逐日工程”項(xiàng)目組中，80后及90后科研人員占比已經(jīng)達(dá)到61%，他們?cè)诙鄠€(gè)子系統(tǒng)的磨合中，已經(jīng)逐漸成長(zhǎng)為理論功底與工程水平比翼齊飛的全能型人才。

據(jù)了解，接下來(lái)，段寶巖帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，在目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一對(duì)一傳輸?shù)幕A(chǔ)上，又將投入到微波大功率無(wú)線傳輸一對(duì)多等方向的探索當(dāng)中。

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