空间对称型二次反射太阳能聚集系统能量传输特性

聚光光伏系统的聚光比和聚集太阳能流密度分布的均匀性是评价其性能的重要指标,基于几何光学原理,建立了对称型二次反射聚集系统的数学物理模型,理论分析了偏轴聚集器倾角、二次斜面倾角等聚光系统的结构参数对能流密度均匀性和聚光比的影响,提出了优势参数组合;并采用射线踪迹蒙特卡罗法(MCRTM)对太阳光的聚集传输过程进行模拟,分析了接收面的能流密度分布特性。结果表明,对称型二次反射聚集系统在偏轴抛物面倾角、二次斜面倾角以及接收面高度参数的适当组合之下,聚光比适中,能流分布均匀,适宜用于空间聚光光伏发电。     

空间太阳能发电系统及其关键材料

考虑到未来世界能源的发展,文章综述了空间太阳能发电系统国内外研究和发展现状,包括空间太阳能发电系统的结构演化以及世界各国相关项目的实施和进展,重点讨论了空间太阳能发电系统相关材料技术的发展。针对目前我国在航天和新材料领域的基础,提出了我国发展空间太阳能发电系统的建议。     

空间带电粒子辐照与预应力耦合作用对功能形面薄膜结构性能影响研究

空间大尺度薄膜航天器是航天技术发展的重要方向,采用折叠展开的大面积功能形面结构是此类航天器的基本特征,为满足热控、通信、聚光、成像与能量传输等功能,结构需要通过预应力来维持形面,保证较高的形面精度和结构基频,但预应力加载对带电粒子辐照下薄膜材料性能退化存在促进作用.文章通过对薄膜材料在不同预应力工况和空间环境耦合作用下的损伤行为以及退化规律开展试验研究,建立与预应力状态、辐照注量相关的材料性能退化规律,量化研究了预应力对空间辐射环境下功能形面薄膜结构性能影响.随着薄膜力学性能的退化,形面结构基频随之有微弱的降低,且对薄膜结构平面度造成一定影响.     

空间太阳能电站技术的可行性研究

简要介绍世界空间太阳能电站的太阳发电卫星／太阳能发电（ＳＰＳ／ＬＳＰ）系统两种设想及相关技术的可行性研究与发展情况。总体说，实现空间电站所需无线电能传输技术（ＷＰＴ）、太阳电池技术及空间技术已基本成熟，可望于下世纪初建立初步的空间太阳能发电系统。     

空间柔性太阳电池阵发展现状及趋势

从3个方面分析空间柔性太阳电池阵的发展现状,包括折叠式、卷绕式柔性太阳电池阵总体构型的发展历程;铰接桁架式、折纸式、充气式、形状记忆材料、薄壁管状及圆周展开机构6种伸展机构的特点及应用情况;硅电池片、砷化镓电池片、柔性薄膜电池片及聚光太阳电池片等常用电池片材料性能的发展现状。指出面对未来空间柔性太阳电池阵大尺寸、高功率、模块化的发展需求,采用薄壁管状伸展臂及多结砷化镓薄膜电池片的卷绕式柔性太阳电池阵在质量、功率、收拢体积及成本上达成了较好的平衡,是未来的发展趋势,在此基础上,对未来空间柔性太阳电池阵重点研究方向进行了展望。     

基于线聚焦菲涅耳透镜的空间聚光光伏系统特性的实验研究

对线聚焦菲涅耳透镜的空间聚光光伏系统的特性开展了实验研究,以期解决工程设计时多参数合理匹配和选择的问题。通过研制由菲涅耳透镜—单晶硅太阳电池光伏组件、太阳模拟器和测试设备组成的实验装置,开展了菲涅耳透镜失焦距离、聚光比和太阳电池短路电流、开路电压、最佳功率、填充因子、效率、温度等之间的关系以及不同失焦距离和不同太阳光线横向偏角对聚焦宽度的影响的实验测试和实验分析工作。研究结果表明：聚光太阳电池性能随短路电流和最佳功率的提高而提高,短路电流和最佳功率分别随聚光比的增加而近似呈线性增大,开路电压基本不随聚光比变化;失焦距离变化引起透镜聚焦宽度变化,进而影响电池表面辐射强度和有效聚光比,应控制失焦距离在可允许范围内;太阳电池串联电阻对聚光太阳电池工作性能存在不利影响,需尽可能选择低串联内阻、高填充因子的太阳电池;应保证聚光太阳电池具有良好的散热条件;太阳光线横向偏角会导致聚焦宽度变大、聚光比减小,并使聚焦光线偏离太阳电池,应控制横向偏角在规定范围内。研究结果为线聚焦菲涅耳透镜空间聚光光伏系统工程设计提供了技术支持。     

