一种模块化多旋转关节空间太阳能电站系统的制作方法

1.本发明属于空间技术领域，具体涉及一种面向空间向地面进行大功率电力传输的模块化多旋转关节空间太阳能电站系统。


背景技术：

2.面对严重的能源和环境问题，空间太阳能电站(sps
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space power satellite或ssps
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space solar power station)，也称为太空发电站，是最有可能提供大规模稳定能源的方式。在空间利用太阳能，不受季节、昼夜变化等的影响，接收的能量密度高，约为每平方米1353瓦左右。同时，也不受大气的影响，非常适合于太阳能的大规模开发利用。特别在地球同步轨道，99％的时间内可以稳定接收太阳辐射，并能够向地面固定接收站进行稳定的能量传输。
3.为了实现对空间太阳能的综合利用和开发，以美国和日本为主的发达国家已经投入大量人员开展广泛的空间太阳能电站技术研究。为保证空间太阳能电站的高效率工作，需要太阳电池阵(或聚光器)对日定向、发射天线对地球接收站定向。在一个轨道周期内，太阳电池阵(或聚光器)与发射天线间的相对位置变化达到360度，必须采用大型旋转机构。由于空间太阳能电站体积、质量巨大，特别是功率巨大，给旋转机构技术带来很大的困难，如何解决已成为世界性的难题。目前美国、日本、欧洲已经提出几十种空间太阳能电站概念，主要分为如下几种情况：
4.(1)非聚光集中式供电空间太阳能电站方案主要的技术特点是整个系统由太阳电池阵和微波发射天线两大部分组成，为了维持太阳电池阵的对日定向和发射天线的对地球定向，必须采用gw级超大功率的导电旋转关节，使得电力传输与管理技术的难度极大。
5.(2)非聚光分布式供电空间太阳能电站将太阳能电池阵、电力传输与管理和微波发射天线部分集成为一体化的三明治结构形式，大幅减小了电力传输与管理系统的复杂程度。但同时由于集成结构使得太阳电池在一个轨道周期内无法实现持续的对日定向，造成整个系统只能实现从零到最大功率的波动发电，无法体现空间太阳能电站连续供电优势。
6.(3)聚光式空间太阳能电站是近年来国际上研究的重点方向之一，主要思路是采用特殊的聚光系统和三明治结构的整体构型，通过合理的聚光光路设计，同时实现聚光系统的对日定向和微波发射天线的对地定向，且无需采用导电旋转关节。同时，利用聚光系统可以提高聚光率，大幅减小太阳电池阵面积。其主要技术难题包括高精度的聚光系统设计、控制以及高聚光比下三明治结构的散热问题。
7.经过对上述方案的对比研究，航天五院以简化非聚光空间太阳能电站超大功率导电旋转关节技术难度为核心目标，提出了一种多旋转关节空间太阳能电站概念方案(multi
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rotary joints sps)。该方案的主要特点是采用多个相互分离的太阳电池分阵代替了传统的整体式太阳电池阵，在不增加系统复杂性的前提下，解决了传统非聚光太阳能电站存在的极大功率导电旋转关节技术难题，还避免了导电关节的单点失效问题，同时整个系统采用模块化的设计，也便于系统的组装和构建。
8.但此多旋转关节电站方案中由于采用了整体式的微波发射天线位于构型中心，整个电力传输系统为从各个电池分阵将gw量级电能传输至中心的微波发射天线需要十万公里级别电缆，占整个系统重量比重过高。为解决远距离传输造成的能量损失，电力系统还需要采用升压后母线传能，到达天线段降压进行供电，这样就需要大量大型电力变换器件，且散热问题也较为严重。
9.故需要对系统构型进行优化设计，尝试降低电力传输与管理复杂性，解决电缆重量过高、电力变化复杂、散热问题严重等问题提出更加合理的解决方案。


技术实现要素：

10.本发明的技术解决问题是：克服多旋转关节空间太阳能电站电力传输与管理的复杂性，提供一种新型的模块化多旋转关节空间太阳能电站系统。
11.本发明的技术方案为：
