那么，什么是空間太陽(yáng)能電站?為何要在太空建造太陽(yáng)能電站?怎樣建造空間太陽(yáng)能電站呢?
優(yōu)勢(shì)得天獨(dú)厚
目前，在地面用太陽(yáng)能發(fā)電已經(jīng)很普及了，主要是采用太陽(yáng)能電池板把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。其實(shí)，在太空利用太陽(yáng)能發(fā)電并不新鮮，因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)人造地球衛(wèi)星、載人航天器和空間探測(cè)器都裝有大大小小的太陽(yáng)能電池翼，包括剛剛在月球背面著陸的嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器也是如此。但是這些航天器的太陽(yáng)能電池翼所發(fā)的電都是供航天器本身使用，而科學(xué)家想在太空建造的太陽(yáng)能電站所發(fā)的電將主要用于地面的千家萬(wàn)戶，為人類提供巨大清潔能源。
太陽(yáng)是地球和整個(gè)太陽(yáng)系取之不盡、用之不竭的核心能源系統(tǒng)。但是在地面上的利用率卻不高，因?yàn)樵诘孛嫔侠锰?yáng)能會(huì)受到大氣的吸收和散射、云雨的衰減以及季節(jié)、晝夜更替的影響而衰減很多，能量密度變化也巨大，很不穩(wěn)定。
不過(guò)，在太空中太陽(yáng)能卻非常充裕。比如，在地球上空3.6萬(wàn)千米的地球同步軌道，由于太陽(yáng)光線不會(huì)被大氣減弱，也不受季節(jié)、晝夜變化的影響，陰影期很短，99%的時(shí)間內(nèi)可穩(wěn)定接收太陽(yáng)輻射，其強(qiáng)度是地面的6倍以上，且能實(shí)現(xiàn)空間向地面進(jìn)行能量的定點(diǎn)傳輸，所以在太空建設(shè)太陽(yáng)能電站，可有效利用此軌道上的太陽(yáng)能，為人類提供優(yōu)質(zhì)的、巨大的、用之不竭的清潔能源。
系繩式太陽(yáng)能電站方案
發(fā)展空間太陽(yáng)能電站，可為地面提供商業(yè)化的、大規(guī)模的電力供給，解決人類長(zhǎng)期對(duì)于穩(wěn)定的可再生能源的需求問(wèn)題。同時(shí)空間太陽(yáng)能電站對(duì)于地面偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電和調(diào)節(jié)環(huán)境等方面具有重要的應(yīng)用前景。同時(shí)，空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展也將為更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的月球太陽(yáng)能電站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
一旦能夠攻克空間太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，就有望逐步解決人類社會(huì)面臨的能源危機(jī)，獲得取之不盡、用之不竭的可持續(xù)清潔能源。所以，空間太陽(yáng)能電站被稱為“能源領(lǐng)域的偉大變革”，中國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)的專家都在積極開展相關(guān)研究。
就目前來(lái)看，空間太陽(yáng)能電站是開發(fā)地月空間經(jīng)濟(jì)圈最直接有效可實(shí)現(xiàn)的方式，對(duì)比開發(fā)月球氦3的難度要小得多。
面臨巨大挑戰(zhàn)
空間太陽(yáng)能電站是指在太空將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)無(wú)線能量傳輸方式傳到地面的電力系統(tǒng)，主要包括三大部分：太陽(yáng)能發(fā)電裝置、能量轉(zhuǎn)換和發(fā)射裝置，以及地面接收和轉(zhuǎn)換裝置。
太陽(yáng)能發(fā)電裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成為電能;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)，并利用發(fā)射裝置向地面發(fā)送波束;地面接收系統(tǒng)接收空間傳輸?shù)牟ㄊㄟ^(guò)轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換成為電能接入電網(wǎng)。
由大量太陽(yáng)能電池陣組成的塔式空間太陽(yáng)能電站設(shè)想圖
空間太陽(yáng)能電站的技術(shù)原理現(xiàn)已沒(méi)有太大問(wèn)題。近年來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電效率、微波轉(zhuǎn)化效率以及相關(guān)的航天技術(shù)取得了很大進(jìn)步，為未來(lái)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。但空間太陽(yáng)能電站作為一個(gè)非常宏大的空間系統(tǒng)，需要開展系統(tǒng)的研究工作，在許多技術(shù)方面都有待取得突破性進(jìn)展。例如，要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)電量要求將很高，至少是兆瓦量級(jí)，太陽(yáng)能電池板也可能要用平方千米來(lái)計(jì)算。
