什么是空间太阳能电站？空间太阳能电站是一种在太空中建设的利用太阳能的电站。为何要在太空建造太阳能电站？因为在太空中建造太阳能电站有诸多优势，比如能不受地球大气层的影响，更充分地接收太阳能等。怎样建造空间太阳能电站呢？建造空间太阳能电站需要解决诸多技术难题，如如何将巨大的太阳能收集装置发射到太空、如何在太空进行高效的能量转换和传输等。

前景十分广阔

目前，在地面利用太阳能发电已经较为普及。主要方式是通过太阳能电池板将太阳能转化为电能。现在，科学家有了在太空建造太阳能电站的想法。实际上，在太空利用太阳能发电并非新鲜事物，因为目前大多数人造地球卫星、载人航天器以及空间探测器都安装有大小不一的太阳能电池翼，就像刚刚在月球背面着陆的嫦娥四号月球探测器那样。这些航天器的太阳电池翼发出的电是供航天器自身使用的。而科学家想要在太空建造的太阳能电站所发的电，主要会用于地面的千家万户，能够为人类提供巨大的清洁能源。

由大量太阳电池阵组成的塔式空间太阳能电站设想图

这些新能源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的核心能源系统，它取之不尽、用之不竭。然而，在地面上对太阳能源的利用率并不高。这是因为在地面上利用太阳能时，会受到大气的吸收和散射，以及云雨、季节和昼夜更替等因素的影响，导致太阳能衰减很多，并且能量密度变化巨大，很不稳定。

然而太空里的太阳能十分充裕。例如，在地球同步轨道处，因为太阳光线不会被大气削弱，阴影期较为短暂，其强度比地面要高出 6 倍以上，并且能够实现从空间向地面进行能量的定点传输。因此，在太空建设太阳能电站，能够有效地利用该轨道上的太阳能，为人类提供优质、巨大且用之不竭的清洁能源。

系绳式太阳电站方案

空间太阳能电站与风电、水电不同，它不受天气和地区纬度等自然因素的影响。它能够大规模地收集、转换和利用太阳能，发电量和地面核电站相当。不仅如此，它的电能通过无线方式传输，能够对偏远地区、受灾地区以及重要设施等进行定向供电或移动供电。其延伸出的无线输能、无线通信等相关技术，还能广泛应用于军事和民用领域。据悉，若把太阳能电站发射至距离地球 3.6 万公里的地球同步轨道。那么，它获取的能量效率会是地面光伏电站的 35 倍。

发展空间太阳能电站，能够为地面提供商业化且大规模的电力供给，以此来解决人类长期对稳定可再生能源的需求。空间太阳能电站在地面偏远地区供电方面有重要应用前景，在紧急供电方面也有重要应用前景，在航天器供电方面同样有重要应用前景，并且在调节环境等方面也具有重要应用前景。同时，空间太阳能电站的发展会为更为长远的月球太阳能电站的发展打下基础。

攻克空间太阳能发电技术后，有望逐步化解人类社会面临的能源危机，获取源源不断的可持续清洁能源。因此，空间太阳能电站被称作“能源领域的伟大变革”，中国、美国以及日本等国的专家都在踊跃开展相关研究。

日本空间太阳能电站方案之一

三大组成部分

空间太阳能电站指在太空把太阳能转化为电能，之后通过无线能量传输方式传输至地面的电力系统。它是开发利用空间资源的重要方式，主要包含三大部分：一是太阳能发电装置；二是能量转换和发射装置；三是地面接收和转换装置。

空间太阳能电站系统组成示意图

太阳能发电装置把太阳能转化为电能；能量转换装置把电能转换成微波或激光等形式，并且激光能直接通过太阳能转化，然后利用发射装置向地面发射波束；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电能接入电网。整个过程要经历太阳能到电能、电能到微波（激光）、微波（激光）到电能，或者太阳能到激光、激光到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需选在地球上空 3.6 万公里处。地球同步轨道与地面相对静止，并且距地球较近。在 99%的时间里，它能够稳定地接收太阳辐射。它可以向地面的固定区域进行稳定的能量传输。控制电能较为方便。传输电能也相对方便很多。并且它能够随时进行传输。

空间太阳能电站在技术原理层面已不存在太大的问题。近些年，太阳能的发电效率得到了很大提升，微波转化效率也有了显著提高，并且相关的航天技术取得了长足进步，这些都为未来空间太阳能电站的发展奠定了良好的基础。然而，空间太阳能电站作为一个极为宏大的空间系统，需要开展系统性的研究工作，在诸多技术方面还需要取得突破性的进展。要达到工业应用标准，对发电量的要求会很高，其量级至少是兆瓦。并且，太阳能电池板的面积可能要用平方公里来计算。

目前来看，空间太阳能电站是开发地月空间经济圈的一种方式。这种方式是直接有效的，并且是可以实现的。同时，开发月球氦 3 的难度比开发空间太阳能电站要大得多。

几种典型方案

空间太阳能电站需解决三个关键事宜：其一，怎样借助大型运载火箭把发电设备送至地球同步轨道并进行组装发电；其二，怎样把电能传输至地面；其三，怎样确保设备运行安全以及环境安全。当下，这三个事宜皆仍处于基础性的探索阶段。

目前，一些国家的专家们提出了多种空间太阳能电站方案。这些方案各有特点，对未来设计实用的空间太阳能电站有很大的借鉴价值。比如集成对称聚光系统设计方案。此方案利用位于桅杆两侧的大型蚌壳状聚光器，将太阳能反射至位于中央的两个光伏阵列。聚光器朝向太阳，桅杆、电池阵、发射阵合为一体并旋转对地。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