12.一种模块化多旋转关节空间太阳能电站系统，包括：太阳电池分阵、电站主桁架结构、导电旋转关节和发射天线分阵、传输电缆；
13.太阳电池分阵与对应的发射天线分阵之间通过电站主桁架结构、导电旋转关节连接，太阳电池分阵能够绕导电旋转关节相对电站主桁架结构转动，使太阳电池分阵保持对日定向；
14.发射天线分阵保持对地定向；
15.多个电站主桁架结构依次排列形成阵列构型；
16.电站主桁架结构中铺设有传输电缆，传输电缆用于将电能从太阳电池分阵传输至对应的发射天线分阵并进行微波能量发射。
17.，每个太阳电池分阵包括：太阳电池分阵桁架、多个太阳电池子阵模块；
18.电站主桁架结构包括：电池分阵主桁架结构；
19.太阳电池子阵模块采用空间展开的大型薄膜太阳电池阵，在轨展开后铺设在太阳电池分阵桁架之间；
20.电池分阵主桁架结构固定安装在太阳电池分阵桁架的中间位置，电池分阵主桁架结构的两端分别安装有导电旋转关节。
21.发射天线分阵包括：天线桁架和天线子阵模块；
22.电站主桁架结构还包括：发射天线分阵主桁架结构；
23.天线子阵模块安装在发射天线分阵桁架上，每个天线子阵模块包括多个微波源、波导、控制电路和发射天线；
24.发射天线分阵主桁架结构安装在天线桁架的中心位置。
25.电池阵t型关节、上下向主桁架结构和天线阵t型关节；
26.上下向主桁架结构的一端通过电池阵t型关节与导电旋转关节相连，上下向主桁架结构的另一端通过天线阵t型关节与发射天线分阵主桁架结构相连。
27.发射天线分阵主桁架结构和电池分阵主桁架结构共面。
28.上下向主桁架结构的长度大于太阳电池分阵桁架最大边长的一半。
29.优选的，传输电缆为铜质或铝质导线或超导电缆。
30.本发明与现有技术相比有益效果为：
31.(1)本发明在多旋转关节空间太阳能电站基础上，将位于中心的圆形发射天线阵面转化为长方形发射天线阵面，该阵面由多个矩形发射天线分阵组成，便于实现发射天线阵面的组装。
32.(2)本发明的长方形发射天线阵面布置于位于下方的天线阵主桁架结构上，实现了太阳电池分阵和发射天线分阵的一一对应，太阳电池分阵产生的电力通过对应的导电旋转关节后，无需远距离传输到中央的发射天线阵面，也无需复杂的天线阵面上的电缆分配，传输电缆长度大大降低，可以大幅降低传输电缆的质量。
33.(3)本发明的长方形发射天线阵面安装于位于下方的发射天线主桁架结构上，省去了多旋转关节空间太阳能电站构型中部用于支撑发射天线的桁架结构，也省去了圆形发射天线阵面所需要的主支撑桁架结构，降低了电站结构的复杂性和质量。
34.(4)本发明通过太阳电池分阵和发射天线分阵的一一对应，真正实现了太阳能发电部分和能量传输部分的集成设计，相当于一个完整的发电和能量传输模块，各模块间相互独立，特别适合于实现系统的扩展，无需等待整个系统完全建成，可在系统在轨构建阶段实现实时电力传输。
35.(5)本发明由于高功率电力传输电缆所需的功率和传输距离大大降低，无需进行发电端的二次升压变换，也无需进行发射天线分阵部分的一次降压变化，大幅降低了电力变换的复杂性和相关电力设备的质量。
36.(6)本发明由于实现了太阳电池分阵和发射天线分阵一一对应的电力传输，无需采用集中式的发射天线母线，可以大幅降低传输电缆的质量，同时避免了太阳电池分阵之间以及发射天线分阵之间的相互影响，各模块可独立运行，增加了整个系统工作的可靠性。
37.(7)本发明将太阳能电池阵和发射天线阵布置在两个不同的层次，在长度方向完全对称，可以充分利用重力梯度稳定方式，简化了姿态和轨道控制难度。
附图说明
38.图1为本发明的空间太阳能电站系统整体结构示意图；
39.图2为本发明的电池分阵部分结构示意图；
40.图3为本发明的微波发射天分阵部分结构示意图；
41.图4为本发明模块中主桁架结构部分结构示意图；
42.图5为本发明的模块电力拓扑示意图。
具体实施方式
