我国先民利用太阳能的历史相当悠久，周代的《考工记》便有记载“阳燧以铜为之，向日则生火。”也就是说周代人用青铜做成凹面镜，用凹面向太阳聚光而取得火种。这种利用太阳能取火的凹面镜被称为“阳燧”，而这种取火的方式也被称为“阳燧取火”。

到了现代，人类利用太阳能的步伐更是日新月异。我国先后建设了世界上最大的青海龙羊峡水光互补并网光伏电站和全世界球聚光规模最大的甘肃敦煌熔盐塔式光热电站。

然而，太阳能发电站一般都会受到太阳光照强度、环境温度以及天气条件等的影响。一场突如其来的雾霾或者沙尘暴都会导致太阳能发电站发电量的波动。

那么，有没有能够彻底解决影响太阳能发电站工作效率问题的办法呢？

在上世纪60年代末，诺贝尔物理学奖得主彼得·格拉赛博士就提出了到太空去建造一座太阳能发电站。在太空中特定的轨道上，太阳能发电板能够始终对准太阳，每天能有大约99%的时间在持续发电。在发电效率高的同时，空间太阳能电站还具有不会受到气候的干扰，也不会受到季节昼夜变化及地理位置的影响，更不存在污染排放的问题等等优点。

而现在，空间太阳能电站的构想正在逐步变为现实。在近日召开的2021年空间技术和平利用（健康）国际研讨会空间动力和地面能源论坛上，与会专家一致认为，空间太阳能电站有可能为应对世界能源危机提供一种环保的解决方案，再过10—15年，空间太阳能相关技术研究将会取得突破。

当前，空间太阳能电站研究主要聚焦在哪些领域，空间太阳能电站建设还需要破除哪些障碍？

只是概念吗

事实上，研究建设空间太阳能电站的国家不仅只有中国，这一概念最早由美国科学家在1968年提出。所谓空间太阳能电站，就是在空间将太阳能转化为电能，再通过无线能量传输方式传到地面的电力系统。

之所以提出建设空间太阳能电站，仲元昌分析，正是因为人类对新型清洁能源需求变得越来越迫切。

但在新型清洁能源中，核能因其具有高风险性从而争议不断，风能、水能的稳定性又会受到季节和地理位置的影响。太阳能由于具有总量巨大，且具有取之不尽的优势，可成为未来能源供给的支柱。

“相比于地面太阳能电站，空间太阳能电站不受大气衰减、季节昼夜变化及地理位置的影响。”杨士中进一步解释，在西北地区，一平方米太阳能电池可产生0.4千瓦电，而在日照较少的重庆，仅产生0.1千瓦电。

但在距离地球表面约3.6万公里的地球同步轨道上，发电功率可达10——14千瓦。

早在20世纪70年代和90年代，国际上分别发生几次能源危机，美国继而开始资助空间太阳能电站研究项目，并相继提出多个方案。

日本从20世纪80年代开始研究，计划在2030年完成1吉瓦商业运行系统的技术线路图。

段宝岩设想，空间太阳能电站未来可以成为轨道中的“太空充电桩”。

他指出，目前中小卫星需要携带太阳帆板进行充电，但其效率低，因为当卫星旋转到地球阴影区便无法充电。

如果有了“太空充电桩”，卫星则不再需要太阳帆板，只需要新增一条接收天线，充电时飞过去，充完电再飞回来。“就像加油站一样。”段宝岩形容道。

在仲元昌看来，研究建设空间太阳能电站更重要的意义是可带动整个航天领域空间技术的全面进步，如在轨大型结构制造能力、人类利用空间能力以及具有非常多应用场景的微波/激光传输能力。

太空电能的生产

空间太阳能电站又是如何发电的呢？

众所周知，太阳能发电大致就是利用众多太阳能板收集太阳能并将其转化为电能，太阳能电池又分为半导体和光化学两种。

半导体太阳能电池的技术比较成熟，硅（单晶硅、多晶硅、非晶硅）太阳能电池、多元化合物太阳能电池、有机半导体太阳能电池、纳米晶体太阳能电池都已经投入使用。不过从技术和成本上来说，有机半导体太阳能电池、纳米晶体太阳能电池应该是空间太阳能电站不错的选择。因为，它们都能够在极低的温度下发电，而且使用寿命可达到20年左右，同时其成本还不到硅太阳能电池的五分之一。

光化学太阳能电池是通过化学过程将光转换为电能的设备，也称为湿式太阳能电池。不过，到目前为止这种技术尚不完全成熟。

根据科学家们的设想，我国的空间太阳能电站大致会由许多个小型发电基站集群而成。每个小基站在10万千瓦级左右，都具有独立的发电、储电和传输的能力。这样不但能够大大减轻建设、维护的难度，同时还可以根据实际情况掌控空间太阳能电站的规模。