任意一种相控阵设计方案。这种方案的核心是聚光式空间太阳能电站，其重要特点是采用了模块化设计思想，还创新性地提出了无需控制的聚光系统概念，不过该聚光系统的有效性有待进一步分析，这样就大大减小了对控制系统的压力。整个系统的质量约为～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一个重要方向。它利用太阳聚光镜（例如抛物面）或者透镜（例如菲涅耳）来实现太阳光的高聚光比聚焦。聚集后的太阳光被发送到激光发生器，通过直接泵浦激光的方式生成激光。激光经过扩束后传输到地面，地面可以使用特定的光伏电池进行接收并转化为电力，也可以直接用于制氢。

人类迄今发射到太空的最庞大物体是“国际空间站”，其重量达 400 多吨。一个工业级的太阳能发电站能达到上千吨。靠从地面发射来建造空间太阳能电站，这几乎是不可能的。所以，有专家提出，太阳能发电最为主要的部件是电池板。电池板的原料是二氧化硅，而二氧化硅在月球上是随处可见且取之不尽的资源。同时，月球极地和地月空间的小行星上存在水，这些水可以被电解成氧气和氢气，能够作为航天器的推进剂。这两个条件相互结合起来，就使得在地月空间建造太阳能电站成为了可能。

我国专家建议：把空间太阳能电站的建造材料直接发射至太空，在太空构建“太空工厂”，借助 3D 技术把所需组件打印出来，接着由太空机器人进行组装。这是当下的研究方向之一。

面临巨大挑战

空间太阳能电站规模很大，其质量能达到万吨。它的尺度可以达到千米。发电功率为兆瓦级。寿命需要在 30 年以上。因此，它对新型运载、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方面提出了很大的技术挑战。

成本问题对空间太阳能电站的发展起到制约作用，它是主要因素。规模化以及产业化给现有的航天器制造和发射能力带来了巨大挑战，这需要现有航天工业生产体系发生根本性的改变。长期运行的安全性是一个需要特别加以重视的问题。尽管空间太阳能电站的功率很大，然而倘若采用微波能量传输模式，由于距离较远，依据微波传输的特性，实际接收天线所接收到的能量密度是比较低的。系统设计角度限制了波束密度能满足安全性要求。然而，对于长期微波辐射所带来的生态、大气、生物体等方面的影响问题，仍需开展长期的研究工作。

空间太阳能电站发展的核心问题在于降低系统面积。系统面积主要由两部分所决定。其一为太阳能发电部分的面积，也就是太阳能电池阵面积或者聚光器面积。不管是否采用聚光的形式，提高太阳能电池的光电转化效率，都能够成为减小太阳能发电部分面积最为有效的举措。一是微波发射天线面积。在选定的轨道以及特定的微波频率之下，微波发射天线面积和地面接收面积之间呈现出反比的关系。所以，需要对发射天线的面积进行优化确定。

聚光式空间太阳能电站方案

另外，降低系统的质量这一问题很重要，降低系统的收拢体积这一问题也很重要，传输通道的技术性问题很重要，传输通道的安全性问题也很重要。

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，我国把空间太阳能电站的研发工作纳入到了国家先期研究规划之中。“十二五”之后，国内参与空间太阳能电站研究的团队在不断地增多。国防科工局对与空间太阳能电站相关的总体和关键技术研究工作提供了支持。目前，在总体规划方面取得了一定成果，在总体概念方案方面也取得了一定成果，并且在微波无线能量传输技术方面同样取得了一定成果。同时，还带动了大型空间结构的发展，也带动了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的研究团队对国内外多种空间电站方案进行了比较。他们重点研究了非聚光型空间太阳能电站以及二次对称聚光型空间太阳能电站。在此基础上，提出了创新的多旋转关节空间太阳能电站（MR-SSPS）方案。该方案把太阳电池阵分成多个电池子阵，还把传统非聚光型太阳能电站的单一导电旋转关节转变为多个较小功率的导电旋转关节。这样既解决了极大功率导电旋转关节以及单点失效的技术难题，又更便于实现系统的组装构建。此方案获得了国际该领域的顶级专家的认同，并且在 2015 年世界太阳能卫星设计竞赛中获得了第一名。

我国在无线能量传输等关键技术方面也取得重大进步。无线能量传输包含微波和激光这两种方式。目前的研究主要是以微波方式进行。主要的研究方向有：提升微波源的效率、寿命以及功质比；对大口径天线上的功率分布进行优化，以达成高效的微波功率合成；在高精度波束控制中，将整个结构的构型以及实时形状位置状态等因素考虑进去，以此来影响波束的指向；从机电热综合的角度出发，推动一体化超轻天线模块的发展。

空间太阳能电站是一个宏大的工程。它涉及诸多重要技术领域，如空间运输、姿态控制、微波技术、能量传输等。每一步关键技术都需要有能有效、安全、可靠进行模拟验证的方案。而实验基地将会起到模拟验证以及演示的作用。

当前，我国在空间太阳能电站研究领域取得了一定进展，实现了从“跟跑”状态向“并跑”状态的转变，在国际上成为了推动空间太阳能电站发展的重要力量。我国的专家已经提出了一条技术路线图，用以实现我国空间太阳能电站的目标：在 2030 年之后建设兆瓦级的试验空间太阳能电站，在 2050 年之后建设吉瓦级的商业空间太阳能电站。