太空无线充电要来了？“逐日工程”微波传能效率再突破

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：iStock

撰文| Bell

编辑 | 小澜

→这是《环球零碳》的1992篇原创

自古以来，人类对太阳的敬畏与追寻从未停歇。

从神话中的夸父逐日，到如今全球装机量超过647GW的太阳能光伏板，我们一直在不断追逐和探索这颗恒星慷慨赠予的能量。

然而，地面上的太阳能利用始终面临一个无奈的困局：昼夜交替让这份来“自太阳的礼物”变得断断续续。

为了突破这一局限，科学家们将目光投向了更高的维度——在太空中建立太阳能电站，摆脱大气层的束缚，真正实现“全时段”的能量采集。

正是基于这样宏大的愿景，我国于2018年正式启动的空间太阳能电站系统项目——“逐日工程”，正在逐步将这一科幻般的设想变为现实。

该项目由西安电子科技大学段宝岩院士团队牵头，目标是将地球静止同步轨道上的太阳能，通过新的工程技术手段有效采集，并传输到地面成为电能供使用的系统。

基于八年以来的研究积累与成果，西安电子科技大学项目团队近日再次取得阶段性重大进展，突破了空间太阳能电站（SSPS）与微波无线传能的多项关键核心技术。

项目团队攻克了远距离、高功率、高效率一对多目标微波无线传能技术，在百米级距离实现千瓦功率输出，同时解决了多目标供电的精准控制问题。

测试数据显示，在百米级距离，直流-直流传输效率达到20.8%、输出功率达到1180瓦、波束收集效率达到88.0%，性能显著提升。

图说：“逐日工程”示意图

来源：CGTN

空间太阳能电站（SSPS）的基本原理极具想象力：在地球同步轨道部署巨型太阳能电池阵列，将源源不断的太阳能转化为直流电能，再通过微波或激光等无线能量传输方式，精准地“投递”给接收天线，然后再次转化为直流电，供用户使用，甚至可以接入现有电网。

这相当于在距地面数万公里的高空建造了一座“无线充电站”，其能量来源稳定且强度是地面的数倍，产生的电能既可以输送回地球也可以传送给航天器。

据介绍，理论上如果在地球静止轨道上部署一条宽度为1000米的太阳能光伏电池阵环带，假定其转换效率为100%，那么它在一年中接收到的太阳辐射通量约等于目前地球上已知可开采石油储量所包含的能量总和。

2013年底，随着一份题为《关于尽早启动我国太空发电站关键技术研究的建议》的院士联名建议案获得批复，中国空间太阳能电站研究开始步入发展快车道。

2014年，来自国内的130余位专家开展了近一年的论证工作，论证组最终完成了《中国太空发电站发展规划及关键技术体系规划论证报告》。

与此同时，西安电子科技大学的段宝岩院士团队提出了具有自主知识产权的“欧米伽”（OMEGA）创新设计方案。

这套方案摒弃了传统平板式结构，设计了一个形似巨大凹面镜的聚光系统，能够更高效地收集阳光并将其聚焦在光伏电池阵上。

与美国的阿尔法（ALPHA）设计方案相比，这一方案具备三个优势：控制难度下降，散热压力减轻，功质比（天上系统的单位质量所产生的电）提高约24%。

2018年12月，“空间太阳能电站系统项目”在西安启动，并正式被赋予了那个充满浪漫主义的名字——“逐日工程”。自此，一场跨越理论与工程鸿沟的攻坚拉开了序幕。

图说：“逐日工程”地面验证系统

来源：西安电子科技大学

项目第一阶段的目标是构建地面验证系统。

2022年6月，团队成功建成了世界首个全链路、全系统的空间太阳能电站地面验证系统，成功打通从聚光发电到微波传输再到接收整流的完整技术链条。

该地面验证系统位于西电南校区，主要包括五大子系统：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。

其工作原理首先是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。

图说：“逐日工程”地面验证系统结构

来源：西安电子科技大学

如今，项目已进入第二阶段，目标是解决在太空中产生高功率并高效远距离传输的难题。

今年5月，“逐日工程”再次传出了振奋人心的消息。

研究团队从多学科交叉、多系统耦合与系统可靠性角度出发，提出了分布式欧米伽空间太阳能电站创新设计方案。

这一方案旨在解决在太空构建和维护大型电网这一复杂的工程难题。该系统注重模块化设计，采用标准化、独立的组件，这些组件可以像积木一样在轨道上组装或更换。

而且，该系统性能较2022年显著提升。测试数据显示，在百米级距离，该系统输出功率达到1180瓦，直流-直流传输效率达20.8%，高于2022年的15.05%。同时，波束收集效率达到88.0%，这表明微波能量束始终紧密聚焦于目标上。

更重要的是，该团队实现了一套发射系统为多个移动目标供电，解决了多目标供电的精准控制问题，未来有望为多个太空飞行器或地面移动设备同时供电。

在实验中，一架以每小时30公里速度飞行的无人机成功从30米外接收到稳定的143瓦电力。这项能力对于航天应用至关重要，因为卫星和轨道空间站之间处于相对运动状态。

此外，在空间发电上，太阳能聚光与光电转换效率显著提升。在发射与接收天线集成化、小型化与轻量化上，项目团队同样取得关键进展，为设备的太空部署奠定了基础。

来源：西安电子科技大学

团队计划在规划期内开展近地轨道技术验证试验，并在2030年前后进行兆瓦级在轨试验。

“逐日工程”的最终目标，是在2050年前建成吉瓦级商业太空太阳能发电站，直接向地球输送清洁能源。

随着这项技术不断成熟，当太空光伏成本持续下降、无线传能效率节节攀升，来自太空的清洁电力终将汇入寻常百姓家。

Reference：

[1]https://www.21jingji.com/article/20260519/herald/a64b716f41d884c73c84bf125ec9cc17.html

[2]https://news.xidian.edu.cn/info/1482/220962.htm

[3]https://eme.xidian.edu.cn/info/1236/6842.htm

[4]https://news.xidian.edu.cn/info/1482/202426.htm

[5]https://news.xidian.edu.cn/info/1482/202447.htm

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