大功率激光能量传输多光束协同捕获瞄准与跟踪技术研究

以用于空间太阳能电站的远距离、大功率激光无线能量传输为研究背景,以提高系统能量传输效率为宗旨,针对多光束传输的激光无线能量传输系统协同捕获、瞄准与跟踪(APT)方法进行研究。首先通过对大功率激光无线能量传输系统的分析,获知了单光束激光无线能量传输系统的局限性,然后针对大功率、多光束激光无线能量传输系统的协同APT系统组成,分析了单终端多光束系统和多终端多光束系统的实现方法及构成,最后针对单光束、7光束和9光束发射系统的目标重构光斑进行仿真,仿真结果表明,通过精确的多光束协同APT系统可以实现光束重构,重构后的能量光斑能量密度和分布都能得到改善。文章的研究成果将为建造用于空间太阳能电站的大功率、远距离激光能量传输系统提供技术储备和理论依据。     

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。     

空间网络无线能量传输技术研究进展

基于分布式可重构系统对能量传输的灵活性需求，开展空间网络无线能量传输技术研究。介绍了无线能量传输技术分类及特点，分析了微波无线能量传输技术和激光无线能量传输技术两种不同的传输方式及其应用条件，对比了目前国内外所完成的微波无线能量传输系统的性能指标，讨论了影响无线能量传输效率的主要因素，探讨了空间网络无线能量传输系统组成及其关键技术，为后续深入开展空间网络无线能量传输系统研究提供理论支持。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于无衍射光束的高效远距离无线能量传输技术

针对传统高斯光束具有随着传输距离增大，光斑直径不断变宽，到靶功率密度不断减少的缺点，而无法用于远距离无线能量传输的难题。对具有中心光斑直径小且传播距离远的无衍射光束进行了研究，通过相位调控技术产生近无衍射光的方法，设计了一种基于无衍射光束的激光传能光学系统，得到了在传输相同距离的情况下，无衍射光束相比高斯光束能够保持长距离不发散的结果。研究结果表明，该无衍射光学系统能够有效提高传输距离减少能量损失，提高到靶功率密度，进而降低接收端光电池的接收面积及系统的体积重量。     

激光无线能量传输接收装置研究

通过对激光无线能量传输过程中影响接收装置效率的因素进行分析,结合光电池最优布局和最大功率跟踪技术,提出一种高转换效率的激光无线能量传输接收装置,实现接收装置转换效率不受负载阻抗的影响,研制出转换效率高达29.6%的激光无线能量接收装置。     

Early commercial demonstration of space solar power using ultra-lightweight arrays

Space solar power shows great promise for future energy sources worldwide. Most central power stations operate with power capacity of 1000 MW or greater. Due to launch size limitations and specific power of current, rigid solar arrays, the largest solar arrays that have flown in space are around 50 kW. Thin-film arrays offer the promise of much higher specific power and deployment of array sizes up to several MW with current launch vehicles. An approach to early commercial applications for space solar power to distribute power to charge hand-held, mobile battery systems by wireless power transmission (WPT) from thin-film solar arrays in quasi-stationary orbits will be presented. Four key elements to this prototype will be discussed: (1) Space and near-space testing of prototype wireless power transmission by laser and microwave components including WPT space to space and WPT space to near-space HAA transmission demonstrations; (2) distributed power source for recharging hand-held batteries by wireless power transmission from MW space solar power systems; (3) use of quasi-geostationary satellites to generate electricity and distribute it to targeted areas; and (4) architecture and technology for ultra-lightweight thin-film solar arrays with specific energy exceeding 1 kW/kg. This approach would yield flight demonstration of space solar power and wireless power transmission of 1.2 MW. This prototype system will be described, and a roadmap will be presented that will lead to still higher power levels.     

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。     

Space solar power vs space communications

To meet the future needs of energy on Earth, the transmission of solar power from space is being extensively studied. Since the power station will occupy a position in the geostationary orbit and will use radio frequency spectrum for transmission of energy to Earth, the relative benefits of space solar power and space communications should be considered. The resource allocation of orbit-spectrum to a power station requires a sacrifice from space communications as they both utilize similar limited resources. The power station is to energy what communication is to information. While the cost of energy is going up, the cost of information processing, storage, sharing and transmission is decreasing. Also, increased means of communication are used as a measure of energy conservation. With the advent of computer communication and the Large Scale Integrated (LSI) microprocessors, the technique of multiple access, message switching and satellite switching can be cost-effectively combined. The computer-satellite communication will allow information resource sharing among large numbers of users besides the conventional application of space communications. Since space communication means work effectively in many other areas where ultimate energy use and conservation is possible, the space solar power will not be able to compete or substitute on the basis of equality and social benefits. But, as the transmission technology is similar for both areas, the R & D effort for solar power will certainly increase efficiency and reduce cost for space communications.     

一种面向运载火箭自动对接的三维测量场构建方法

旋转激光自动经纬仪系统(R-LATs)是一种基于前方角度交汇的分布式大尺寸测量系统。各激光扫描基站的布局位置直接影响着测量区域内的测量精度和应用性能。从测量区域的测量不确定度量化着手,利用蒙特卡罗法获取各点的测量不确定度,以测量区域的最大不确定度作为主要优化目标,利用差分进化算法自动寻优,更简单有效地实现了面向运载火箭自动对接的R-LATs系统布站优化。最后进行了运载火箭对接测量场的实际应用验证。应用结果表明:该方法能有效优化激光扫描基站布局,提高系统测量精度,满足实际应用需求。     

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。     

视觉测振技术在柔性太阳翼模态试验中的应用

针对8 m×5 m的柔性太阳翼在倒立状态下进行模态试验,设计数字摄像视觉测振系统,基于图像特征跟踪法实现了从相机标定、图像采集、信息提取到三维振动数据获取的过程,通过工况模态辨识方法获取了柔性太阳翼模态频率及振型等动力学参数。并考虑空气和重力影响建立太阳翼有限元模型,通过与基于基恩士激光位移传感器的传统模态试验结果及仿真分析结果进行对比,验证了基于视觉测振工况模态试验方法的准确性,为柔性太阳翼在轨模态辨识奠定基础。     

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.     

模块航天器间激光无线能量传输系统方案设想

模块化航天器是未来航天器发展的重要方向,模块航天器之间的能量传输是实现模块化功能应用的关键技术。文章针对模块化航天器系统能量分配需求,对无线激光能量传输技术进行了研究。阐述了无线激光能量传输系统的功能组成,建立了系统框架模型,分析了系统的关键技术,并对系统各组成模块进行了初步设计。在此基础上对激光传能系统进行了试验验证,获得了理想的光电转换效率。文章的研究成果可为我国模块航天器的发展提供技术支持。     

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。