1、空间太阳能电站：向宇宙要能源空间太阳能电站几乎是一个可以无限开采的能源矿，已经成为了人类 21 世纪关注的重点。 当前地面光伏电站建设如火如荼。然而在地球上任何一个地方建设光伏电站，总免不了受昼夜和天气的影响。若能将太阳能电站建设在太空中，那样发电效率就能成倍地提高。 早在 1968 年，美国人格拉泽（P.E.Glaser）就创造性地提出在离地面 36000km 的地球静止轨道上建造太阳能发电站的构想。这个电站利用铺设在巨大平板上的亿万片太阳电池，在太阳光照射下产生电流，将电流集中起来，转换成无线电微波，发送给地面接收站。地面接收后，将微波恢复为直流电或交流电，送给用户使用。空间太阳能发电站主
2、要由3 部分组成：太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置。整个过程经历了太阳能电能微波（激光）电能的能量转变过程。 随后，空间太阳能电站作为一种很有前景的可再生能源系统概念受到发达国家的广泛关注。 无限开采的能源矿 在地球上的大部分地方，一年中只有二分之一的时间能够获得日照，而日照的利用效率又随着时间和天气的改变而变化。在云、雾、雨、雪等天气现象出现时，地面太阳能电站工作效率就大大降低。如在严重的雾霾天气，地面太阳能电站发电效率就会降低到正常天气的十分之一以下。而且在风和重力的作用下，地面上建设超大型太阳能电池阵或反射镜十分困难。另外，地面太阳能电站还面临各种污染，需要设计专用
3、自动清洗设备对其进行定期清洗，不然也会影响发电效率，所以地面太阳能电站很难作为基本负载电厂使用。 在宇宙空间建设太阳能电站，这些问题都不再是问题。如果将空间太阳能电站设置在赤道平面内的地球同步轨道上，使太阳能电池阵始终对太阳定向，每年将有 277 天是全日照，仅在春分、秋分前后各有 45 天时间，轨道上的发电设施才出现地球阴影，且最长的停电时间也只不过75 分钟。不难算出，在空间轨道上的太阳能电站 99%的时间可以接收太阳能辐射。在外层空间，太阳能的利用绝不会受到天气、尘埃和有害气体的影响，再加上日照时间长，因此空间太阳能电站与同一规模的地面太阳能电站相比，接收的太阳能要高出 615 倍。 从
4、上世纪 90 年代以来，随着世界能源供需矛盾和环境保护问题日益突出，以美国和日本为主的发达国家已经投入巨资和人员开展广泛的空间太阳能电站技术研究。并提出几十种空间太阳能电站概念构想，总的来说，空间太阳能电站概念可以分为两大类：一类是非聚光式，另一类是聚光式，而这两类又分别可以分为平台式和分布式。平台式非聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提的“1979 SPS 基准系统” 。 美欧日研究进展 20 世纪 70 年代末，全球发生石油危机，美国航宇局和能源部组织专家进行空间太阳能电站的可行性研究。专家们经过论证提出一个名为“1979 SPS 基准系统”的空间太阳能电站方案。该方案以 21 世纪全美国
5、将有 3 亿人口，人均用电 2kW，假设其中 50%由空间太阳电站供给为目标，在地球静止轨道上部署 60 个发电能力各为 5GW 的太阳能电站。太阳能电站的“发电机”是一块 10km5km0.5km 的太阳电池板。板的一端连接一个直径为 1km 的微波发射天线。电站的姿态控制系统使太阳电池板始终朝向太阳，指向机构使发射天线总是对准地面。太阳电池板产生的电流通过超导体传输线送到微波发生器，在这里转换成微波，再经过天线向地面发送。微波的工作频率选用 2.45GHz 或 5.8GHz。太阳能电站采用直径为 1km 的天线发射微波使微波波束中的功率密度分布比较合理，以提高地面接收天线的接收效率。地面接
6、收天线是一片 13km10km 占地约 1 万公顷的椭圆形地区，由无数半波偶极子天线组成。天线接收到的微波经过二极管整流变换成直流电或 50Hz 的市电。由于地面天线的面积非常大，微波波束到达地面时的功率密度很小。所以，波束对人、畜和庄稼不会造成危害。理想的接收天线做成网格状，用柱子高高架起。网眼密度可以让空气、阳光和水透过。这样天线下面的土地可以照常种植庄稼、放牧牛羊或作其他用途，不致浪费。但是研制、发射和组装“1979 SPS 基准系统”需要 2500 亿美元（按 1996 年币值计算）的投资及 18000 人/年的在轨工作量（相当于 600 名航天员装配工在太空工作 30年） 。这个庞大
7、的方案刚一出台，就招来众多的非议和责难。最后，经美国国家研究委员会和国会评价委员会的评审认为，该方案虽技术上可行，但经济上无法实现。 随后，苏联、日本及欧空局也进行了相关的研究和探索。 日本提出分布式绳系卫星系统。为减小单个模块的复杂性和重量，日本科学家提出了分布式绳系卫星的概念。其基本单元由尺寸为 100 米95 米的单元板和卫星平台组成，单元板和卫星平台间采用四根 210 千米的绳系悬挂在一起。单元板是由太阳能电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板，共包含 3800 个模块。每个单元板的总重约为 42.5吨，微波能量传输功率为 2.1 兆瓦。由 25 块单元板组成子板，25 块子板组
8、成整个系统。该设计方案的模块化设计思想非常清晰，有利于系统的组装、维护。但系统的质量仍十分巨大，特别是利用效率较低。 欧洲提出太阳帆塔概念。欧洲在 1998 年“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划中提出了欧洲太阳帆塔的概念。该方案基于美国提出的太阳塔概念，并采用许多新技术。其中，最主要的是采用了可展开的轻型结构太阳帆。其可以大大降低系统的总重量、减小系统的装配难度。其中每块太阳帆电池阵均为一个模块，尺寸为 150 米150 米，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器转移至地球同步轨道。由于该方案采用梯度稳定方式实现发射天线对地球定向，所以太阳帆板无法实现持续对日
9、定向。 与 40 年前格拉泽（P.E.Glaser）提出空间太阳能电站这一概念时相比，现在太阳能发电效率、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。美国和日本都已制定了争取在 2030 年左右实现商业化运行的发展路线图。 我国空间太阳能电站研究还处于刚刚起步的阶段。中科院在空间太阳能电站技术发展预测和对策研究报告中提出了“四步走”战略，认为 20302050 年我国有可能研发出第一个商业化空间太阳能发电站系统，实现空间太阳能发电站商业运行。中国科学院院士、北京科技大学教授葛昌纯认为， “空间太阳能发电是一个宏伟的空间和地面工程，涉及到如空间运输、航天器设计、微波技术、激光技术、材料技术等许多重要的技术领域。 ”在他看来，我国空间太阳能电站发展的战略机遇已经来临。
