空间站太阳能（Space-based solar power, SBSP）是在外太空收集太阳能并将其分配到地球的概念。 在太空收集太阳能的潜在优势包括由于缺乏扩散的气氛而具有更高的收集率和更长的收集时间，以及将太阳能收集器放置在没有夜晚的轨道位置的可能性。 相当一部分进入的太阳能（55-60％）在反射和吸收的影响下在通过地球大气层的途中损失了。 太空太阳能系统将太阳光转换为大气层外的微波，避免了这些损失和地球自转造成的停机时间，但由于将材料送入轨道的费用很高，成本很高。 SBSP被认为是可持续或绿色能源，可再生能源的一种形式，偶尔也被认为是气候工程提案中的一种。 对那些寻求人为气候变化或化石燃料消耗（如石油峰值）的大规模解决方案的人来说，它很有吸引力。

自20世纪70年代早期以来，各种SBSP提案都得到了研究，但目前的太空发射基础设施都没有经济可行性。 与大型商业发电厂相比，适度的吉瓦范围微波系统需要向轨道发射约80,000吨物质，这使得这种系统的能源成本远远高于现今的可再生能源。 一些技术人员推测，如果要开发一个可以用小行星或月球材料制造太阳能发电卫星的非世界工业基地，或者如果能够在火星上使用激进的新太空发射技术，那么这可能会在遥远的未来发生变化。未来。

除了实施这种系统的成本之外，SBSP还引入了若干技术障碍，包括将能量从轨道传输到地球表面以供使用的问题。 由于从地球表面延伸到轨道卫星的导线对于当前技术既不实用也不可行，SBSP设计通常包括使用某种方式的无线电力传输及其伴随的转换效率低，以及对必要的天线电台的土地使用问题。接收地球表面的能量。 收集卫星将太阳能转换为船上的电能，为微波发射器或激光发射器供电，并将此能量传输到地球表面的收集​​器（或微波整流天线）。 与流行小说和电子游戏中SBSP的出现相反，大多数设计提出的光束能量密度如果人类无意中暴露则无害，例如，如果发射卫星的光束偏离偏航。 但是，必要的大尺寸接收天线仍然需要在最终用户附近获得大块土地并专用于此目的。 面对长期暴露于空间环境的挑战，天基收集者的使用寿命，包括辐射和微流星体损坏的退化，也可能成为SBSP关注的问题。

日本，中国和俄罗斯正在积极推行SBSP。 2008年，日本通过了“基础空间法”，将太空太阳能作为国家目标，JAXA制定了商业SBSP的路线图。 2015年，中国空间技术研究院（CAST）在国际空间发展大会（ISDC）上简要介绍了他们的路线图，并在2050年展示了他们到1 GW商业系统的路线图，并公布了他们设计的视频和描述。

挑战

潜在
SBSP概念很有吸引力，因为太空在地球表面有几个主要的优势来收集太阳能：

在太空和充足的阳光下，它总是太阳中午。
由于没有诸如大气气体，云，灰尘和其他天气事件等障碍物，收集表面可以接收更强烈的阳光。 因此，轨道强度约为地球表面可达到的最大强度的144％。
一颗卫星可以在99％的时间内被照亮，并且在地球的阴影中，在当地午夜的春季和秋季昼夜平分点每晚最多只有72分钟。 轨道卫星可以承受持续高度的太阳辐射，通常每天24小时，而地球表面太阳能电池板目前平均每天收集29％的电力。
电力可以相对快速地直接重定向到最需要它的区域。 收集卫星可以根据地理基本负载或峰值负载功率需求将电力按需引导到不同的地面位置。 典型的合同将是基本负载，连续功率，因为​​峰值功率是短暂的。
消除植物和野生动物的干扰。
通过非常大规模的实施，特别是在低海拔地区，它可能会减少进入地球表面的入射太阳辐射。 这对于抵消全球变暖的影响是可取的。

