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2022年6月5日，從西安電子科技大學(xué)段寶巖院士帶領(lǐng)的“逐日工程”研究團(tuán)隊(duì)傳來好消息，世界首個(gè)全鏈路全系統(tǒng)的空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)順利通過專家組驗(yàn)收。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)。
當(dāng)天上午，在經(jīng)過了深入、細(xì)致的現(xiàn)場考察、咨詢交流等環(huán)節(jié)后，以吳一戎院士為組長、包括另外三位院士在內(nèi)的九位專家組成的評價(jià)組一致認(rèn)為：
該項(xiàng)目成果總體處于國際先進(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)位居國際領(lǐng)先水平。該成果對我國下一代微波功率無線傳輸技術(shù)與空間太陽能電站理論與技術(shù)的發(fā)展具有支撐性、引領(lǐng)性，應(yīng)用前景十分廣闊。
全鏈路全系統(tǒng)地面驗(yàn)證系統(tǒng)
驗(yàn)證了完整過程
2013年底，隨著一份題為《關(guān)于盡早啟動我國太空發(fā)電站關(guān)鍵技術(shù)研究的建議》的院士聯(lián)名建議案獲得批復(fù)，中國空間太陽能電站研究開始步入發(fā)展快車道。
2014年，工信部、發(fā)改委、科技部等16個(gè)部委組織了來自國內(nèi)的130余位專家開展了近一年的論證工作，論證組最終完成了《中國太空發(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》，為我國開展太空發(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)，西安電子科技大學(xué)段寶巖院士團(tuán)隊(duì)提出了歐米伽（OMEGA）空間太陽能電站設(shè)計(jì)方案。這一設(shè)計(jì)方案與美國的阿爾法（ALPHA）設(shè)計(jì)方案相比，具備三個(gè)優(yōu)勢：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%。
“空間太陽能電站研究，目前在全世界是一個(gè)熱點(diǎn)。”段寶巖院士介紹說。據(jù)了解，自1968年美國人彼得•格拉澤提出建設(shè)太空電站的構(gòu)想之后，先后已有美國國家航空航天局（NASA）與能源部聯(lián)合啟動并資助的“1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”，歐洲啟動的“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，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能電站”阿爾法（SSPS-ALPHA）方案。之后，美國諾格公司與加州理工大學(xué)簽署了一項(xiàng)總額1750萬美元的空間太陽能電站技術(shù)研發(fā)合同。與此同時(shí)，印度、俄羅斯、英國、法國的科研工作者，亦在空間太陽能電站研究領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力。
目前，在眾多技術(shù)強(qiáng)國的發(fā)展路線圖中，日本后來居上，已經(jīng)成為走在世界最前沿的研究者之一。他們在世界上第一個(gè)將空間太陽能電站正式列入了國家航天計(jì)劃，還提出了獨(dú)特的分布式繩系太陽能電站理念，制定了“研究-研發(fā)-商業(yè)”三階段的遠(yuǎn)景發(fā)展路線圖。
2015年，日本研究者開展了55米距離的微波無線傳能實(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%，在微波無線能量傳輸技術(shù)方面暫時(shí)處于世界領(lǐng)先地位。“但日本的這種試驗(yàn)系統(tǒng)依然不是全鏈路的，缺少了從光到電的過程，他們的技術(shù)優(yōu)勢集中在從發(fā)射天線到接收天線這一鏈路。”段寶巖介紹說，“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程。”
測試成功時(shí)間比原定技術(shù)路線節(jié)點(diǎn)
提前了近三年
如果從2013年通過院士建議參與到推動中國空間太陽能電站研究工作算起，今年正好是段寶巖院士帶領(lǐng)的西電研究團(tuán)隊(duì)參與這一科研攻關(guān)項(xiàng)目的第10個(gè)年頭。10年來，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，正一步一個(gè)腳印地穩(wěn)步向前開展著空間太陽能電站相關(guān)研究工作。
2017年，國家成立空間太陽能電站推進(jìn)委員會。一年后，我國首個(gè)空間太陽能電站領(lǐng)域的省部級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“陜西省空間太陽能電站系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”在西電掛牌。2021年中國宇航學(xué)會空間太陽能專委會成立。
2018年12月23日，在“空間太陽能電站系統(tǒng)項(xiàng)目”啟動儀式暨高峰論壇上，西電空間太陽能電站研究項(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)拉開了“逐日工程”空間太陽能電站的戶外地面驗(yàn)證挑戰(zhàn)序幕。
OMEGA--SSPS地面試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)
