近日，加州理工學(xué)院和諾?格公司通過(guò)“天基太陽(yáng)能倡議”項(xiàng)目聯(lián)合研發(fā)的天基太陽(yáng)能發(fā)電樣機(jī)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)更進(jìn)一步。

一、技術(shù)方案

美國(guó)“天基太陽(yáng)能倡議”發(fā)電系統(tǒng)在地球靜止軌道運(yùn)行，通過(guò)吸收太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)換成射頻能，再無(wú)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(kāi)設(shè)計(jì)，尺寸3千米×3千米，由2500個(gè)超輕模塊以編隊(duì)飛行形式在軌運(yùn)行。模塊尺寸60米×60米，由大量長(zhǎng)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(kāi)。瓦條由尺寸10厘米×10厘米的瓦片組成，每個(gè)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(jì)時(shí)控制和熱管理功能。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)最終將由9億個(gè)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(yáng)。被陽(yáng)光照射的表面鋪有一層納米材料結(jié)構(gòu)以吸收太陽(yáng)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(wú)線傳輸裝置輸送至地面?！疤旎?yáng)能倡議”項(xiàng)目將采取“先少量再大量模塊編隊(duì)”“先低軌再高軌驗(yàn)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(duì)飛行概念圖

二、發(fā)展背景

在太空中，太陽(yáng)光不受大氣影響和晝夜限制，太陽(yáng)能是在地表的10倍以上。從20世紀(jì)60年代末開(kāi)始，美國(guó)科學(xué)家就提出“太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星”概念。此后，世界多個(gè)國(guó)家都開(kāi)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(wàn)美元研究天基太陽(yáng)能系統(tǒng)。

三、發(fā)展歷程

2017年5月，首個(gè)能收集太陽(yáng)能并進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)某p集成樣機(jī)開(kāi)展驗(yàn)證，樣機(jī)面密度1500克/平方米。2017年12月，第二個(gè)樣機(jī)開(kāi)展驗(yàn)證，該樣機(jī)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(gè)樣機(jī)輕33%。2018年，樣機(jī)完成收集太陽(yáng)能、轉(zhuǎn)換電能，以及無(wú)線傳輸試驗(yàn)，面密度達(dá)600克/平方米。未來(lái)，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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)比地面發(fā)電系統(tǒng)更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。

四、發(fā)展前景

天基太陽(yáng)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(wèn)題，一旦突破并實(shí)現(xiàn)低成本部署，不僅可為地面國(guó)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(zhǎng)其使用壽命。

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