近日，加州理工學(xué)院和諾?格公司通過“天基太陽能倡議”項目聯(lián)合研發(fā)的天基太陽能發(fā)電樣機的面密度從1500克/平方米降低至600克/平方米，向制造輕質(zhì)和高效天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)更進一步。

一、技術(shù)方案

美國“天基太陽能倡議”發(fā)電系統(tǒng)在地球靜止軌道運行，通過吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)換成射頻能，再無線傳輸?shù)降孛姘l(fā)電。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化可展開設(shè)計，尺寸3千米×3千米，由2500個超輕模塊以編隊飛行形式在軌運行。模塊尺寸60米×60米，由大量長1.5米的可折疊瓦條拼接而成，入軌前被折疊成直徑1米，高1.5米的圓柱，入軌后展開。瓦條由尺寸10厘米×10厘米的瓦片組成，每個瓦片都包括發(fā)電裝置、直流-射頻轉(zhuǎn)換與傳輸裝置，且具有計時控制和熱管理功能。整個發(fā)電系統(tǒng)最終將由9億個瓦片構(gòu)成。該系統(tǒng)裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)調(diào)整模塊姿態(tài)，以確保始終有一面朝向太陽。被陽光照射的表面鋪有一層納米材料結(jié)構(gòu)以吸收太陽能，另一層結(jié)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為射頻能，射頻能經(jīng)定向無線傳輸裝置輸送至地面。“天基太陽能倡議”項目將采取“先少量再大量模塊編隊”“先低軌再高軌驗證”的思路逐步提高技術(shù)成熟度。

瓦片、瓦條、模塊和模塊編隊飛行概念圖

二、發(fā)展背景

在太空中，太陽光不受大氣影響和晝夜限制，太陽能是在地表的10倍以上。從20世紀(jì)60年代末開始，美國科學(xué)家就提出“太陽能發(fā)電衛(wèi)星”概念。此后，世界多個國家都開始研究相關(guān)技術(shù)。2015年，加州理工學(xué)院和諾?格公司簽署協(xié)議，投入1750萬美元研究天基太陽能系統(tǒng)。

三、發(fā)展歷程

2017年5月，首個能收集太陽能并進行無線傳輸?shù)某p集成樣機開展驗證，樣機面密度1500克/平方米。2017年12月，第二個樣機開展驗證，該樣機集成了光伏、能量傳輸電路和光束控制器，面密度1000克/平方米，比首個樣機輕33%。2018年，樣機完成收集太陽能、轉(zhuǎn)換電能，以及無線傳輸試驗，面密度達600克/平方米。未來，該發(fā)電系統(tǒng)面密度將降低至160克/平方米，功率2千瓦/千克，使天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)比地面發(fā)電系統(tǒng)更具成本競爭力。

四、發(fā)展前景

天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)可解決地面能源短缺和偏遠(yuǎn)地區(qū)供電困難等問題，一旦突破并實現(xiàn)低成本部署，不僅可為地面國防裝備、軍民建筑和設(shè)施提供源源不斷的電力，還可為大型航天器供電，延長其使用壽命。

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