“逐日工程”空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)位于西電南校區(qū)，其支撐塔為75m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、控制與測量。其工作原理，首先是根據(jù)太陽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。
光匯聚與光電轉(zhuǎn)換情況實(shí)驗(yàn)
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，以及一次次失敗之后重新再來的艱辛與痛苦，都凝聚在下面這樣的一個(gè)個(gè)瞬間，以及項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)成員持之以恒、鍥而不舍的身影之中。
一天夜里，已是凌晨時(shí)分，北校區(qū)新科技樓旁，一位長者正帶著兩位青年學(xué)生抬著一個(gè)200公斤的天線走到實(shí)驗(yàn)樓樓口。天線太沉，人手太少。于是，長者去樓門口“抓壯丁”。在這棟樓的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，每天都有上千學(xué)生進(jìn)行各種試驗(yàn)，凌晨時(shí)分下自習(xí)者并不鮮見。長者很快“抓到”了幾個(gè)剛走出實(shí)驗(yàn)室的“學(xué)生壯丁”。就在大家一起抬天線的時(shí)候，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)身邊這個(gè)長者不是別人，正是“逐日工程”的首席科學(xué)家段寶巖院士。
“從事科學(xué)研究工作，特別是我們這樣的工程項(xiàng)目，需要親自動手，需要實(shí)際操作，需要一次次跑現(xiàn)場，絕不是在電腦上做做仿真就行了的。”段寶巖院士反復(fù)強(qiáng)調(diào)。在這近三年地面驗(yàn)證系統(tǒng)搭建攻堅(jiān)階段，段寶巖與團(tuán)隊(duì)成員夜以繼日最晚的記錄是早晨六點(diǎn)，而且不止一次。其中最近的一次發(fā)生在2022年4月，學(xué)生們在一項(xiàng)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)始終不能讓人滿意，他陪著學(xué)生一起通宵達(dá)旦到了次日早晨六點(diǎn)?；丶液唵蜗词螅退麉⒓恿硪粋€(gè)學(xué)術(shù)研討會的汽車已等在樓下。
“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。”年輕的張逸群教授是“逐日工程”項(xiàng)目組的主要成員之一，他講起了在日常工作中碰到的一件小事，這件事雖與解決科研難題關(guān)系不大，但卻從另一個(gè)側(cè)面記錄著科研的艱辛。
有一天深夜，天氣預(yù)報(bào)顯示一場暴雨將在幾個(gè)小時(shí)以后抵達(dá)。剛剛在南校區(qū)試驗(yàn)場測量完聚光器型面精度，張逸群正打算將空中系統(tǒng)落地回收、搬回庫房時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)自己難以解決的問題：空中系統(tǒng)和地面支撐運(yùn)輸結(jié)構(gòu)難以完全裝配，這里牽扯到了結(jié)構(gòu)和控制諸多因素。
一個(gè)小時(shí)的無果嘗試之后，眼看烏云密布，他撥通了遠(yuǎn)在20里外北校區(qū)的另一位團(tuán)隊(duì)骨干陳光達(dá)教授的微信視頻。又是一個(gè)小時(shí)的遠(yuǎn)程討論，無果。此時(shí)已是凌晨兩點(diǎn)，一輛轎車從北校區(qū)的南門駛出，半個(gè)小時(shí)后，陳光達(dá)出現(xiàn)在滿頭大汗的張逸群身旁。此刻，雷聲滾滾，他們終于在大雨到來的最后一刻之前，將空中系統(tǒng)完美降落在地面支撐運(yùn)輸結(jié)構(gòu)上，將系統(tǒng)完整無缺地搬回到了庫房。
張逸群教授正在懸吊狀態(tài)下逐個(gè)測量歐米伽聚光器線饋源光伏電池表面入射光強(qiáng)度
許多了不起的成就，其實(shí)都靠點(diǎn)點(diǎn)滴滴的細(xì)小努力積累而成的。“逐日工程”這個(gè)空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)，就是在段寶巖院士親自示范帶動下，經(jīng)過項(xiàng)目組幾十上百名師生精誠協(xié)作，一點(diǎn)一滴搭建起來的。2022年6月5日，全鏈路、全系統(tǒng)的空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)通過驗(yàn)收，這個(gè)時(shí)間比原定的技術(shù)路線節(jié)點(diǎn)提前了近三年。
項(xiàng)目正發(fā)揮著
“技術(shù)工具包”和“人才演兵場”作用
空間太陽能電站研究是一個(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。作為“逐日工程”首席科學(xué)家，段寶巖院士深知，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：“打個(gè)比方，天地傳輸就像是共同富裕一樣，那是終極目標(biāo)，一定需要很多年很多人的努力才能實(shí)現(xiàn)，但我們可以從現(xiàn)在就開始研究，從最為可能實(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。”
2020年11月，黨委書記查顯友與第四屆全國無線傳能學(xué)術(shù)會議代表合影
段寶巖介紹道，這些最先享受到空間太陽能電站事業(yè)紅利的“先富起來的‘人’”可以分為兩大類：
首先是太空運(yùn)轉(zhuǎn)的各類航空器以及地面運(yùn)轉(zhuǎn)的移動設(shè)備。段寶巖設(shè)想，空間太陽能電站未來可以成為軌道中的“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帆板，只需一套可收展的接收天線，就像加油站一樣。