缺点
SBSP概念还存在许多问题：

将卫星发射到太空的成本很高
稀薄的阵列诅咒阻止了从太空到地球表面的有效传输
无法接近：基于地球的太阳能电池板的维护相对简单，但太空太阳能电池板在太空中的建造和维护通常是通过遥控机器人进行的。 除了成本之外，在GEO（地球同步轨道）工作的宇航员暴露于不可接受的高辐射危险，风险和成本比远程机器人完成的相同任务大约多一千倍。
太空环境充满敌意; 面板遭受的降解大约是地球降解的8倍（除了受磁层保护的轨道）。
空间碎片是对空间大型物体的主要危害，所有大型结构如SBSP系统都被提及作为轨道碎片的潜在来源。
微波下行链路的广播频率（如果使用的话）将需要将SBSP系统与其他卫星隔离开来。 GEO空间已经得到很好的利用，国际电联不太可能允许SPS发射。[不相关的引用]
地面接收站的大尺寸和相应的成本。
在从光子到电子到光子转换回电子的几个阶段中的能量损失。

设计
太空太阳能基本上由三个要素组成：

利用反射器或充气镜在太空舱上收集太阳能
通过微波或激光向地球传输无线电力
通过整流天线，微波天线在地球上接收电力

基于空间的部分不需要支撑自身以抵抗重力（除了相对较弱的潮汐应力）。 它不需要保护地面风或天气，但必须应对微尘和太阳耀斑等空间危害。 已经研究了两种基本的转换方法：光伏（PV）和太阳能动态（SD）。 对SBSP的大多数分析都集中在使用太阳能电池进行光电转换，太阳能电 太阳能动态使用镜子将光线集中在锅炉上。 太阳能动力的使用可以降低每瓦质量。 早期提出无线电力传输作为利用各种频率的微波或激光辐射将能量从集合传递到地球表面的手段。

微波功率传输
威廉·C·布朗于1964年在沃尔特·克朗凯特的哥伦比亚广播公司新闻节目中展示了一架微波动力模型直升机，该直升机获得了从微波束飞行所需的所有动力。 1969年至1975年间，比尔·布朗担任JPL雷神计划的技术总监，该计划在1英里（1.6公里）的距离内以78％的效率发射30千瓦的电力。

加利福尼亚州的Goldstone（1975年）和Reunion岛的Grand Bassin（1997年）的现有测试证明了几十千瓦的微波功率传输。

最近，由约翰·C·曼金斯（John C. Mankins）领导的一个团队，在毛伊岛的山顶和夏威夷岛（92英里以外）之间，结合太阳能捕获，已经证明了微波功率传输。 阵列布局，单辐射元件设计和整体效率方面的技术挑战以及相关的理论极限目前是研究的主题，正如“太阳能传输电磁无线系统分析”特别会议所证明的那样。 “将参加2010年IEEE天线和传播研讨会。 2013年，出版了一份有用的概述，内容涉及从空间到地面的微波功率传输相关的技术和问题。 它包括SPS介绍，当前研究和未来前景。 此外，对IEEE微波功率传输天线阵列设计的现有方法和技术的综述见于IEEE会议论文集。

激光功率发射
NASA的一些人设想激光功率发射作为进一步实现太空工业化的垫脚石。 在20世纪80年代，NASA的研究人员致力于激光器在空对空功率发射方面的潜在用途，主要集中在太阳能激光器的开发上。 1989年有人建议，从地球到太空的激光也可以有效地发射电力。 1991年，SELENE项目（SpacE Laser ENErgy）开始实施，其中包括研究激光功率发射，为月球基地供电。 SELENE计划是一项为期两年的研究工作，但将概念用于运营状态的成本太高，官方项目于1993年结束，然后才进入太空演示。

1988年，Grant Logan提出使用地基激光器为电力推进器提供空间推进力，技术细节于1989年制定。他提出使用600度操作的金刚石太阳能电池来转换紫外激光。

轨道位置
在地球静止轨道中定位空间电站的主要优点是天线几何形状保持不变，因此保持天线排列更简单。 另一个优点是，一旦第一个空间电站进入轨道，就能立即获得几乎连续的电力传输; 其他太空发电站在产生几乎连续的电力之前具有更长的启动时间。 已提出一系列LEO（低地球轨道）空间发电站作为GEO（地球静止轨道）太空太阳能发电的前身。

