能源危機(jī)下的新突破：為何要“追著太陽跑”？

隨著化石能源枯竭與碳中和目標(biāo)推進(jìn)，太空太陽能發(fā)電（SSPS）成為全球研究熱點(diǎn)。太空中的太陽能密度高達(dá)地面10倍（1360 W/m2），若能高效收集并傳回地球，將重塑能源格局。然而，過去50年，SSPS技術(shù)面臨兩大瓶頸：全鏈路系統(tǒng)集成難（聚光、光電轉(zhuǎn)換、微波無線輸電需無縫協(xié)作）和微波輸電效率低（日本2015年實(shí)驗(yàn)效率僅9.88%）。

2022年，西安電子科技大學(xué)段寶巖院士團(tuán)隊(duì)在西安建成世界首個(gè)全鏈路、全系統(tǒng)的空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)“逐日工程”，首次實(shí)現(xiàn)從“聚光追日”到“微波輸電”的全流程閉環(huán)，關(guān)鍵指標(biāo)波束收集效率（BCE）達(dá)87.3%，直流-直流總效率突破15.05%，刷新全球紀(jì)錄。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：給衛(wèi)星裝上“半球形聚光傘”

傳統(tǒng)空間太陽能電站方案存在結(jié)構(gòu)笨重、散熱難等問題。團(tuán)隊(duì)提出 OMEGA 2.0創(chuàng)新構(gòu)型：

• 半球形聚光器替代球形結(jié)構(gòu)，降低薄膜材料工藝難度；
• 雙發(fā)射天線外置設(shè)計(jì)，避免高壓導(dǎo)電滑環(huán)故障風(fēng)險(xiǎn)；
• 仿蝴蝶翅片散熱器，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，將光伏板廢熱高效輻射至空間，解決太空中“悶燒”難題。

系統(tǒng)通過三纜懸吊55米高空，實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)追蹤太陽方位，誤差控制在0.1度以內(nèi)——相當(dāng)于讓一個(gè)足球場大小的結(jié)構(gòu)始終對準(zhǔn)500米外的一枚硬幣。

核心技術(shù)：微波束如何“精確制導(dǎo)”？

微波無線輸電（MWPT）是SSPS的核心難點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)突破兩大關(guān)鍵技術(shù)：

1. 階梯波束塑形技術(shù)
   傳統(tǒng)微波束能量分布不均，導(dǎo)致接收端效率低下。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì) 四階梯圓形波束，使微波能量在接收平面上呈“同心圓”均勻分布（每圈功率密度相同），整流電路可標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，成本降低40%。
2. 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

• 機(jī)械調(diào)節(jié)：三纜懸吊系統(tǒng)控制聚光器追日；
• 電子調(diào)節(jié)：發(fā)射天線176個(gè)子陣列實(shí)時(shí)相位校準(zhǔn)，確保微波束精準(zhǔn)鎖定5.2米外的接收天線陣列。

實(shí)驗(yàn)顯示，在55米距離傳輸2081W功率時(shí)，微波指向精度誤差小于0.01度，相當(dāng)于從北京瞄準(zhǔn)上海的一個(gè)籃球不偏離1厘米。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：效率超日本50%，但仍有提升空間

表1對比全球主要MWPT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

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盡管效率領(lǐng)先，系統(tǒng)仍有局限：

• 光伏板拖累整體效率：受限于成本，采用硅基光伏（效率約18%），若改用砷化鎵材料（效率可達(dá)30%），總效率可翻倍；
• 天地差異待驗(yàn)證：太空環(huán)境（微重力、極端溫差）對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響需進(jìn)一步研究。

未來展望：給無人機(jī)“空中充電”，構(gòu)建太空充電樁

團(tuán)隊(duì)下一步將探索 “一束多收”技術(shù)，使單個(gè)發(fā)射天線同時(shí)為多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)（如無人機(jī)、低軌衛(wèi)星）供電。此外，該系統(tǒng)已驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)可延伸至：

• 太空充電站：為近地軌道衛(wèi)星群提供能源補(bǔ)給；
• 災(zāi)后應(yīng)急供電：72小時(shí)內(nèi)快速部署微波輸電網(wǎng)絡(luò)。

段寶巖院士指出：“這不是科幻——當(dāng)太空光伏板成本降至每瓦1美元，太空電價(jià)比煤電更低時(shí)，人類將迎來能源自由?！?/p>