空间太阳能电站技术发展现状及展望

<正>1.引言能源和环境问题是关系到国家政治、经济和安全的重大战略问题。空间太阳能电站作为一种能够大规模稳定利用太阳能的方式,日益受到世界主要航天大国的高度关注。随着空间技术和相关技术领域的快速进步,空间太阳能电站有可能成为实现可再生能源战略储备的重要手段。本文介绍了空间太阳能电站的最新发展现状,包括主要国家的相关政策、最新的概念方案,也介绍了     

空间太阳能电站及其对微波无线能量传输技术的需求

1968年由Peter Glaser博士提出的空间太阳能电站(SPS)概念作为未来最有前景的能源方式之一,正在获得更多的关注。世界上已经提出许多的发展计划,并且已经研究了几十个典型的空间太阳能电站概念。无线能量传输是空间太阳能电站概念的基础,是决定空间太阳能电站效率、尺寸、重量的重要影响因素之一。同时,空间太阳能电站也是无线能量传输技术的最重要的应用方向。文章在空间太阳能电站的发展背景和典型概念方案介绍的基础上,分析了空间太阳能电站对于微波无线能量传输技术的需求,提出未来的发展建议。     

空间太阳能电站的关键技术及发展建议

1968年美国的P. Glaser博士最早提出空间太阳能电站（SSPS）概念构想。作为一个巨大的空间系统,空间太阳能电站的技术难度非常大,其真正实现预计还需要几十年的时间。文章通过对国外典型空间太阳能电站概念及其关键技术进行比较分析,在此基础上初步提出空间太阳能电站关键技术体系和发展建议。     

未来航天与新能源的战略结合——空间太阳能电站

1968年,美国的彼得·格拉赛博士首次提出空间太阳能电站(SPS)构想,到今年已整整40年.     

空间太阳能电站发展历程回顾与前景展望

为了准确把握空间太阳能电站领域的未来走向和发展要点，回顾了国际和国内空间太阳能电站的发展历程，介绍了当前最具代表性的几个系统方案。围绕空间太阳能电站的核心 微波能量传输技术，阐述了系统设计、空间巨型天线阵列、高效微波功率源、高效微波整流表面等关键技术的发展现状。空间太阳能电站将成为世界航天的新里程碑，而国际合作将成为空间太阳能电站发展的途径，三明治结构将在空间太阳能电站发展中发挥重要作用。     

国际空间太阳能电站的技术进展

综述了当前国际空间太阳能电站技术的研究进展与发展趋势。重点介绍了空间太阳能电站系统方案新构思“太阳塔”和“太阳盘”的特点；介绍了空间太阳能电站的主要相关技术———无线电能传输技术、太阳能转换技术和空间运输技术等的发展趋势；最后简要介绍了月球电站的进展情况。     

空间太阳能电站的激光无线能量传输技术研究

以空间太阳能电站为研究背景,通过对大功率激光发射、高效激光能量接收、高功率激光光束控制等关键技术的研究,提出了一种可用于空间太阳能电站的激光无线能量传输系统,可为未来空间太阳能电站的建设和应用提供技术支撑和方法储备,同时也可为我国空间科学研究及新能源应用提出了一种安全、高效、先进的技术手段。     

空间太阳能电站反向波束控制仿真分析

分析几项重要的空间太阳能电站反向波束控制技术研究工作,提出空间太阳能电站微波无线能量传输(MPT)分系统的初步方案和主要参数,在此基础上建立空间太阳能电站微波波束发射和反向波束控制仿真模型,重点分析发射天线子阵列的微波馈电相位误差、频率误差和姿态误差等因素对于系统传输效率的影响,相关结论将为微波无线能量系统的设计和微波无线能量传输技术的研究提供参考。     

空间太阳能电站高低压混合供电系统设计

在调研美国NASA空间太阳能电站(SPS)供配电相关方案的基础上,针对空间太阳能电站平台设备和有效载荷设备两种不同的供电特性要求,提出将高低压混合供电技术应用于空间太阳能电站的供电系统设计。该设计在满足高效对地供电传输要求的同时,能够确保航天器平台自身的稳定、可靠运行。文章介绍了高低压混合供电技术的原理和系统构成;针对系统高于目前在轨卫星6个数量级的超高压需求,分析了高压电缆和高压继电器研制的可行性,得出高压电缆的重点研究方向,即通过材料及结构优化来减小质量、增加散热、减小弯曲半径等,高压继电器的研究方向为研制高压混合继电器(EMPC)中适用于航天任务的高压固态功率管;调研分析了目前常用的空间等离子体被动防护技术和主动防护技术,通过比较,说明主动防护技术更适用于空间太阳能电站的超高压系统,可为我国建设超大功率空间太阳能电站提供技术参考。     

