什么是空间太阳能电站？为何要在太空建造太阳能电站?怎样建造空间太阳能电站呢？

前景十分广阔

目前，在地面用太阳能发电已经很普及了，主要是采用太阳能电池板把太阳能转换成电能。现在，科学家又想在太空建造太阳能电站了。其实，在太空利用太阳能发电并不新鲜，因为目前大多数人造地球卫星、载人航天器和空间探测器都装有大大小小的太阳能电池翼，包括刚刚在月球背面着陆的嫦娥四号月球探测器也是如此。但是这些航天器的太阳电池翼所发的电都是供航天器本身使用，而科学家想在太空建造的太阳能电站所发的电将主要用于地面的千家万户，为人类提供巨大清洁能源。

由大量太阳电池阵组成的塔式空间太阳能电站设想图

可再生清洁能源是人类社会赖以生存和持续发展的主要物质基础。然而，地面太阳能、风能、水能、核能、海洋能、地热能和生物能等新能源都存在总量受限且不稳定等问题，还难以大规模替代传统化石能源的地位。

太阳是地球和整个太阳系取之不尽、用之不竭的核心能源系统，但是在地面上的利用率却不高，因为在地面上利用太阳能会受到大气的吸收和散射、云雨以及季节、昼夜更替的影响衰减很多，能量密度变化也巨大，很不稳定。

然而在太空中太阳能却非常充裕。比如，在地球同步轨道，由于太阳光线不会被大气减弱，阴影期很短，其强度是地面的6倍以上，且可以实现空间向地面进行能量的定点传输，所以在太空建设太阳能电站，可有效地利用此轨道上的太阳能，为人类提供优质的、巨大的和用之不竭的清洁能源。

系绳式太阳电站方案

与风电、水电相比，空间太阳能电站不受天气和地区纬度等自然因素影响，可以大规模收集、转换和利用太阳能，发电量与地面核电站相当。不仅如此，其电能通过无线方式传输，可对偏远地区、受灾地区以及重要设施等进行定向供电或移动供电，其延伸的无线输能、无线通信等相关技术能广泛应用于军事和民用领域。据悉，如果将太阳能电站发射到距离地球3.6万公里的地球同步轨道，其获取的能量效率将是地面光伏电站的35倍。

发展空间太阳能电站，可为地面提供商业化的、大规模的电力供给，解决人类长期对于稳定的可再生能源的需求问题。同时空间太阳能电站在地面偏远地区供电、紧急供电、航天器供电和调节环境等方面具有重要的应用前景。同时，空间太阳能电站的发展也将为更为长远的月球太阳能电站的发展奠定基础。

一旦能够攻克空间太阳能发电技术，就有望逐步解决人类社会面临的能源危机，获得取之不尽用之不竭的可持续清洁能源。所以，空间太阳能电站被称为“能源领域的伟大变革”，中国、美国和日本等国的专家都在积极开展相关研究。

日本空间太阳能电站方案之一

三大组成部分

空间太阳能电站是指在太空将太阳能转化为电能，再通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统。它是开发利用空间资源的重要手段，主要包括三大部分：太阳能发电装置、能量转换和发射装置，以及地面接收和转换装置。

空间太阳能电站系统组成示意图

太阳能发电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或激光等形式（激光也可以直接通过太阳能转化），并利用发射装置向地面发送波束；地面接收系统接收空间传输的波束，通过转换装置将其转换成为电能接入电网。整个过程将经历太阳能—电能—微波（激光）—电能，或太阳能—激光—电能的能量转变过程。

目前的研究表明，空间太阳能电站的理想轨道应选择在地球上空3.6万公里的地球同步轨道。地球同步轨道相对于地面静止且距地球较近，99%的时间内可以稳定接收太阳辐射，向地面固定区域进行稳定的能量传输，控制和传输电能都相对方便很多，而且可以随时传输。

空间太阳能电站在技术原理上已没有太大问题。近年来，太阳能发电效率、微波转化效率以及相关的航天技术取得了很大进步，为未来空间太阳能电站的发展奠定了很好的基础。但空间太阳能电站作为一个非常宏大的空间系统，需要开展系统的研究工作，在许多技术方面有待取得突破性进展。例如，要达到工业应用标准，对发电量要求将很高，至少是兆瓦量级，太阳能电池板也可能要用平方公里来计算。

就目前来看，空间太阳能电站是开发地月空间经济圈最直接有效可实现的方式，比开发月球氦3的难度要小得多。

几种典型方案

空间太阳能电站需要解决三个关键问题：一是如何通过大型运载火箭将发电设备运送至地球同步轨道并组装发电；二是如何将电能传输到地面；三是如何保障设备运行安全和环境安全。现在，这三个问题都还处在基础性探索中。

目前，一些国家的专家们已提出多种空间太阳能电站方案，这些方案各有千秋，对未来设计出实用的空间太阳能电站有较高的借鉴参考价值。例如：集成对称聚光系统设计方案。这种方案采用位于桅杆两边的大型蚌壳状聚光器将太阳能反射到两个位于中央的光伏阵列。聚光器面向太阳，桅杆、电池阵、发射阵作为一体，旋转对地。聚光器与桅杆间相互旋转维持每天的轨道变化和季节变化。