43.以下结合附图对本发明具体实施方式做进一步详细说明。如图1所示，本发明为一种运行于地球静止轨道的向地面提供稳定大功率电力传输的空间太阳能电站系统，主要包括太阳电池阵、主桁架结构、微波发射天线阵、电力传输分系统和空间太阳能电站其他服务系统。所述的太阳电池阵包括多个独立的太阳电池分阵(由多个太阳电池子阵组成)，每一个太阳电池分阵对应两个独立的导电旋转关节，太阳电池分阵发电通过高压电力变换后，通过各自的两个导电旋转关节传输到安装于上下向主桁架结构的传输电缆。所述的电站主桁架结构包括电池阵主桁架结构、天线阵主桁架结构和上下向主桁架结构，其中电池分阵主桁架结构连接导电旋转关节、并且上下向主桁架结构连接，主桁架结构主要用于传输电
缆的安装、为整个系统提供姿态和轨道控制所需的刚度，以及安装相关的服务系统设备。微波发射天线由天线桁架、微波源、功分网络、波束控制系统、发射天线和服务系统设备等组成，包括多个发射天线分阵。电力传输系统包传输电缆及相关的电力管理设备组成。太阳电池分阵产生的电能经过高压变换后通过导电旋转关节传输到位于上下向主桁架结构上的传输电缆，进而传输到微波发射天线，通过微波发射天线的配电网络，经过相应的电力变换，为发射天线分阵的微波源和相关的设备供电，微波源将电能转化为微波向地面进行定点能量传输，地面接收系统接收微波能量，并将其转化为直流电，通过相应的汇流、变流等输入到电网。微波能量对地面接收站的高精度指向通过接收地面发送的反向波束信号进行相应的波束控制实现。
44.此模块化空间太阳能电站的重要特点是采用由太阳电池分阵、一组主桁架结构、发射天线分阵构成的模块重复构建而成，下面对单组模块进行详细介绍。
45.如图1所示，一种模块化多旋转关节空间太阳能电站系统，包括：太阳电池分阵100、电站主桁架结构、导电旋转关节104和发射天线分阵200、传输电缆402；
46.太阳电池分阵100与对应的发射天线分阵200之间通过电站主桁架结构、导电旋转关节104连接，太阳电池分阵100能够绕导电旋转关节相对电站主桁架结构转动，使太阳电池分阵100保持对日定向；
47.发射天线分阵200保持对地定向；
48.多个电站主桁架结构依次排列形成阵列构型；
49.电站主桁架结构中铺设有传输电缆402，传输电缆402用于将电能从太阳电池分阵100传输至对应的发射天线分阵200并进行微波能量发射。
50.每个太阳电池分阵100包括：太阳电池分阵桁架101、多个太阳电池子阵模块102；
51.电站主桁架结构包括：电池分阵主桁架结构301；
52.太阳电池子阵模块102采用空间展开的大型薄膜太阳电池阵，在轨展开后铺设在太阳电池分阵桁架101之间；
53.电池分阵主桁架结构301固定安装在太阳电池分阵桁架101的中间位置，电池分阵主桁架结构301的两端分别安装有导电旋转关节104。
54.发射天线分阵200包括：天线桁架201和天线子阵模块202；
55.电站主桁架结构还包括：发射天线分阵主桁架结构305；
56.天线子阵模块202安装在发射天线分阵桁架201上，每个天线子阵模块202包括多个微波源、波导、控制电路和发射天线；
57.发射天线分阵主桁架结构305安装在天线桁架201的中心位置。
58.电池阵t型关节302、上下向主桁架结构303和天线阵t型关节304；
59.上下向主桁架结构303的一端通过电池阵t型关节302与导电旋转关节104相连，上下向主桁架结构303的另一端通过天线阵t型关节304与发射天线分阵主桁架结构305相连。
60.发射天线分阵主桁架结构305和电池分阵主桁架结构301共面。
61.上下向主桁架结构303的长度大于太阳电池分阵桁架101最大边长的一半。
62.传输电缆402为铜质或铝质导线或超导电缆。
63.实施例
64.(1)太阳电池阵
65.单组模块中的太阳电池分阵的结构如图2所示，一个太阳电池分阵100包括太阳电池分阵桁架101、多个太阳电池子阵模块102、两个独立导电旋转关节104组成。太阳电池分阵桁架101由空间可展开桁架结构组装而成，作为整个电池分阵的主要支撑框架。太阳电池子阵模块102采用空间展开的大型薄膜太阳电池阵，在轨展开后铺设在太阳电池分阵桁架101内部。主桁架结构301也同样是空间可展开桁架结构，两端分别与一个导电旋转关节104连接，并与太阳电池分阵桁架101连为一体。整个太阳电池分阵100通过电池的串并联和电缆的传输将电能传输到导电旋转关节104。每个电池分阵主桁架结构301固定安装在太阳电池分阵桁架101上，电池分阵主桁架结构301的两端分别安装有导电旋转关节104，保持相对运动，每天旋转360度，以维持太阳电池分阵100的对日定向。