空间太阳能电站能量转换与传输电气设备监测

空间太阳能电站处在特殊的等离子体环境中，其能量转换与传输系统的绝缘有其特殊性，如何模拟太空环境中电气设备外绝缘局部放电及其有效监测方法，是空间太阳能电站可靠运行的关键技术之一。对空间太阳能电站能量转换系统的绝缘特性进行了研究，对比分析了地面与太空不同环境中绝缘性能的监测方法，在探讨太空环境电气设备局部放电产生的脉冲电流以及高频电磁信号特性基础上，采用罗氏线圈监测系统电流的变化，采用UHF特高频传感器进行局部放电检测，并提出了空间太阳能电站能量转换与传输系统电流变化与局部放电的具体监测方案。     

廿一世纪的空间能源

本文介绍了地球能源的使用状况,提出了解决能源危机的办法,文章认为向空间要能源,即建造太阳能卫星、在月球上建造太阳能采集站和开采月球上的氦-3用于地球聚变反应堆是解决地球能源危机的大有希望的办法。航天技术的进步,使人类从空间获取洁净的能源成为可能。     

多旋转关节空间太阳能电站概念方案设计

对于国际上典型的空间太阳能电站概念方案进行了分析,在此基础上提出了一种新的概念方案--多旋转关节空间太阳能电站,并给出总体构型和主要分系统初步方案设计结果。该方案采用多个相互独立的太阳电池子阵代替了传统的整体式太阳电池阵,以多个中等功率的导电旋转关节替代传统的极高功率的旋转关节,不仅解决了传统空间太阳能电站方案中的极大功率导电旋转关节技术难题,还可以避免导电关节的单点失效问题,模块化的设计也使得系统的组装和构建更加可行。     

SSPS太阳能收集系统研究现状及发展趋势

为研究太阳能收集系统在未来空间太阳能电站(SSPS)中的发展和应用,对比和分析国内外典型系统设计方案的结构特点、光收集特性及优、缺点,展望空间太阳能电站太阳能收集系统的发展趋势,并提出对新材料、新结构、新技术、新理论和新方法的发展和应用需求。     

大功率微波波束在电离层传播的非线性过程

空间太阳能电站的大功率微波波束穿过电离层时可能发生一系列线性和非线性过程。非线性过程往往更为复杂和难以预测,文章主要介绍比较重要的受激Brillouin散射,受激Raman散射和热自聚焦不稳定性等3种非线性作用。结合空间太阳能电站系统参数给出一些计算结果,可以为系统设计提供初步依据。     

模块化多旋转关节空间太阳能电站方案设计

文章基于多旋转关节空间太阳能电站（MR-SPS）方案,以降低远距离高压电力传输技术难度为核心,提出一种更新的模块化多旋转关节空间太阳能电站概念。该方案在分布式太阳电池分阵和多导电旋转关节基础上,对于微波发射天线阵也进行了模块化设计和分布式布局,实现了太阳电池分阵和微波发射天线分阵的一一对应,形成多个独立的太阳能发电与能量传输模块,通过模块的扩展实现整个空间太阳能电站。该方案大幅简化了空间电力传输与管理的复杂性和在轨组装的难度。同时各个模块完全独立,组装后即可单独工作,也提高了系统的可靠性。     

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。     

用于空间太阳能电站的大功率正交场微波源分析

针对空间太阳能电站应用微波源，介绍了两种大功率真空电子器件磁控管和正交场放大管的基本工作原理，当前国内外两种器件所达到的效率和功率容量特性。从太阳能电站应用角度出发，对两种电真空器件潜在的效率、寿命及可靠性进行了对比和研究，根据两种器件的自身特性，面向高功率合成提出了技术方案和建议。研究结果表明，从寿命、效率和功率合成角度来看，采用正交场放大管作为太阳能电站微波源更为适宜，对太阳能电站系统方案选择与设计具有一定参考价值。     

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。     

新型大尺度空间微波功率发射阵列的考虑

以空间太阳能电站为应用代表的微波功率传输系统中,微波功率发射阵列是其中的核心组成部分。为保证特定传输距离限制下的波束收集效率,目前国际上多种空间太阳能电站方案中收发天线口径都达到了km级以上。在空间构建大尺度的微波功率发射有源相控阵,面临的主要问题有：发射阵列电性能的高要求、发射阵列折叠状态的总体积限制、大功率发射阵列的热控问题。针对这些问题,文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列的一些研究及设计考虑,主要包括大尺度阵列同源分发倍频的频率分配方案;高效率高集成功率发射组件技术;大尺度阵列相位同步与误差自校正技术;低剖面天线结构及型面误差补偿技术;大型天线3D打印在轨建造方案设想以及空间微波功率发射阵列热控新思路等。文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列3个方面的6个主要问题,可为空间太阳能电站系统提供可优化、开放性的设计与发展思路。     

微波功率传输的研究

主要介绍了激光功率传输（LPT）与微波功率传输（MPT）两种能量传输系统。同时，论述了两种能量传输系统的系统构成，并以空间太阳能电站为背景重点，阐述了微波式能量传输系统的工作原理与各分系统地效率计算方法。通过以上内容的分析与讨论，为广大读者系统的阐述了空间太阳能电站中微波能量传输系统中的关键技术与基本原理。