什么是空間太陽能電站？為何要在太空建造太陽能電站?怎樣建造空間太陽能電站呢？
前景十分廣闊
目前，在地面用太陽能發電已經很普及了，主要是采用太陽能電池板把太陽能轉換成電能。現在，科學家又想在太空建造太陽能電站了。其實，在太空利用太陽能發電并不新鮮，因為目前大多數人造地球衛星、載人航天器和空間探測器都裝有大大小小的太陽能電池翼，包括剛剛在月球背面著陸的嫦娥四號月球探測器也是如此。但是這些航天器的太陽電池翼所發的電都是供航天器本身使用，而科學家想在太空建造的太陽能電站所發的電將主要用于地面的千家萬戶，為人類提供巨大清潔能源。
由大量太陽電池陣組成的塔式空間太陽能電站設想圖
可再生清潔能源是人類社會賴以生存和持續發展的主要物質基礎。然而，地面太陽能、風能、水能、核能、海洋能、地熱能和生物能等新能源都存在總量受限且不穩定等問題，還難以大規模替代傳統化石能源的地位。
太陽是地球和整個太陽系取之不盡、用之不竭的核心能源系統，但是在地面上的利用率卻不高，因為在地面上利用太陽能會受到大氣的吸收和散射、云雨以及季節、晝夜更替的影響衰減很多，能量密度變化也巨大，很不穩定。
然而在太空中太陽能卻非常充裕。比如，在地球同步軌道，由于太陽光線不會被大氣減弱，陰影期很短，其強度是地面的6倍以上，且可以實現空間向地面進行能量的定點傳輸，所以在太空建設太陽能電站，可有效地利用此軌道上的太陽能，為人類提供優質的、巨大的和用之不竭的清潔能源。
系繩式太陽電站方案
與風電、水電相比，空間太陽能電站不受天氣和地區緯度等自然因素影響，可以大規模收集、轉換和利用太陽能，發電量與地面核電站相當。不僅如此，其電能通過無線方式傳輸，可對偏遠地區、受災地區以及重要設施等進行定向供電或移動供電，其延伸的無線輸能、無線通信等相關技術能廣泛應用于軍事和民用領域。據悉，如果將太陽能電站發射到距離地球3.6萬公里的地球同步軌道，其獲取的能量效率將是地面光伏電站的35倍。
發展空間太陽能電站，可為地面提供商業化的、大規模的電力供給，解決人類長期對于穩定的可再生能源的需求問題。同時空間太陽能電站在地面偏遠地區供電、緊急供電、航天器供電和調節環境等方面具有重要的應用前景。同時，空間太陽能電站的發展也將為更為長遠的月球太陽能電站的發展奠定基礎。
一旦能夠攻克空間太陽能發電技術，就有望逐步解決人類社會面臨的能源危機，獲得取之不盡用之不竭的可持續清潔能源。所以，空間太陽能電站被稱為“能源領域的偉大變革”，中國、美國和日本等國的專家都在積極開展相關研究。
日本空間太陽能電站方案之一
三大組成部分
空間太陽能電站是指在太空將太陽能轉化為電能，再通過無線能量傳輸方式傳輸到地面的電力系統。它是開發利用空間資源的重要手段，主要包括三大部分：太陽能發電裝置、能量轉換和發射裝置，以及地面接收和轉換裝置。
空間太陽能電站系統組成示意圖
太陽能發電裝置將太陽能轉化成為電能；能量轉換裝置將電能轉換成微波或激光等形式（激光也可以直接通過太陽能轉化），并利用發射裝置向地面發送波束；地面接收系統接收空間傳輸的波束，通過轉換裝置將其轉換成為電能接入電網。整個過程將經歷太陽能—電能—微波（激光）—電能，或太陽能—激光—電能的能量轉變過程。
目前的研究表明，空間太陽能電站的理想軌道應選擇在地球上空3.6萬公里的地球同步軌道。地球同步軌道相對于地面靜止且距地球較近，99%的時間內可以穩定接收太陽輻射，向地面固定區域進行穩定的能量傳輸，控制和傳輸電能都相對方便很多，而且可以隨時傳輸。
空間太陽能電站在技術原理上已沒有太大問題。近年來，太陽能發電效率、微波轉化效率以及相關的航天技術取得了很大進步，為未來空間太陽能電站的發展奠定了很好的基礎。但空間太陽能電站作為一個非常宏大的空間系統，需要開展系統的研究工作，在許多技術方面有待取得突破性進展。例如，要達到工業應用標準，對發電量要求將很高，至少是兆瓦量級，太陽能電池板也可能要用平方公里來計算。
就目前來看，空間太陽能電站是開發地月空間經濟圈最直接有效可實現的方式，比開發月球氦3的難度要小得多。
幾種典型方案
空間太陽能電站需要解決三個關鍵問題：一是如何通過大型運載火箭將發電設備運送至地球同步軌道并組裝發電；二是如何將電能傳輸到地面；三是如何保障設備運行安全和環境安全。現在，這三個問題都還處在基礎性探索中。
目前，一些國家的專家們已提出多種空間太陽能電站方案，這些方案各有千秋，對未來設計出實用的空間太陽能電站有較高的借鑒參考價值。例如：集成對稱聚光系統設計方案。這種方案采用位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽能反射到兩個位于中央的光伏陣列。聚光器面向太陽，桅桿、電池陣、發射陣作為一體，旋轉對地。聚光器與桅桿間相互旋轉維持每天的軌道變化和季節變化。