基于地球的接收器
基于地球的整流天线可能包括许多通过二极管连接的短偶极天线。 来自卫星的微波广播将在偶极子中被接收，效率约为85％。 使用传统的微波天线，接收效率更好，但其成本和复杂性也相当大。 Rectennas可能会跨越几公里。

在太空应用中
激光SBSP还可以为月球或火星表面上的基座或车辆提供动力，从而节省了降落电源的大量成本。 航天器或其他卫星也可以用同样的方法供电。 在提交给美国宇航局太空太阳能发电的2012年报告中，提交人提到太空太阳能发电背后的技术的另一个潜在用途可能是用于太阳能电力推进系统，可用于星际人类探测任务。

发射成本
SBSP概念的一个问题是空间发射的成本和需要发射的材料数量。

发射的大部分材料不需要立即送到其最终轨道，这提高了高效（但较慢）发动机可以以可接受的成本将SPS材料从LEO移动到GEO的可能性。 例子包括离子推进器或核推进器。 通过微波从地球静止轨道发射功率带来了所需的“光学孔径”尺寸非常大的困难。 例如，1978年NASA SPS研究需要一个1千米直径的发射天线和一个10千米直径的接收天线，用于2.45 GHz的微波波束。 通过使用较短的波长可以稍微减小这些尺寸，尽管它们增加了大气吸收，甚至可能因雨水或水滴而阻挡光束。 由于阵列诅咒变薄，通过组合几个较小卫星的波束，不可能制造出更窄的波束。 大尺寸的发射和接收天线意味着SPS的最小实际功率水平必然很高; 小型SPS系统将是可能的，但不经济。

为了解问题的规模，假设太阳能电池板质量为每千瓦20千克（不考虑支撑结构，天线的质量或任何聚焦镜的任何显着质量减少），4 GW电站将会称重大约80,000公吨，在目前的情况下，所有这些都将从地球发射。 非常轻的设计可能达到1千克/千瓦，意味着对于相同的4千兆瓦容量站的太阳能电池板为4000千吨。 这将相当于40到150架重型运载火箭（HLLV）的发射，将材料送到低地球轨道，在那里它很可能被转换成子组件太阳能阵列，然后可以使用高效的离子发动机火箭（慢慢地）到达GEO（地球静止轨道）。 据估计，基于班车的HLLV的连续发射成本为5亿至8亿美元，替代HLLV的发射成本为7800万美元，总发射成本将在110亿美元（低成本HLLV，低重量面板）和3200亿美元（’昂贵的’HLLV，更重的面板）。 如果要将此类成本用于与地球能源生产相比较，则必须增加这些成本，以增加重型太空发射任务对环境的影响。 相比之下，新煤炭或核电厂的直接成本从每GW 30亿美元到60亿美元不等（不包括二氧化碳排放或乏核燃料储存对环境的全部成本）; 另一个例子是阿波罗登月计划耗资240亿美元（1970年代美元），考虑到通货膨胀，今天将花费1400亿美元，比建造国际空间站更昂贵。

从太空建筑

从轨道上发射的月球物质
杰拉德·奥尼尔（Gerard O’Neill）注意到20世纪70年代早期发射成本高的问题，他提议用月球材料在轨道上建造SPS。 由于较低的重力和缺乏大气阻力，月球的发射成本可能远低于地球。 这个20世纪70年代的提案假设了当时宣传的NASA航天飞机的未来发射成本。 这种方法需要大量的前期资本投资才能在月球上建立大规模的司机。 尽管如此，1979年4月30日，通用动力公司康维尔分部根据美国宇航局合同NAS9-15560的最终报告（“太空建设的月球资源利用”）得出结论，月球资源的使用将比地球材料便宜。系统只有30个太阳能卫星，每个10GW容量。

1980年，当NASA对航天飞机的发射成本估计显得非常乐观时，O’Neill等人。 发布了另一条使用月球材料进行制造的途径，启动成本低得多。 这种20世纪80年代的SPS概念较少依赖于人类在太空中的存在，而更多地依赖于驻扎在地球上的工人远程控制的月球表面上的部分自我复制系统。 这个提议的高净能量收益来自月球的浅更重的引力井。

