段宝岩院士团队提出一种空间太阳能收集与发射天线创新设计方案

可明显提升NASA空间太阳能电站设计方案的两个关键指标参数

■ 通讯员 张逸群

近日，在西安举行的中国工程院第二届“空间信息技术与应用展望”院士论坛上，中国工程院段宝岩院士团队提出了一种空间太阳能收集与发射天线的创新设计方案，可明显提升NASA支持开展的新型任意相控阵空间太阳能电站（SSPS-ALPHA方案）的两个关键指标参数：一是可使其太阳能收集系统功率质量比提升约30%，二是可使空间散热面积提高约25%。这一改进的新方案被命名为SSPS-OMEGA方案。

能量转换和发射天线是空间太阳能电站的关键部分

空间太阳能电站是指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。段宝岩介绍说，一个典型的空间太阳能电站主要由三个部分组成，即太阳能光电转换装置、能量转换和发射装置，以及地面接收和转换装置。

“太阳能光电转换装置将太阳能转化成为电能，能量转换装置将电能转换成微波等形式，并利用天线向地面发送能束，地面接收系统利用地面天线接收空间发射来的能束，通过转换装置将其转换成电能供地面使用，整个过程就是一个‘太阳能—电能—微波—电能’的转变过程”，段宝岩说，“其中实现能量转换和发射的天线装置是其关键部分。”

因为空间太阳能电站发射天线总辐射功率大、波束指向精度高，其天线阵列的物理口径都是公里量级，如此尺度和功率的空间天线设计面临巨大的技术挑战。段宝岩介绍说，目前亟待解决空间太阳能电站的太阳能收集系统功率质量比，以及发射天线结构重量和辐射面积、散热等相关技术难题。

空间太阳能电站研究正在受到世界各国高度重视

据介绍，空间太阳能电站概念自1968 年由美国科学家彼得·格拉赛提出以来，国际上对此的研究已经超过40年，其间由于关键技术无法突破、需要投入巨额资金等，相关研发工作研究曾一度停滞。近年来，由于地球化石能源危机凸显，以美国和日本为主的发达国家，又重新投入资金和人力，广泛开展空间太阳能电站技术研究。

2007年4月，美国国防部国家安全空间办公室成立了空间太阳能电站研究组，组织NASA等不同工业部门的170多位专家参与研究完成了“空间太阳能电站——战略安全的机遇”研究报告，引发新一轮空间太阳能电站研究热潮。而日本已经将发展空间太阳能电站纳入到国家重大计划中，拟在2030年左右初步实现第一个商业化空间太阳能电站系统。

段宝岩介绍说，目前空间太阳能电站主流的设计方案包括美国的1979 SPS基准、“太阳塔”、“太阳帆”、集成对称聚光系统，以及日本的SPS2000、2001系列方案等，最新的则是在NASA支持开展的创新概念项目支持下，由美国、日本和英国科学家共同提出的一种空间太阳能电站概念方案——任意相控阵空间太阳能电站。

我国从上世纪80年代以来，就一直在跟踪国际空间太阳能电站的发展。近年来，以中国空间技术研究院为核心，中国工程物理研究院、西安电子科技大学、重庆大学等参与的国内研究团队，分别结合各自的研究优势，已经在系统论证和关键技术方向开展了相关研究工作。

西安电子科技大学积极参与空间太阳能电站关键技术研究

在段宝岩院士带领下，西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室，对空间太阳能电站设计方案与理论技术进行了深入分析，从系统的角度论证了空间太阳能电站的工程可行性，并在国内较早地开展了相关领域的研究。2014年5月，学校科学研究院还发布了空间太阳能电站项目群研究指南，积极鼓励和引导科研人员开展研究。

针对最新的任意相控阵空间太阳能电站设计方案（SSPS-ALPHA方案），段宝岩院士团队系统分析了其聚光系统结构的优势与存在的不足，提出了“球面-线馈源”太阳能收集系统，其优势在于太阳能收集器无需旋转，可以实现光伏电池的等光强设计等，理论上相同质量下可以使其采光表面积大大增加，使其功率质量比提升约30%。

此外，还针对SSPS-ALPHA方案光伏电池、微波电路和发射天线集成在一起的“三明治”结构中，存在的热集中、散热难等问题，提出了改进的结构方案，将微波转换电路层从“三明治”中取出，并设计成曲面，增加散热面积约25%，从而可提高光伏电池阵的聚光比。

被命名为SSPS-OMEGA方案的上述研究成果，在中国工程院第二届“空间信息技术与应用展望”院士论坛公开后，引起了与会专家的高度关注与浓厚兴趣。

“未来空间太阳能电站需要考虑的因素，还包括高效收集太阳能、高效光电转换、发射天线的设计、组装与方向图形成，以及聚光镜与发射天线的柔性连接与控制等。”段宝岩介绍说。