集成對稱聚光系統空間太陽能電站設想圖
任意相控陣設計方案。這種方案的核心思想還是聚光式空間太陽能電站，重要的是采用了模塊化的設計思想，并且創新性地提出了無需控制的聚光系統概念（該聚光系統的有效性還有待進一步分析），對于控制系統的壓力大大減小。整個系統的質量約為10000～12000噸。
任意相控陣太空發電站
激光空間太陽能電站是空間太陽能電站概念發展的另外一個重要方向。它采用太陽聚光鏡（如拋物面）或透鏡（如菲涅耳）進行太陽光高聚光比聚焦，聚集的太陽光發送到激光發生器，利用直接泵浦激光方式產生激光，激光擴束后傳輸到地面，地面可以采用特定的光伏電池接收轉化為電力，或者直接用于制氫。
迄今為止，人類發射到太空的最龐大物體“國際空間站”有400多噸，而一個工業級的太陽能發電站達到上千噸，靠從地面發射來建造空間太陽能電站幾乎是不可能的。所以，有專家提出，太陽能發電最主要的部件是電池板，其原料是二氧化硅，而這是月球上隨處可見取之不盡的資源；月球極地和地月空間的小行星上有水，可以電解成氧氣和氫氣，作為航天器的推進劑。這兩個條件結合起來，使在地月空間建造太陽能電站成為可能。
我國有專家建議：將空間太陽能電站的建造材料直接發射到太空中，在太空建立“太空工廠”，通過3D技術將所需的組件打印出來，再通過太空機器人進行組裝。這是目前的研究方向之一。
面臨巨大挑戰
空間太陽能電站規模巨大，質量可達萬噸、尺度能到千米、發電功率為兆瓦級、壽命需要在30年以上，所以對于新型運載、新型材料、高效能量轉化器件、超大型航天器結構及控制技術、在軌組裝維護技術等提出了很大的技術挑戰。
成本問題是制約空間太陽能電站發展的主要因素，規模化和產業化對于現有的航天器制造和發射能力提出巨大的挑戰，將需要現有航天工業生產體系發生根本性變革。長期運行的安全性也是需要特別重視的問題。雖然空間太陽能電站功率很大，但如果采用微波能量傳輸模式，由于距離遠，根據微波傳輸特性，實際接收天線的能量密度較低。盡管從系統設計的角度已經限制了波束密度可以滿足安全性要求，但對長期微波輻射下的生態、大氣、生物體等的影響問題仍需要開展長期的研究工作。
空間太陽能電站發展的核心問題是降低系統面積。其面積主要由兩部分決定，一是太陽能發電部分的面積，即太陽能電池陣面積或聚光器面積。不論是否采用聚光的形式，提高太陽能電池的光電轉化效率都是減小太陽能發電部分面積最有效的措施。二是微波發射天線面積，在選定的軌道和微波頻率下，微波發射天線面積與地面接收面積成反比，需要優化確定發射天線的面積。
聚光式空間太陽能電站方案
另外，降低系統質量、降低系統的收攏體積，傳輸通道的技術性、安全性等問題也很重要。
中國空間太陽能電站建設路線圖
中國十分重視空間太陽能電站的發展。
2008年，我國將空間太陽能電站研發工作納入國家先期研究規劃。“十二五”以來，國內參與空間太陽能電站的研究團隊在逐漸地擴大。國防科工局支持了與空間太陽能電站相關的總體和關鍵技術研究工作，目前在總體規劃、總體概念方案、微波無線能量傳輸技術等方面取得了一定的成果，同時也帶動了大型空間結構、空間薄膜太陽能發電技術的發展。
中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室研究團隊通過比較國內外多種空間電站方案，重點研究了非聚光型和二次對稱聚光型空間太陽能電站，提出了創新的多旋轉關節空間太陽能電站(MR-SSPS)方案。該方案將太陽電池陣分解為多個電池子陣，并將傳統非聚光型太陽能電站單一導電旋轉關節轉化為多個較小功率導電旋轉關節，不僅解決了極大功率導電旋轉關節和單點失效的技術難題，同時更易于實現系統的組裝構建。此方案得到國際該領域頂級專家的認同，并獲2015年世界太陽能衛星設計競賽第一名。
我國在無線能量傳輸等關鍵技術方面也取得重大進步。無線能量傳輸包括微波和激光兩種方式，目前研究以微波方式為主，主要研究方向包括：微波源效率、壽命和功質比的提升，優化大口徑天線上的功率分布以實現高效微波功率合成，高精度波束控制中考慮整個結構的構型和實時形狀位置狀態等因素對波束指向的影響，從機電熱綜合的角度發展一體化超輕天線模塊。
空間太陽能電站是一個宏偉的工程，涉及到空間運輸、姿態控制、微波技術、能量傳輸等許多重要的技術領域，每一步關鍵技術都需要有效、安全、可靠的模擬驗證方案，實驗基地就將起到模擬驗證和演示的作用。
當前，我國在空間太陽能電站研究方面初步實現了從“跟跑”到“并跑”的轉變，成為國際上推動空間太陽能電站發展的重要力量。我國專家已提出實現我國空間太陽能電站目標的技術路線圖：2030年后建設兆瓦級試驗空間太陽能電站、2050年后建設吉瓦級商業空間太陽能電站。
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