从太空获得相对便宜的每磅原材料来源将减少对低质量设计的关注，并导致建立不同类型的SPS。 奥尼尔的愿景中每磅月球物质的低成本将得到支持，使用月球材料在轨道上制造更多的设施而不仅仅是太阳能卫星。 从月球发射的先进技术可以降低从月球材料制造太阳能卫星的成本。 一些提议的技术包括月球质量驱动器和月球空间电梯，首先由杰罗姆皮尔森描述。 这需要在月球上建立硅采矿和太阳能电池制造设施。

在月球上
物理学家David Criswell博士建议月球是太阳能发电站的最佳位置，并促进月球太阳能发电。 他设想的主要优势是建设主要来自当地可用的月球材料，利用现场资源利用，远程操作移动工厂和起重机组装微波反射器，以及漫游车组装和铺设太阳能电池，这将显着降低发射成本到SBSP设计。 绕地球和月球运行的功率继电器卫星反射微波束也是该项目的一部分。 1 GW的演示项目起价为500亿美元。 Shimizu公司将Luna Ring概念与激光和微波相结合，以及功率继电器卫星。

来自小行星
小行星采矿也得到了认真考虑。 美国国家航空航天局（NASA）的一项设计研究评估了一艘10,000吨的采矿车（将在轨道上组装），该采矿车将一颗500,000吨的小行星碎片返回到地球静止轨道。 只有约3,000吨的采矿船将是传统的航空航天级有效载荷。 剩下的就是质量驱动发动机的反应质量，它可以安排成用于发射有效载荷的废火箭级。 假设100％的返回小行星是有用的，并且小行星矿工本身不能重复使用，这意味着发射成本降低了近95％。 然而，这种方法的真正优点在于对候选小行星进行彻底的矿物调查; 到目前为止，我们只估计了它们的构成。 一项建议是将小行星Apophis捕获到地球轨道并将其转换为150颗每颗5GW的太阳能卫星或更大的小行星1999 AN10，其尺寸为Apophis的50倍，足以建造7,500颗5千兆瓦的太阳能卫星。

非典型配置和架构考虑因素
典型的参考系统系统涉及GEO中各个卫星的大量（数千个千兆瓦系统，以服务地球能量需求的全部或大部分）。 单个卫星的典型参考设计在1-10GW范围内，并且通常涉及平面或集中太阳能光伏（PV）作为能量收集器/转换。 最典型的传输设计是在1-10 GHz（2.45或5.8 GHz）RF频段，其中大气中的损耗最小。 卫星材料来自地球并在地球上制造，预计将通过可重复使用的火箭发射运输到低地球轨道，并通过化学或电力推进在LEO和GEO之间运输。 总之，架构选择是：