66.(2)微波发射天线
67.微波发射天线由多个发射天线分阵200组成，发射天线分阵200由天线桁架201及天线子阵模块202组成，天线子阵模块202由微波源、波导、发射天线和服务系统设备等组成，均匀分布在整个天线上。如图3所示，发射天线分阵桁架201作为整个天线的支撑结构，在发射天线分阵桁架201上安装天线子阵模块202，每个天线子阵模块包括多个微波源、波导、控制电路和发射天线。服务系统设备安装在发射天线分阵桁架201上。
68.(3)电站主桁架结构
69.空间太阳能电站的主桁架结构由多根空间可展开结构组装而成，作为整个空间太阳能电站的主支撑结构。一组重复模块中的主桁架结构构型如图4所示，其中包括电池分阵主桁架结构301、电池阵t型关节302，上下向主桁架结构303，天线阵t型关节304和发射天线分阵主桁架结构305。
70.电池分阵主桁架结构301与太阳电池分阵100相连，作为一个整体由两侧导电旋转关节104带动，每天旋转一周进行对日定向。上下向主桁架结构303的一端通过电池阵t型关节302与电池分阵主桁架结构301相连，上下向主桁架结构303的另一端通过天线阵t型关节304与发射天线分阵主桁架结构305相连。
71.发射天线分阵主桁架结构305与发射天线分阵200相连，结构固定对地定向。
72.电池分阵主桁架结构301、上下向主桁架结构303、发射天线分阵主桁架结构305均为由单根或多根空间可展开桁架构成的桁架模块，其中铺设有传输电缆，用于将电能从太阳电池分阵100传输至对应的发射天线分阵200并进行分配。电池阵t型关节302、天线阵t型关节304，为直角形或t字型桁架结构关节接头，用于各主桁架结构连接及重复扩展构建。
73.(4)电力传输分系统
74.电力传输分系统主要包括传输电缆和电力变换、电力分配和电力存储设备。作为一组重复扩展的模块，太阳电池分阵100产生的电能由电力传输系统传输至对应发射天线分阵200，形成一一对应的供能线路。其中传输电缆402部分的分布示意见图5，其他相关的设备根据需求分布式安装在主桁架结构和天线桁架上(图中未进行示意)。传输电缆402安装在上下向主桁架结构303中，太阳电池分阵100光电转换得到的电能通过两个导电旋转关节104分别接入传输电缆402，最后将电力传输并接入到对应的发射天线分阵200供电进行微波能量发射。传输电缆402可选择传统的铜质或铝质导线，也可以选用超导电缆(需要低温制冷)或其他新型导线材料，同时每个模块作为一个电力传输网络均配备分布式的电力变换装置。
75.(5)空间太阳能电站服务系统
76.空间太阳能电站服务系统包括：姿态与轨道控制分系统、热控分系统以及信息与系统运行管理分系统等。姿态与轨道控制分系统主要包括电推进器、控制计算机、陀螺、太阳敏感器、星敏感器及相关的控制电路等。热控分系统主要包括加热器、制冷器、辐射器等。信息与系统运行管理分系统主要包括主管理计算机、节点管理计算机、无线控制单元、遥测遥控单元。相关设备之间传感信息和控制指令的传递在局部区域采用有线通信的方式，总体上采用无线通信的方式进行。
77.本发明在对太阳电池阵进行模块化、从而在采用分布式导电旋转关节的基础上，对发射天线阵也进行了模块化和分布式设计，从而实现了太阳电池分阵100和发射天线分阵200在结构上的一一对应，形成多个独立的太阳能发电和能量传输的模块。整个空间太阳能电站功率等级的扩展实际上相当于太阳能发电和能量传输模块的扩展，便于进行在轨组装，同时也简化了电力传输和在轨姿态和轨道控制的难度。作为一组重复扩展的模块，电池分阵产生的电能由电力传输系统传输至对应天线分阵，形成一一对应的供能线路。本发明由太阳电池分阵、电站主桁架结构、导电旋转关节、微波发射天线分阵构成模块，整个空间太阳能电站功率等级的扩展由模块的扩展完成。
78.本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。