空间太阳能发电站_航天技术
近年来，由于人口激增、工业无节制的发展，人类对能源需求不断增长，使用煤炭、石油等一次性石化燃料，造成了严重的环境污染，为此，研究开发和应用可再生洁净能源已势在必行。经科学家研究分析，地球上可供开采的煤炭和石油等能源的储量非常有限，按照现今能源需求的增长速度，如无特别重大的发现，估计只能维持 200～300 年。还有人估计，地球上石油的蕴藏量为 2 兆桶，从 1900 年前后开始使用石油能源，如果不控制使用，预计到 2050 年石油将被用光，到那时必需有能替代石油的新能源。人们现已把注意力转向太阳，向太阳索取能源。
太阳是太阳系的中心天体，它是一颗稳定的恒星，一个处于动态平衡的炽热的气体球。来自其中心产能区的巨大能流主要是电磁辐射，其次以粒子流的方式从太阳表层稳定地向外发射。太阳辐射能，是大气圈、水圈、生物圈运动，以及岩石圈作用的主要能源。人类生存活动更离不开太阳能，太阳离子流以及太阳活动对地球也有重大的影响。通过实测，推算出太阳辐射总功率为 3.82×10²³ 千瓦，而地球仅仅能得到太阳总辐射能的 22 亿分之一。太阳每秒钟供给地球的能量是 4.1×10¹³ 千卡，相当于每秒钟燃烧 500 万吨优质煤所发出的能量。太阳能的能量非常巨大，但绝大部分在茫茫太空中白白地散失掉了。
如何把太阳能收集和利用起来，为人类服务，已成为许多科学家研究的重大课题。20 世纪中叶，科学家已在利用太阳能方面，取得了一项重大的突破，就是能够把太阳能直接变为电能。太阳能发电是将太阳能转换成电能的过程。太阳能发电可分为太阳热发电和太阳光发电两大类。利用太阳辐射产生的热能生产蒸汽，来推动汽轮发电机组发电的过程，被称为太阳热发电。利用光电效应原理，将太阳光直接转换成电能的过程，被称为太阳光发电，亦称光电池发电。
太阳光发电的核心是太阳电池组件。它是由硅单晶或砷化镓半导体材料制成，每个太阳能电池的面积只有几平方厘米。这种太阳能电池的应用十分广泛，在现代日常生活中随时都可以见到，比如太阳能电池计算器、太阳能电池手表和太阳能电池钟，只要太阳光一照射，这些计算器、手表和钟就能工作。由于航天技术的突飞猛进，如今人造卫星、宇宙飞船、空间站等航天器上的能源，大部分是采用太阳能供电，有些是将太阳能电池贴在卫星的表面上，有些则是贴在专门供给贴太阳能电池的翼板上，这种翼板好像是卫星向左右伸出的两扇翅膀。在翼板表面上贴有数以万计的太阳能电池，将它们并联或串联起来，在太阳光的照射下，便能供给几百瓦乃至几千瓦的电力。翼板面积越大，贴的太阳能电池越多，产生的电力就越大。1968 年格拉塞博士提出了空间太用能发电站方案，这一设想是建立在一个极其巨大的太阳能电池阵的基础上，由它来聚集大量的阳光，利用光电转换原理达到发电的目的。所产生的电能将以微波形式传输到地球上，然后通过天线接收经整流转变成电能，送入全国供电网。
人们也许会想，目前在地面已经能够将太阳能电池安装在个人住宅的屋顶上，组成家用光电池发电系统，又何必到太空中去建设太阳能发 电站呢？经研究人员分析，要把丰富的太阳能转变成电能，在地球上建立大型太阳能—电能转换装置，会出现很多不利因素。这是因为一般在地球上的任何一个地方，一年中只有 1/2 左右的时间能获得日照，而且日照程度又随时间和天气而改变，比如云、雾、雨、雪等天气现象的出现，使工作效率大为降低，所以不能把它作为基本负载的电厂来使用。同时还因为在地面上有风和重力存在，使建筑超级大型太阳能电池阵或反射镜颇为困难。加之存在大气和地面的各种污染，还需要设计专用自动清洗设备对其进行定期清洗，不然就会影响它的转换效率。
在宇宙空间建立太阳能电站，能合理地充分利用空间资源。太阳能电站最好设置在赤道平面内的地球同步轨道上，位于西经 123 度和东经
57  度附近。使太阳能电池阵始终对太阳定向，并且发射天线的微波束必需指向地面的接收天线。由于处在赤道平面的同步轨道上，因此空间太阳能电站与地面任何地方的相对位置都保持不变。电站上需带有少量推进剂，以便克服由太阳和月球重力作用、太阳光压和地球偏心率等因素造成的轨道漂移。不过当空间太阳能电站绕地球运动时，总有一部分时间内被地球遮挡住阳光。但由于该站设置在静止轨道上，每年有 277 天是全日照，仅每年的春分、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（亦称星食期），最长的停电时间也只不过 75 分钟，而停电时间又是可以正确预测的，照此算来，空间太阳能电站平均每天有99％的时间，可向地上接收设备输电。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 6～15倍。
美国波音公司设想的电站规模相当于一个空间小城市，如果建成，它的发电能力为美国最大水力发电站的 2 倍。据科学家估算，若建造 60 颗卫星式的空间太阳能发电站，其发电能力相当于美国目前所有发电站发电能力的总和。波音公司集中研究了两种电站的方案，一种是光电转换方案，另一种是热循环方案。每种方案能产生 10000 兆瓦的电能，可满足 100 万户家庭的需要。设想的卫星式空间太阳能电站，外形为长方形，长 24.8 千米，宽 5.2 千米，其面积为 129 平方千米，在这样大的卫星平台上，大约需贴 140 亿块太阳能电池。在太空建造这样的电站，总重量将达到 10 万吨。空间太阳能发电站所产生的电能是直流电，经转换成微波能，送至电站平台上的发射机，通过直径 1 千米的天线发送出去。天线波束指向地面接收天线阵，经过地面天线接收后，再把微波能转换成直流电。这项工程之浩大实在令人惊叹，它将给人们留下深刻的印象，仅地面接收天线就足以说明这一点，其面积高达 9.5 千米×13 千米，形状就象装在地面高处的一道道篱笆，不过在它下面的空间完全可以充分利用，用它来种植各种农作物。
在外层空间轨道上，空间太阳能电站处于失重或微重力环境下，也就是说处于受很小外力作用的环境之中。这对于超级大型太阳电池阵和太阳能收集器的构筑十分有利。可采用轻型或展开式结构。此外，在太空高真空和高洁净环境下，也不必为太阳转换装置加设清洗、排水等机械设备，可大大简化装置。尽管如此，在太空建造空间太阳能电站，还需要解决一系列的技术问题，比如，要寻找制造成本低、性能好、重量 轻的太阳能电池，以及轻型耐久的结构材料。同时还要研究解决好飞行控制，因为这是一个重要的工程问题，在太空对一个巨大的活动系统来说，如何使 100 多平方千米的巨型太阳电池阵始终对准太阳，并控制微波波束的发射方向。此外，人们也十分关心微波能量的传输，微波对电离层的影响，微波辐射对通信的影响，以及微波对生物的影响等问题。
人们一旦下决心要在太空建设空间太阳能电站，必将要动用航天飞机、大型运载火箭这些运输系统，把为数众多的材料分期分批地运送到太空中去，将电站组装成型。如果一切能如愿以偿，待空间太阳能电站建成，地球上的能源危机就可得到缓解，环境污染问题亦会得到改善，人们期待的这一天不会太久了。