逐日工程發(fā)射與接收天線
此外，一旦地面無線充電樁的構(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)事件無線供電以及降低惡劣氣候（臺風(fēng)強(qiáng)度、走向等）影響方面大展身手。再比如，其可直接應(yīng)用于對軍用衛(wèi)星、空間武器、大型艦船、地面軍事設(shè)施的無線供電，特別是在軍用應(yīng)急雷達(dá)、平流層飛行器、無人機(jī)群等無線供電方面具有令人激動的應(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家安全。
更為重要的是，作為一名曾經(jīng)擔(dān)任過十年校長的教育工作者，段寶巖看重了推動“逐日工程”產(chǎn)生的“技術(shù)工具包”和“人才演兵場”作用。他說，這項(xiàng)研究工作可以為全鏈路全系統(tǒng)空間太陽能電站所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域，提供一個(gè)齊頭并進(jìn)的發(fā)展環(huán)境，與此相關(guān)的技術(shù)與工程研究，都可以在這個(gè)“兩全”的技術(shù)包基礎(chǔ)上，對供能方式進(jìn)行個(gè)性化微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新發(fā)展。
而在“人才演兵場”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)”。段寶巖非常注重在學(xué)生中盡早發(fā)現(xiàn)科研好苗子，一旦發(fā)現(xiàn)就選入項(xiàng)目組鍛煉、悉心培養(yǎng)。2022年5月，當(dāng)“逐日工程”項(xiàng)目組博士生錢思浩順利完成畢業(yè)答辯，準(zhǔn)備跟同學(xué)們出去慶祝一下時(shí)，在本科時(shí)就發(fā)現(xiàn)其科研潛質(zhì)的導(dǎo)師段寶巖叫住了他。“有幾個(gè)地方還可以再修改一下。”就這樣，他以繼續(xù)改論文這種特殊的方式度過了答辯通過之后的第一個(gè)夜晚。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%，他們在多個(gè)子系統(tǒng)的磨合中，已經(jīng)逐漸成長為理論功底與工程水平比翼齊飛的全能型人才。
接下來，段寶巖院士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，在目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一對一傳輸?shù)幕A(chǔ)上，又將投入到微波大功率無線傳輸一對多等方向的探索當(dāng)中。
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空間太陽能電站?？臻g太陽能電站英文縮寫SSPS（space solar power station）凝聚了半個(gè)多世紀(jì)以來地球上最聰慧的腦細(xì)胞持之以恒的思考與努力。簡單講，其主要由“發(fā)”“送”“收”三部分組成。首先在太空中通過大型太陽能電池陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，繼而將電能轉(zhuǎn)化為微波，接著通過微波發(fā)射天線將能量傳輸?shù)浇邮仗炀€，最后由接收天線將接收到的微波轉(zhuǎn)化為電能，供用戶使用。一句話概括，這是一套在地球軌道上收集太陽能，再無線傳輸?shù)浇邮仗炀€的發(fā)電系統(tǒng)。
歐米伽空間太陽能電站方案。歐米伽方案利用了球形聚光器線聚焦域的特點(diǎn)，將聚光器設(shè)計(jì)為任意軸對稱的回轉(zhuǎn)體，采用線饋源聚焦。課題組通過微波菲涅爾場理論的初步分析，計(jì)算出了收、發(fā)天線系統(tǒng)規(guī)模，估算了相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)。此外，設(shè)計(jì)了一種無線耦合的方式進(jìn)行能量傳輸管理結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換所獲得的直流電可通過傳輸電纜，送至高功率微波發(fā)射天線。發(fā)射天線通過大跨度調(diào)整索連接于主反射體“南北極”區(qū)域，連接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可大幅度降低。
歐米伽空間太陽能電站方案三大創(chuàng)新點(diǎn)。一是提出了歐米伽空間太陽能電站（SSPS-OMEGA）創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，包括：聚光與微波系統(tǒng)分布式設(shè)計(jì)、“球面-線聚焦”聚光模式等，可為我國未來建造空間太陽能電站提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。二是建立了多物理場耦合理論模型，揭示了空間復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境因素對微波功率無線傳輸效率的影響機(jī)理，提出了基于場耦合理論模型與影響機(jī)理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法，為該項(xiàng)目的成功研制奠定了理論基礎(chǔ)。三是突破并驗(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、微波波束指向測量與控制、微波接收與整流以及高精度機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，微波波束收集效率、微波功率無線傳輸效率、功質(zhì)比等等主要技術(shù)指標(biāo)位居國際領(lǐng)先水平。
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