將無(wú)比巨大的太陽(yáng)能光伏電池陣放置在地球軌道上，組成太陽(yáng)能發(fā)電站，太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為電能。1968年美國(guó)科學(xué)家彼得·格拉賽(Peter Glaser)首先提出了建造空間太陽(yáng)能光伏電站的構(gòu)想，其基本思路是：將無(wú)比巨大的太陽(yáng)能光伏電池陣放置在地球軌道上，組成太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，將取之不盡、用之不竭的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成數(shù)千兆瓦級(jí)的電能，然后將電能轉(zhuǎn)化成微波能，并利用微波或無(wú)線技術(shù)傳輸?shù)降厍颉?/p>
能量轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換成微波或激光等形式(激光也可以直接通過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化)，并利用天線向地面發(fā)送能束。有資料稱，從理論上說(shuō)，在陽(yáng)光充足的地球靜止軌道上，每平方米太陽(yáng)能能產(chǎn)生1336瓦熱量，如果在地球靜止軌道上部署一條寬度為1000米的太陽(yáng)能光伏電池陣環(huán)帶，假定其轉(zhuǎn)換效率為100%，那么，它在一年中接收到的太陽(yáng)輻射通量差不多等于目前地球上已知可開(kāi)采石油儲(chǔ)量所包含的能量總和。
地面接收系統(tǒng)接收空間太陽(yáng)能電站發(fā)射來(lái)的能束，再通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能。整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了太陽(yáng)能-電能-微波(激光)-電能的能量轉(zhuǎn)變過(guò)程?？臻g太陽(yáng)能光伏電站的建造和運(yùn)行過(guò)程還需要包括大型的運(yùn)載系統(tǒng)，空間運(yùn)輸系統(tǒng)，及復(fù)雜的后勤保障系統(tǒng)。
我國(guó)空間太陽(yáng)能電站發(fā)展“四步走”設(shè)想
目前，國(guó)內(nèi)空間太陽(yáng)能光伏電站研究還處于剛剛起步的階段。在中國(guó)空間技術(shù)研究院主辦的空間太陽(yáng)能電站發(fā)展技術(shù)全國(guó)研討會(huì)上，與會(huì)專(zhuān)家提出了我國(guó)空間太陽(yáng)能光伏電站發(fā)展“路線圖”。概括起來(lái)主要分為四個(gè)發(fā)展階段：
第一階段：2011年-2020年
充分分析空間太陽(yáng)能光伏電站的應(yīng)用需求，開(kāi)展空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)方案詳細(xì)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。
重點(diǎn)驗(yàn)證無(wú)線能量傳輸技術(shù)、高效大功率太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、大型結(jié)構(gòu)的展開(kāi)組裝技術(shù)和高壓供配電系統(tǒng)，主要有地面大功率無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)、地面大型結(jié)構(gòu)展開(kāi)及裝配技術(shù)試驗(yàn)、地面對(duì)平流層飛艇無(wú)線能量傳輸試驗(yàn)、依托空間站的大型結(jié)構(gòu)展開(kāi)及裝配技術(shù)試驗(yàn)等。
第二階段：2021年-2025年
利用我國(guó)的空間站平臺(tái)，在航天員參與下，進(jìn)行我國(guó)第一個(gè)低軌道空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)研制，在2025年開(kāi)展系統(tǒng)驗(yàn)證。重點(diǎn)驗(yàn)證大型結(jié)構(gòu)的空間展開(kāi)及裝配，大型空間聚光系統(tǒng)及其控制，大功率電源管理系統(tǒng)，大型結(jié)構(gòu)的姿態(tài)控制技術(shù)，無(wú)線能量傳輸技術(shù)(激光、微波)，空間太陽(yáng)能電站的運(yùn)行維護(hù)管理等。
第三階段：2026年-2040年
在低軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上更為可行的空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)方案和關(guān)鍵技術(shù)，突破軌道間大功率電推進(jìn)技術(shù)，研制地球同步軌道驗(yàn)證系統(tǒng)，大約在2030年左右發(fā)射，進(jìn)行空間-地面、空間-空間無(wú)線能量傳輸，開(kāi)展系統(tǒng)驗(yàn)證，為商業(yè)系統(tǒng)的研制提供重要的運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行壽命10年。初步考慮該系統(tǒng)在低軌進(jìn)行自主空間組裝，并利用空間站和航天員進(jìn)行部分組裝工作，并解決空間裝配中出現(xiàn)的問(wèn)題，組裝測(cè)試完畢后，整體運(yùn)送到地球同步軌道。
第四階段：2036年-2050年
結(jié)合驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，結(jié)合技術(shù)發(fā)展，研制我國(guó)第一個(gè)商業(yè)化空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能電站商業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行壽命30年以上。