集成对称聚光系统空间太阳能电站设想图

任意相控阵设计方案。这种方案的核心思想还是聚光式空间太阳能电站，重要的是采用了模块化的设计思想，并且创新性地提出了无需控制的聚光系统概念（该聚光系统的有效性还有待进一步分析），对于控制系统的压力大大减小。整个系统的质量约为10000～12000吨。

任意相控阵太空发电站

激光空间太阳能电站是空间太阳能电站概念发展的另外一个重要方向。它采用太阳聚光镜（如抛物面）或透镜（如菲涅耳）进行太阳光高聚光比聚焦，聚集的太阳光发送到激光发生器，利用直接泵浦激光方式产生激光，激光扩束后传输到地面，地面可以采用特定的光伏电池接收转化为电力，或者直接用于制氢。

迄今为止，人类发射到太空的最庞大物体“国际空间站”有400多吨，而一个工业级的太阳能发电站达到上千吨，靠从地面发射来建造空间太阳能电站几乎是不可能的。所以，有专家提出，太阳能发电最主要的部件是电池板，其原料是二氧化硅，而这是月球上随处可见取之不尽的资源；月球极地和地月空间的小行星上有水，可以电解成氧气和氢气，作为航天器的推进剂。这两个条件结合起来，使在地月空间建造太阳能电站成为可能。

我国有专家建议：将空间太阳能电站的建造材料直接发射到太空中，在太空建立“太空工厂”，通过3D技术将所需的组件打印出来，再通过太空机器人进行组装。这是目前的研究方向之一。

面临巨大挑战

空间太阳能电站规模巨大，质量可达万吨、尺度能到千米、发电功率为兆瓦级、寿命需要在30年以上，所以对于新型运载、新型材料、高效能量转化器件、超大型航天器结构及控制技术、在轨组装维护技术等提出了很大的技术挑战。

成本问题是制约空间太阳能电站发展的主要因素，规模化和产业化对于现有的航天器制造和发射能力提出巨大的挑战，将需要现有航天工业生产体系发生根本性变革。长期运行的安全性也是需要特别重视的问题。虽然空间太阳能电站功率很大，但如果采用微波能量传输模式，由于距离远，根据微波传输特性，实际接收天线的能量密度较低。尽管从系统设计的角度已经限制了波束密度可以满足安全性要求，但对长期微波辐射下的生态、大气、生物体等的影响问题仍需要开展长期的研究工作。

空间太阳能电站发展的核心问题是降低系统面积。其面积主要由两部分决定，一是太阳能发电部分的面积，即太阳能电池阵面积或聚光器面积。不论是否采用聚光的形式，提高太阳能电池的光电转化效率都是减小太阳能发电部分面积最有效的措施。二是微波发射天线面积，在选定的轨道和微波频率下，微波发射天线面积与地面接收面积成反比，需要优化确定发射天线的面积。

聚光式空间太阳能电站方案

另外，降低系统质量、降低系统的收拢体积，传输通道的技术性、安全性等问题也很重要。

中国空间太阳能电站建设路线图

中国十分重视空间太阳能电站的发展。

2008年，我国将空间太阳能电站研发工作纳入国家先期研究规划。“十二五”以来，国内参与空间太阳能电站的研究团队在逐渐地扩大。国防科工局支持了与空间太阳能电站相关的总体和关键技术研究工作，目前在总体规划、总体概念方案、微波无线能量传输技术等方面取得了一定的成果，同时也带动了大型空间结构、空间薄膜太阳能发电技术的发展。

中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室研究团队通过比较国内外多种空间电站方案，重点研究了非聚光型和二次对称聚光型空间太阳能电站，提出了创新的多旋转关节空间太阳能电站(MR-SSPS)方案。该方案将太阳电池阵分解为多个电池子阵，并将传统非聚光型太阳能电站单一导电旋转关节转化为多个较小功率导电旋转关节，不仅解决了极大功率导电旋转关节和单点失效的技术难题，同时更易于实现系统的组装构建。此方案得到国际该领域顶级专家的认同，并获2015年世界太阳能卫星设计竞赛第一名。

我国在无线能量传输等关键技术方面也取得重大进步。无线能量传输包括微波和激光两种方式，目前研究以微波方式为主，主要研究方向包括：微波源效率、寿命和功质比的提升，优化大口径天线上的功率分布以实现高效微波功率合成，高精度波束控制中考虑整个结构的构型和实时形状位置状态等因素对波束指向的影响，从机电热综合的角度发展一体化超轻天线模块。

空间太阳能电站是一个宏伟的工程，涉及到空间运输、姿态控制、微波技术、能量传输等许多重要的技术领域，每一步关键技术都需要有效、安全、可靠的模拟验证方案，实验基地就将起到模拟验证和演示的作用。

当前，我国在空间太阳能电站研究方面初步实现了从“跟跑”到“并跑”的转变，成为国际上推动空间太阳能电站发展的重要力量。我国专家已提出实现我国空间太阳能电站目标的技术路线图：2030年后建设兆瓦级试验空间太阳能电站、2050年后建设吉瓦级商业空间太阳能电站。