利用等离子体通道实现空间太阳能无线能量传输

空间太阳能电站是高效利用太阳能的有效途径,受到了国际的广泛关注。空间无线能量传输技术是空间太阳能电站的关键技术之一。文章首先分析了微波与激光无线能量传输技术的问题,根据空间太阳能传输的具体需求进一步提出基于等离子体通道的无线能量传输技术,并对基于此项技术的空间太阳能传输系统进行了论证,完善并发展了空间太阳能传输模型。基于等离子体通道的无线能量传输技术为多个领域的能量补给提供了新颖的技术途径,是具有广阔应用前景的战略选择。     

折射式二次聚光太阳能热推力器性能预示

针对折射式二次聚光太阳能热推力器,给出了太阳能热推力器(STP)性能预示的工程算法。计算结果表明,以氢气为工质,STP具有比冲较高(7500N·s/kg),推力范围宽(0.6～50N)的特点,并分析了聚光器的聚光比、太阳辐射能通量密度和工质气体的流量对STP性能的影响,得出了参数间的变化关系,为STP设计参数的选取和进一步研究提供了重要参考。     

太空发电站地面接收站附近电磁环境评估

随着全世界范围对能源的需求量与日俱增，空间太阳能发电概念为人类全面开发利用空间太阳能提供了可能；其中，微波电能传输是实现空间太阳能发电的一种极具潜力的技术方案，受到前所未有的重视。与传统能源（煤炭/石油/核能）类似，空间太阳能发电必然影响地球环境，尤其是微波电能传输使用高功率的微波长时间、固定位置穿透大气层并长期照射地面接收站，必须研究和分析空间太阳能发电对环境的影响。因此，通过对太空发电站系统相关参数的分析，利用基于等效原理的口径场法推导出地面接收站系统附近场强的计算公式，进一步通过对发射天线照射区域进行划分的方法分别仿真地面接收天线中心位置和边缘位置处的场强。最后根据我国政府制定的电磁辐射曝露限值管理标准提出公众、工医科设备及通信系统不受地面接收站电场强度影响的安全区域范围。     

充气式天基太阳能电站方案构想

为了解决现有天基太阳能电站面临的技术难度和成本问题,尽早使其实用化,文章提出了一种新型充气式球形天基太阳能电站概念。概述了新型电站的工作原理、系统构成及功能,重点分析了通过采用球形柔性薄膜太阳能电池和空间充气展开结构材料技术,新型电站无须对日定向,能高效折叠存储升空和大大降低发电模块质量。文章还对新型电站总体设计、折叠展开、在轨刚化、高精度姿态控制及大功率电量存储和传输等关键技术进行了简要论述,可为未来天基太阳能电站的技术发展提供参考。     

SSPS-OMEGA超大型球形聚光器结构拓扑构型与设计

为同时兼顾千米量级尺度空间太阳能电站聚光系统的在轨发射安装难度、光学收集效率、稳定性及结构工艺等多方面的因素，提出采用基于球面正多面体的经纬线划分法模块化构建球形聚光器。该方法不仅可实现基础划分单元分布均匀、规格种类少，降低在轨构建与运载发射难度。而且只要合理控制弧高等分数和基础划分单元的口径就可以同时保证聚光系统的光学收集效率。理论与仿真结果显示，当弧高等分数为24时，该划分法共有25种基础单元件，整个球面被分成5762块。并且此时模块化构建的实际球形聚光器的光学收集效率与理想球面相比基本保持不变，解决了太阳能电站聚光系统设计中存在的关键问题。     

空间太阳电池阵的发展现状及趋势

从四方面分析了空间太阳电池阵的发展现状,包括体装式、带桨展开式、单板展开式、多板展开式、柔性多模块多维展开式等总体构型的发展历程,常用太阳电池片如硅电池片、砷化镓电池片、柔性薄膜电池片的材料与性能的发展现状,刚性基板结构、半刚性基板结构、柔性基板结构的发展与应用及五种展开机构的特点与空间应用分析,论述了空间太阳电池阵发展的制约因素,指出了聚光型柔性太阳电池阵是未来空间太阳电池阵发展的趋势,旨在促进空间太阳电池阵向着大尺寸、大功率、模块化、低成本和轻质量的方向发展,以适应大功率航天器的发展需求。     

Superlight rotating reflectors in space

There is a general possibility of creation in space of large controlled mirror reflectors for solar and electromagnetic radiation with specific mass order of 1 g m^?2 or less. Such reflectors may be used in space energetics for concentration of solar energy for its further conversion into microwave beam and transmission to the Earth. They can also be used to illuminate the Earth surface in a dark period with reflected sunlight, to control the weather, for research work and some other purposes. Such reflector is a good solar sail. The control of its orientation and position in space is performed using solar energy and light pressure without spending fuel delivered from the Earth. Its form is maintained by centrifugal forces and light pressure. The film strength permits concentrators with radii of several kilometres and nearly flat reflectors for lighting applications with radii of hundreds of metres. Large series of identical reflectors can be built in space using superthin film tape at assembly station. For a year more than a hundred reflectors with a diameter of 600 m can be assembled at such a station. The assembly station can be placed at the height of 1000 km. The reflectors transfer to synchronous or other orbit is performed using their sail-likeness. For realization of such reflectors one should solve a very difficult problem of superthin film mass production as well as assembly technology problems. Careful study and experimental checks of their lifetime should be also made.     