位置= GEO
能量收集= PV
卫星=整体结构
传输= RF
材料与制造=地球
安装= RLO到LEO，化学到GEO

参考系统有几个有趣的设计变体：

替代能量收集位置：虽然GEO最典型，因为它具有接近地球的优势，简化的指向和跟踪，非常小的掩星时间，以及可满足所有全球需求数倍的可扩展性，已经提出了其他位置：

太阳地球L1：Robert Kennedy III，Ken Roy和David Fields提出了一种名为“Dyson Dots”的L1遮阳伞变体，其中一个多太瓦的主要收集器会将能量发射回一系列LEO太阳同步接收器卫星。 离地球更远的距离需要相应更大的传输孔径。
月球表面：David Criswell博士建议使用月球表面作为收集介质，通过地球轨道上的一系列微波反射器向地面发射功率。 这种方法的主要优点是能够在没有能量成本和发射复杂性的情况下原位制造太阳能集热器。 缺点包括更长的距离，需要更大的传输系统，处理月球所需的“过度建造”，以及反射器卫星的充分制造和指向的困难。
MEO：MEO系统已经被提出用于空间公用事业和波束功率推进基础设施。 例如，请参阅Royce Jones的论文。
高椭圆轨道：Molniya，Tundra或Quazi Zenith轨道已被提议作为利基市场的早期位置，需要更少的能量来获取并提供良好的持久性。
太阳同步LEO：在这个近极地轨道上，卫星以一定的速度进动，使它们能够在绕地球旋转时始终面向太阳。 这是一种易于进入的轨道，需要更少的能量，并且它靠近地球需要更小（因此质量更小）的传输孔。 然而，该方法的缺点包括必须不断地移动接收站，或存储用于突发传输的能量。 这个轨道已经拥挤，并且有很大的空间碎片。
赤道利奥：日本的SPS 2000提出了赤道LEO的早期示威者，其中多个赤道参与国可以获得一些权力。
地球表面：Narayan Komerath博士提出了一个空间电网，来自地球一侧现有电网或发电厂的多余能量可以通过轨道传输到另一个卫星，然后传递到接收器。

能量收集：太阳能卫星最典型的设计包括光伏发电。 这些可以是平面的（通常是被动冷却的），集中的（并且可能是主动冷却的）。 但是，有许多有趣的变种。

太阳能热能：太阳能热能的支持者提出使用集中加热来引起流体状态的变化，通过旋转机械提取能量，然后在散热器中冷却。 该方法的优点可能包括整体系统质量（有争议），由于太阳风损坏导致的非降级和辐射耐受性。 最近由Keith Henson设计的一种太阳能热卫星设计已在这里可视化。
太阳能泵浦激光器：日本一直在寻求一种太阳能泵浦激光器，在这种激光器中，阳光直接激发用于产生相干光束到地球的激光介质。
Fusion Decay：这个版本的电力卫星不是“太阳能”。 相反，空间的真空被视为传统融合的“特征而非错误”。 根据Paul Werbos博士的说法，在融合后，即使是中性粒子也会衰变成带电粒子，这些粒子在足够大的体积内可以直接转换成电流。[引证需要]
太阳风循环：也称为Dyson-Harrop卫星。 在这里，卫星不使用来自太阳的光子，而是利用太阳风中的带电粒子，通过电磁耦合在大环路中产生电流。
直接反射镜：直接将光线重新定向到行星地球的早期概念受到以下问题的影响：来自太阳的光线不是平行的，而是从光盘扩展，因此地球上的光斑尺寸非常大。 Lewis Fraas博士探索了一系列抛物面镜，以增强现有的太阳能电池阵列。

备用卫星架构：典型的卫星是由结构桁架，一个或多个收集器，一个或多个发射器以及偶尔的主要和次要反射器组成的整体结构。 整个结构可以是重力梯度稳定的。 替代设计包括：

成群的小型卫星：有些设计提出成群的自由飞行的小型卫星。 这是几种激光设计的情况，似乎是CALTECH的飞毯。 对于RF设计，工程约束是稀疏阵列问题。
自由浮动组件：Solaren提出了一种替代单片结构的方法，其中主反射器和透射反射器是自由飞行的。
自旋稳定：NASA探索了一种自旋稳定的薄膜概念。
光子激光推进器（PLT）稳定结构：Young Bae博士提出光子压力可以代替大型结构中的压缩构件。

传输：最典型的能量传输设计是通过10 GHz以下的RF天线到地面上的整流天线。 在Klystrons，Gyrotrons，Magnetrons和固态之间存在争议。 替代传输方法包括：

激光：激光器具有成本和质量远低于第一功率的优势，但是在效率方面存在争议。 激光器允许更小的发射和接收孔径。 然而，高度集中的光束具有眼睛安全，防火和武器化问题。 支持者认为他们可以解决所有这些问题。 基于激光的方法还必须找到应对降水的替代方法。
大气波导：有人提出可以使用短脉冲激光来产生大气波导，浓缩微波可以通过大气波导流动。
标量：有些人甚至推测它可能通过标量波传输能量。
核合成：基于内太阳系的粒子加速器（无论是在轨道上还是在诸如水星的行星上）可以使用太阳能从天然材料合成核燃料。 虽然使用现有技术（就制造燃料所需的能源数量与燃料中所含的能量相比）来说效率非常低，并且会引起明显的核安全问题，这种方法将采用这种方法。依靠已经使用了几十年，使这可能是最可靠的发送能量的方式，特别是在非常长的距离 – 特别是从内太阳系到外太阳系。