全球研发提速

空间太阳能电站是通过卫星从太空捕集太阳能、转换成微波能量，以一种安全、稳定的无线能量传输方式传到地面站，通过地面站把接收的微波能量转化为电能后接入电网。

国际宇航科学院秘书长让·米歇尔·康坦告诉记者：“为了实现不受季节、昼夜变化等影响的太阳能发电，我们进行了很多研发和测试，研究如何使用地球之外的清洁能源。目前，空间太阳能电站概念已经在现实中得到了重要发展。”

记者采访获悉，空间太阳能发电技术（SPS）吸引了中国、美国、日本、韩国、英国、俄罗斯、法国、澳大利亚、欧空局等国家和组织的兴趣。美国在上世纪70年代提出第一个空间太阳能电站系统方案概念——1979SPS基准系统，2012年提出了“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”；日本将发展空间太阳能电站正式列入宇宙基本计划，在微波无线能量传输技术领域的研究世界领先，规划在2050年后建设商业化空间太阳能电站；英国进行技术及经济性评估后，于今年9月正式发布了《国家空间战略》，明确提出应当发展空间太阳能电站，为英国提供一种潜在的零排放能源。

“中国在空间太阳能发电技术相关研究中提出了创新的多旋转关节以及球型能量收集阵列等空间太阳能电站方案，同时在无线能量传输等关键技术方面取得了重要的进步。如今我们研究的薄膜太阳能电池可应用在空间太阳能发电技术当中，发电效率可达30%。”据中国宇航学会空间太阳能专业委员会主任委员李明介绍，目前，我国正在建设两个实验基地，一个是2018年开始在重庆建立的“空间太阳能电站实验基地”，预计2022年7月完成基础设施建设；另一个实验基地是在西安建立的“空间太阳能电站全链路地面演示验证系统”。

我国空间太阳能电站研究实现了从“跟跑”到“并跑”。按照我国专家提出的空间太阳能电站发展建议，2025年，我国将开展中小规模浮空器能量传输试验，此后将逐渐开展空间太阳能电站关键技术在轨验证工作，2035年开始建设兆瓦级空间太阳能试验电站。

挑战大于机遇

在业内人士看来，随着可重复运载技术的发展大幅降低发射成本，空间太阳能电站先进方案设计和关键硬件技术取得突破，制约空间太阳能电站发展的技术经济障碍有望克服，“不过，目前挑战仍大于机遇。”

“美国和世界其它地区都在研究可重复使用的低成本发射装置，未来的成本可降低90%，远低于传统的运载火箭。此外，随着技术的发展，未来航天器硬件成本也有望降低90%。这些研究表明，过去一直阻碍空间太阳能电站事业的成本障碍基本消除。”国际宇航科学院十年空间太阳能评估主席、国际宇航联合会空间能源委员会主席约翰·曼金斯表示。

“技术上的挑战主要来自三个方面。”李明告诉记者，“一是无线能量传输。地球同步轨道对地面进行无线能量传输要求高功率、高效率和高精度。我们已在地面上做了很多实验，目前的能量传输精度可达到约0.1度，但仍然还有很长的路要走，因为实际要求是0.0005度。二是空间高功率发电及电力传输管理，在空间开展高压、高功率、远距离的传输，对现有的技术来说均是巨大的挑战。三是电站的组装与控制。由于空间太阳能电站不能直接发射，需要把模块发射到轨道，在太空中进行部署和组装。”

在业内人士看来，效率是空间太阳能电站应用最核心的问题，总效率必须要达到10%以上，才具备实用价值。提升三个环节的效率是未来研究的关键：一是太阳能转化成电能再转化为微波；二是微波从36000公里的高度传输到地面，这中间有一些空间传输的损失；三是地面电站接收微波后，转化成直流电。提升这三个环节的效率，是未来研究的关键。

标准尚待制定

业内人士认为，除了技术和经济性以外，空间太阳能电站的发展还涉及到许多政策、法律和标准问题。“空间太阳能电站采用的频率如何确定，允许的微波功率密度是多少，如何考虑无线能量传输的安全性以及不对其他设施造成干扰，空间太阳能电站的轨道参数以及互联方式等诸多标准尚需明确。”英国Frazer-Nash咨询公司太空业务负责人、空间能源倡议联合主席马丁·索尔陶表示。

另外，如何保证空间太阳能电站不会产生太空垃圾，报废时间如何确定，报废后怎么来处理等，均需国际标准化组织制订标准。

为了达到零碳排放的目标，世界对于发展新型清洁能源的需求日益迫切，随着航天技术的快速进步，空间太阳能电站作为一种新型太阳能大规模开发方式正在迎来良好的发展机遇，未来10—20年，将成为关键技术突破和实现应用的重要时期。

本文来源： 科幻画报， 中国科学报， 中国能源报