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。     

空间太阳能发电站拓扑架构及能量管理控制策略

针对超大功率空间太阳能电站(SSPS),提出了一种分布式+集中式系统拓扑架构,将系统电力传输分为太阳电池阵区、主结构电力传输区及发射天线阵区三大部分。根据系统三大阵区的能量流动关系,本文将SSPS系统的工作模式划分为最大功率点跟踪(MPPT)工作模式、跟踪功率指令工作模式及阴影区工作模式,并提出分层能源管理控制策略。最后,针对兆瓦级太阳电池阵的不同工作模式,利用Matlab/Simulink搭建空间太阳能电站系统仿真模型,进行仿真试验及对比分析,试验结果验证了拓扑架构的合理性及控制策略的有效性,为解决空间太阳能发电技术电力传输与能量管理问题提出了新思路。     

MW级SPS微波能量传输系统微波源相位误差的影响分析

以多旋转关节空间太阳能电站（SPS）为应用系统,介绍了MW级SPS微波能量传输系统顶层设计参数。针对微波功率源相位误差对微波能量传输的影响问题,建立了分析模型,提出分析方法,并从波束收集效率下降容限的角度,用一维模型对百米量级能量发射阵列进行了分析,据此给出了对大规模微波源相位误差的要求,为MW级SPS的微波能量传输系统设计提供指导。     

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。     

面向空间太阳能电站应用的超大规模天线阵列模块尺寸与姿态偏差效应分析

空间太阳能电站微波能量传输需要具备超大规模的相控阵列波束形成和超高精度的波束指向控制能力。采用大尺寸的基本相控电单元能够缩减天线阵列规模和微波发射通道数目,从而显著降低微波能量发射系统的构造和组装成本。然而,相控单元的尺寸越大,对天线模块的结构刚性和姿态控制精度要求越高。基于天线阵列的结构化构型设计,提出超大规模回复反射阵列的结构模块和相控电单元的尺寸分析模型,推导得到结构模块姿态偏差、电单元尺寸要求和能量传输效率的近似关系及其解析表达式,可供作为空间太阳能电站微波传能天线阵列及其波束控制方案设计的参考依据。     

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。     

空间太阳能电站统一调度设计及电能管理分析

针对多旋转关节空间太阳能电站(Space Solar Power Station, SSPS),提出一种环形拓扑的电力系统架构。基于功率分层准则对SSPS电力拓扑架构进行设计,提出U1~U7共7个层级、母线电压5000V、功率等级为MW的太阳能电站电力系统。针对分层架构中多太阳电池阵子阵并联(U6层),提出分层功率平衡统一控制策略,对MPPT控制、MPPT控制+稳定直流母线电压混合控制、MPPT算法+下垂稳定直流母线电压混合控制三种控制方法开展仿真分析。结果表明,提出的基于虚拟阻抗的下垂控制策略可以有效调节、分配功率,解决了空间发电站母线电压无法稳定的问题。     

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。     

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。     

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。     

Study on Multi-Rotary Joints Space Power Satellite Concept

The Space Power Satellite(SPS) would be a huge spacecraft capturing the power of solar radiation in space and to supply electric power to the electric grid on the ground. The SPS concept was proposed by Dr. Peter Glaser in 1968. SPS have been studied now for exactly fifty years by many scientists in various countries. It has been regarded as one of the most promising energy projects of the future and has been attracting more attention in recent years. More and more Chinese scholars and experts are paying attention to the development of SPS. Due to the huge size, immense mass and high power of such a satellite system, there are many technical difficulties which exist to realize SPS. In this paper, recent SPS research and development activities are reviewed first. Various SPS concepts are analyzed and compared. The primary scheme of the Multi-Rotary joint SPS(MR-SPS) is described. The main feature is that the huge solar array comprising many separate small solar sub-arrays and each solar sub-array has two middle power rotary joints. So, the most challenging technology, the high-power rotary joint, is simplified by using many middlepower rotary joints hence the possibility of a single-point failure of a single rotary joint is avoided. This enables easy assembly of the modular solar arrays. Finally some key technologies of MR-SPS are analyzed.     

空间太阳能电站构想及其相关技术的发展

文章介绍了太阳功率卫星（SPS）的发展背景、基本原理和系统构成,分析了实现SPS的主要技术条件。通过分析目前国际上建设SPS所开展的实验及其相关技术的发展,以期对中国未来发展空间太阳能电站技术提供借鉴。     

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。     

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。     

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.     

无线输电技术与卫星太阳能电站的发展前景

文章简要叙述了无线输电和卫星太阳能电站的概念,特别强调了无线输电技术和建造卫星太阳能电站的科学技术意义和深远的战略意义;扼要介绍分析了国外在该领域的研究进展;概括叙述了建造卫星太阳能电站的技术经济性及科技界共同关心的几个问题;充分肯定了它的科学技术研究价值、应用前景和未来所带来的巨大的社会经济效益。