材料和制造：典型设计利用地球上现存的开发工业制造系统，并使用地球材料用于卫星和推进剂。 变种包括：

月球材料：太阳能卫星的设计存在来自月球风化层的99％以上的材料，来自其他地方的“维生素”输入非常少。 使用来自月球的材料是有吸引力的，因为从月球发射在理论上远没有地球那么复杂。 没有气氛，因此组件不需要在气动壳中紧密包装，并承受振动，压力和温度负荷。 发射可以通过磁性质量驱动器和完全使用推进剂进行发射的要求。 从月球发射，GEO还需要比地球更深的重力井更少的能量。 建造所有太阳能卫星以完全为整个地球提供所需的能量需要不到月球质量的百万分之一。
月球上的自我复制：美国国家航空航天局于1980年在月球上探索了一个自我复制的工厂。最近，Justin Lewis-Webber提出了一种基于John Mankins SPS-Alpha设计的核心元素的特定制造方法。
小行星材料：一些小行星被认为具有甚至更低的Delta-V来恢复材料而不是月亮，并且一些特定的感兴趣的材料（例如金属）可能更集中或更容易进入。
空间/现场制造：随着空间增材制造的出现，诸如SpiderFab等概念可能允许大规模推出用于局部挤出的原材料。

争议的论点

安全
在考虑任何SPS设计时，使用微波传输功率一直是最具争议的问题。 在地球表面，建议的微波束在其中心处具有23mW / cm2的最大强度（小于太阳辐射常数的1/4），并且在整流天线围栏线之外的强度小于1mW / cm2（接收器的周长）。 这些与目前的美国职业安全和健康法案（OSHA）微波炉工作场所暴露限值（10 mW / cm2）相比较 – 该限制本身以自愿方式表达，并且被统治为联邦OSHA执法目的无法执行。 因此，这种强度的光束位于其中心，与当前安全的工作场所水平相似，即使是长期或无限期曝光。 在接收器之外，它远远低于OSHA的长期水平95％以上的光束能量将落在整流天线上。 剩余的微波能量将被吸收并分散在目前全球微波辐射标准的范围内。 系统效率的重要性在于尽可能多的微波辐射都集中在整流天线上。 在整流天线之外，微波强度迅速下降，因此附近的城镇或其他人类活动应该完全不受影响。

可以通过其他方式最小化对光束的曝光。 在地面上，物理通道是可控的（例如，通过围栏），并且通过梁飞行的典型飞机为乘客提供保护金属壳（即法拉第笼），其将拦截微波。 其他飞机（气球，超轻型飞机等）可以通过观察航空控制空间来避免暴露，正如目前对军事和其他受控空域所做的那样。 光束中心的地平面微波束强度将被设计并物理地构建到系统中; 简单地说，发射器太远而且太小而不能将强度增加到不安全的水平，即使原则上也是如此。

此外，设计限制是微波束不能太强烈以至于伤害野生动物，特别是鸟类。 在合理水平上进行有意识的微波辐射的实验甚至在多代中都未显示出负面影响。 已经建议将海上天线定位，但这会带来严重的问题，包括腐蚀，机械应力和生物污染。

确保故障安全波束目标的通常提出的方法是使用反向相控阵天线/整流天线。 从地面上的整流天线中心发射的“导频”微波束在发射天线处建立相位前沿。 在那里，每个天线的子阵列中的电路将导频波束的相位前沿与内部时钟相位进行比较，以控制输出信号的相位。 这迫使透射光束精确地在整流天线上居中并具有高度的相位均匀性;如果导频波束由于任何原因而丢失（例如，如果发射天线远离天线整流天线），则相位控制值失效并且微波功率射束自动散焦。这样的系统在物理上不能将其功率束聚焦在没有导频束发射器的任何地方。以微波形式通过电离层发射功率的长期影响尚未得到研究，但没有提出可能导致任何显着影响的任何内容。