Space solar arrays and concentrators

This paper presents some research activities conducted at the Centre Spatial de Liege (CSL) in the field of space solar arrays and concentration.With the new generation of high efficiency solar cells, solar concentration brings new insights for future high power spacecrafts. A trade-off study is presented in this paper. Two different trough concentrators, and a linear Fresnel lens concentrator are compared to rigid arrays. Thermal and optical behaviors are included in the analysis.Several technical aspects are discussed:

• Off-pointing with concentrators induces collection loss and illumination non uniformity, reducing the PV efficiency.

• Concentrator deployment increases the mission risk.

• Reflective trough concentrators are attractive and already proven. Coating is made of VDA (Aluminum). A comprehensive analysis of PV conversion increase with protected silver is presented.

• Solar concentration increases the heat load on solar cells, while the conversion efficiency is significantly decreasing at warm temperatures.

To conclude, this paper will point out the new trends and the key factors to be addressed for the next generation of solar generators.     

一种冷热交变环境下太阳帆应力保持方法

针对冷热交变环境导致太阳帆内部应力剧烈变化的问题,基于形状记忆合金(SMA)弹簧提出了太阳帆的张拉方案和薄膜应力保持恒定的方法,该方法利用形状记忆合金在高低温下的刚度非线性特性,有效补偿薄膜和支撑杆之间的间隙变化,以使薄膜内部应力基本保持恒定。针对六边形构型太阳帆开展了数值仿真,首先建立了太阳帆的热分析模型和力学分析模型,获取了高低温工况下的温度场。然后通过热致变形分析得到薄膜与支撑杆在高低温工况下的间隙变化,据此确定形状记忆合金弹簧的参数。最后对太阳帆在高低温工况下的薄膜内部应力进行了验证。     

On the stress-strain state of film structures in space at electrodynamic deployment

We discuss a possibility of using the Ampere force for deployment and stabilization of film structures in space. It is supposed that a conductor connected with a power supply is deposited on the surface of a thin film, or solar batteries are used as conductors with current. The stress and strain of the thin film, caused by the electric current flow over a circular conductor confining this film, are found. The method of calculating the radial component of the stress tensor in a film, connected with concentric circular conductors with current, is obtained. The distribution of stresses for a film with three conductors is calculated. A possibility of minimizing the magnetic moment of a system of currents is discussed.     

薄膜二次表面镜热控涂层的辐射物性分析

认识热控涂层的热辐射物性对航天器热控制设计具有重要指导作用。文章根据薄膜二次表面镜涂层的吸收与反射过程分析,建立模型方程,结合已有的太阳吸收比、红外发射率等表观数据,采用非线性参数最小二乘法获得了薄膜材料的吸收系数和反射率等辐射物性,并分析了厚度对热控涂层太阳吸收比和红外发射率的影响。研究结果表明,聚酰亚胺薄膜对太阳光的表面反射率为0.571,吸收系数为19.343 mm-1,对红外辐射的表面反射率为0.227,吸收系数为39.615mm-1;F46薄膜对太阳光的表面反射率为0.744,吸收系数为0.757mm-1,对红外辐射的表面反射率为0.111,吸收系数为9.240mm-1。     

Sandwich module prototype progress for space solar power

Space solar power (SSP) has been broadly defined as the collection of solar energy in space and its wireless transmission for use on earth. This approach potentially gives the benefit of provision of baseload power while avoiding the losses due to the day/night cycle and tropospheric effects that are associated with terrestrial solar power. Proponents have contended that the implementation of such systems could offer energy security, environmental, and technological advantages to those who would undertake their development. Among recent implementations commonly proposed for SSP, the modular symmetrical concentrator (MSC) and other modular concepts have received considerable attention. Each employs an array of modules for performing conversion of concentrated sunlight into microwaves or laser beams for transmission to earth. While prototypes of such modules have been designed and developed previously by several groups, none have been subjected to the challenging conditions inherent to the space environment and the possible solar concentration levels in which an array of modules might be required to operate. The research described herein details our team's efforts in the development of photovoltaic arrays, power electronics, microwave conversion electronics, and antennas for microwave-based “sandwich” module prototypes. The implementation status and testing results of the prototypes are reviewed.     

太阳能热推进的研究与发展

概述了太阳能热推进(STP)的系统组成和工作原理,重点介绍了STP的研究进展、关键技术及其在潜在应用领域中的性能优势,关键技术有高性能太阳能主聚光器的研制和吸收器／推力室高温热结构的设计,并根据国外研究现状,提出了国内开展太阳能热推进研究的若干建议。