空间太阳能电站新型聚光收集转换系统的综合分析与设计

The idea of Space Solar Power Station (SSPS) is that sunlight is collected and converted into electricity in space, and then transmitted to the ground-receiving device via wireless power transmission (WPT), and finally converted into ground-power. The solar energy collection and conversion system is the forefront of the SSPS, which is critical for the stable and highly efficient operation of the SSPS. For heliostat tracking, typical SSPS conceptual designs depend on the real-time adjustment of the whole collection system or multiple module, which is extremely difficult to control. The research group, which the applicant belongs to, has proposed a novel design of SSPS- the OMEGA (Orb-shape Membrane Energy Gathering Array). The new idea is based on line focus of spherical concentrator, which avoids the large-scale motion and decreases the system mass. This project draws up to implement in-depth and systematic research on the layout optimization of photovoltaic cell array, the modular design of ultra-large space structure, and thermal management of the solar energy collection and conversion system in space. Then, it aims to reveal the mechanism of the interactions between the multiple fields, such as light, structure, electricity and heat, and finally achieves integrated optimization design of the whole system. It is to be wished that this project can promote the development of the OMEGA concept from the conceptual design to the detailed design and the practical application, and provide more novel design ideas and theoretical support for the future construction of the SSPS in our country.

空间太阳能电站是在太空将太阳能收集、转换为电能，并经由无线能量传输装置传回地面，再经由地面装置转换为地面电力的系统。太阳能收集与转换系统是空间太阳能电站系统能量转换的最前端，对电站平稳、高效运行起着决定性作用。国内外典型电站方案运行时均需整体或多部件协同实时调整保持定日，控制难度极大。申请者所在团队提出了一种基于球面线聚焦原理的OMEGA创新方案，采用球形聚光器可避免系统大范围运动，利用聚光方式收集太阳能，可大大降低系统质量。本项目拟针对OMEGA方案太阳能收集与转换系统中存在的线聚焦光伏电池阵列布局优化、超大型空间结构模块化结构设计、空间环境聚光系统热设计等问题进行深入系统的研究。揭示太阳能收集与转换系统中光-机-电-热多场的相互作用机理，实现系统整体的综合优化设计。推动OMEGA方案从概念设计到详细设计、工程应用的发展，为未来我国空间太阳能电站的建设提供设计思路与理论支撑。

项目紧密围绕研究目标和主要研究内容，按任务计划书开展工作，完成了项目预定内容和指标。以OMEGA空间太阳能电站创新方案中的收集与转换系统为载体，开展了球面-线聚焦光伏电池阵列布局及形状优化、超大型空间结构模块化结构设计、空间环境聚光系统热设计等研究工作，研制了一套室内、瓦级空间太阳能电站地面演示验证系统，该系统能够为验证聚光系统耦合模型和多系统协同运行等提供初步试验环境。解决了高效、均匀化“球形-线聚焦”聚光系统工作模式、面向收集效率最大化的模块化拓扑构型生成准则、太阳能收集与转换系统光-机-电-热多场耦合模型等三个科学问题。通过理论建模、仿真分析、地面试验等环节的迭代修正，揭示了太阳能收集与转换系统中光-机-电-热多场的相互作用机理，实现多场耦合意义下系统的综合设计。为未来我国空间太阳能电站的建设提供设计思路与理论支撑。. 在自然科学基金资助下，项目团队在本领域国内外主要学术期刊发表SCI论文15篇；授权发明专利14项；出版学术专著2部。同时，项目团队张逸群、杜敬利、杨东武作为核心人员，参与获得2020年国家科技进步一等奖1项、2019年陕西省科技进步一等奖1项。. 人才培养方面，项目组负责人张逸群2020年继续得到了国家自然科学基金委优秀青年基金支持，2021年得到了国防科技卓越青年基金支持。同时，项目执行期间，培养博士研究生6人、硕士研究生4人。. 基于项目的成果，团队积极探索了空间太阳能电站在近期空间能源利用方面的可行性方向：基于微波无线传能技术的高效空间卫星充电系统。并获得了国家重点研发计划的支持，所属“地球观测与导航”专项。本项目负责人张逸群为该项目的项目负责人和课题一负责人。