空間太陽(yáng)能電站面臨的巨大挑戰(zhàn)
目前建設(shè)空間太陽(yáng)能電站首先是技術(shù)難題?？臻g太陽(yáng)能電站是一個(gè)巨大的工程，對(duì)于現(xiàn)有的航天器技術(shù)提出了很大挑戰(zhàn)：規(guī)模大，質(zhì)量達(dá)到萬(wàn)噸以上，比目前的衛(wèi)星高出4個(gè)數(shù)量級(jí)，需要采用新材料和新型運(yùn)載技術(shù)；面積達(dá)到數(shù)平方公里以上，比目前的衛(wèi)星高出6個(gè)數(shù)量級(jí)，需要采用特殊的結(jié)構(gòu)、空間組裝和姿態(tài)控制技術(shù)；功率大，發(fā)電功率為吉瓦，比目前的衛(wèi)星高出6個(gè)數(shù)量級(jí)，需要特別的電源管理和熱控技術(shù)；壽命長(zhǎng)，至少達(dá)到30年以上，比目前的衛(wèi)星高出一倍以上，需要新材料和在軌維護(hù)技術(shù)；效率高，需要先進(jìn)的空間太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化技術(shù)和微波轉(zhuǎn)化傳輸技術(shù)。
其次是成本問(wèn)題。有專(zhuān)家估算，建設(shè)一個(gè)天基太陽(yáng)能發(fā)電站需要耗資3000億至10000億美元。因此，成本問(wèn)題可能是制約空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的主要因素。在新概念、新技術(shù)和大規(guī)模商業(yè)化之前，收入難以補(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的建造和運(yùn)行成本。
再次是環(huán)境影響。雖然空間太陽(yáng)能電站功率很大，但由于微波能量傳輸距離遠(yuǎn)(36000公里)，根據(jù)微波能量傳輸特性，實(shí)際接收天線的能量密度比較低。
最后是運(yùn)行問(wèn)題?？臻g太陽(yáng)能電站運(yùn)行中還有許多問(wèn)題，其中包括需采取相應(yīng)措施對(duì)波束進(jìn)行安全控制問(wèn)題、對(duì)于飛行器的影響、空間碎片可能對(duì)空間太陽(yáng)能電站造成局部損害、易攻擊性、可能成為空間垃圾等。此外，還有軌道和頻率、產(chǎn)能、發(fā)射能力等問(wèn)題。
域外方案
美國(guó) 1979 SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)：這是第一個(gè)比較完整的空間太陽(yáng)能電站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，由美國(guó)在1979年完成，以全美國(guó)一半的發(fā)電量為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)方案為在地球靜止軌道上布置60個(gè)發(fā)電能力各為5吉瓦的發(fā)電衛(wèi)星。
集成對(duì)稱聚光系統(tǒng):NASA在20世紀(jì)90年代末的SERT研究計(jì)劃中提出的方案。采用了位于桅桿兩邊的大型蚌殼狀聚光器將太陽(yáng)能反射到兩個(gè)位于中央的光伏陣列。聚光器面向太陽(yáng)，桅桿、電池陣、發(fā)射陣作為一體，旋轉(zhuǎn)對(duì)地。聚光器與桅桿間相互旋轉(zhuǎn)以應(yīng)對(duì)每天的軌道變化和季節(jié)變化。
日本 分布式繩系衛(wèi)星系統(tǒng):為減小單個(gè)模塊的復(fù)雜性和重量，日本科學(xué)家提出了分布式繩系衛(wèi)星的概念。其基本單元由尺寸為100米×95米的單元板和衛(wèi)星平臺(tái)組成，單元板和衛(wèi)星平臺(tái)間采用四根2千米～10千米的繩系懸掛在一起。單元板是由太陽(yáng)能電池、微波轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線組成的夾層結(jié)構(gòu)板，共包含3800個(gè)組件。每個(gè)單元板的總重約為42.5噸，微波能量傳輸功率為2.1兆瓦。由25塊單元板組成子板，25塊子板組成整個(gè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方案的模塊化設(shè)計(jì)思想非常清晰，有利于系統(tǒng)的組裝、維護(hù)。但系統(tǒng)的質(zhì)量仍顯巨大，特別是利用效率較低。
歐洲 太陽(yáng)帆塔：歐洲在1998年“空間及探索利用的系統(tǒng)概念、結(jié)構(gòu)和技術(shù)研究”計(jì)劃中提出了歐洲太陽(yáng)帆塔的概念。該方案基于美國(guó)提出的太陽(yáng)塔概念，并采用許多新技術(shù)。其中最主要的是采用了可展開(kāi)的輕型結(jié)構(gòu)——太陽(yáng)帆。其可以大大降低系統(tǒng)的總重量、減小系統(tǒng)的裝配難度。其中每一塊太陽(yáng)帆電池陣為一個(gè)模塊，尺寸為150米×150米，發(fā)射入軌后自動(dòng)展開(kāi)，在低地軌道進(jìn)行系統(tǒng)組裝，再通過(guò)電推力器轉(zhuǎn)移至地球同步軌道。由于該方案采用梯度穩(wěn)定方式實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線對(duì)地球定向，所以太陽(yáng)帆板無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)對(duì)日定向。
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