目前，一些國(guó)家的專家們已提出多種空間太陽(yáng)能電站方案，這些方案各有千秋，對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)出實(shí)用的空間太陽(yáng)能電站有較高的借鑒參考價(jià)值。
迄今為止，人類發(fā)射到太空的最龐大物體“國(guó)際空間站”有400多噸，而一個(gè)工業(yè)級(jí)的太陽(yáng)能發(fā)電站則有上千噸。我國(guó)有專家建議：將空間太陽(yáng)能電站的建造材料直接發(fā)射到太空中，在太空建立“太空工廠”，通過(guò)3D技術(shù)將所需的組件打印出來(lái)，再通過(guò)太空機(jī)器人進(jìn)行組裝。這是目前的研究方向之一。
空間太陽(yáng)能電站規(guī)模巨大，質(zhì)量可達(dá)萬(wàn)噸、尺度能到千米、發(fā)電功率為兆瓦級(jí)、壽命需要在30年以上，所以對(duì)于新型運(yùn)載、新型材料、高效能量轉(zhuǎn)化器件、超大型航天器結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)、在軌組裝維護(hù)技術(shù)等提出了很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性也是需要特別重視的問(wèn)題。盡管從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度已經(jīng)限制了波束密度可以滿足安全性要求，但對(duì)長(zhǎng)期微波輻射下的生態(tài)、大氣、生物體等的影響問(wèn)題仍需要開展長(zhǎng)期的研究工作。
簡(jiǎn)言之，空間太陽(yáng)能電站需要解決三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是如何通過(guò)大型運(yùn)載火箭將發(fā)電設(shè)備運(yùn)送至地球同步軌道并組裝發(fā)電;二是如何將電能傳輸?shù)降孛?三是如何保障設(shè)備運(yùn)行安全和環(huán)境安全。目前這三個(gè)問(wèn)題都還處在基礎(chǔ)性探索中。
應(yīng)用無(wú)限可能
空間太陽(yáng)能電站發(fā)展的核心應(yīng)用目標(biāo)是為地面提供商業(yè)化的、大規(guī)模的電力供給，解決人類長(zhǎng)期對(duì)于穩(wěn)定的可再生能源的需求問(wèn)題。其應(yīng)用領(lǐng)域很多。空間太陽(yáng)能電站對(duì)于地面偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、緊急供電、航天器供電和調(diào)節(jié)環(huán)境等方面具有重要的應(yīng)用前景。空間太陽(yáng)能電站的發(fā)展也將為更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的月球太陽(yáng)能電站的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
空間太陽(yáng)能電站可以不間斷地為地面提供清潔的可再生能源，為人類提供巨大的、無(wú)盡的清潔能源儲(chǔ)備。假設(shè)在(空間)地球靜止軌道上每0.5°間隔(間距約360千米)布置一個(gè)空間太陽(yáng)能電站，每個(gè)空間太陽(yáng)能電站的發(fā)電功率為5兆瓦，則可以為地面連續(xù)提供約36億千瓦的電力。巨大的空間供電還可以用于地面的海水淡化、制氫等，從而可以用于其他清潔能源的利用。而且，空間太陽(yáng)能電站作為一種大型的空間供電基礎(chǔ)設(shè)施，覆蓋面非常廣，可以靈活地用于地面移動(dòng)目標(biāo)的供電和緊急情況下的供電，包括偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島和災(zāi)區(qū)等。
集成對(duì)稱聚光系統(tǒng)空間太陽(yáng)能電站設(shè)想圖
空間太陽(yáng)能電站也可實(shí)現(xiàn)對(duì)可視范圍內(nèi)的地軌、中軌和高軌道的航天器供電，使航天器不需要巨大太陽(yáng)能電池翼，從而大大增加功率水平和控制精度，這對(duì)于未來(lái)的大功率通信衛(wèi)星、高精度科學(xué)衛(wèi)星等的發(fā)展具有重要價(jià)值。未來(lái)，還可以利用空間太陽(yáng)能電站直接進(jìn)行空間燃料生產(chǎn)以及進(jìn)行空間加工制造，使得未來(lái)的空間工業(yè)發(fā)展變?yōu)榭赡堋？臻g太陽(yáng)能電站也能作為深空探測(cè)能源系統(tǒng)的候選方案。
傳統(tǒng)化石能源的利用引起了地球溫度的升高，隨之產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)等惡劣氣象的頻繁出現(xiàn)給人類帶來(lái)巨大的災(zāi)難。將空間太陽(yáng)能電站的巨大能量傳輸?shù)烬埦盹L(fēng)所在的區(qū)域，可以改變臺(tái)風(fēng)的溫度分布，從而破壞龍卷風(fēng)的形成過(guò)程。利用空間太陽(yáng)能電站還能減緩大氣霧霾，從而起到環(huán)境調(diào)節(jié)的作用。
