[发明专利]一种模块化多旋转关节空间太阳能电站系统

说明书

一种模块化多旋转关节空间太阳能电站系统，运行于地球静止轨道，包括太阳电池阵、电站主桁架结构、导电旋转关节、微波发射天线、姿态与轨道控制分系统、电力传输与管理分系统、热控分系统以及信息与系统运行管理分系统。该系统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，实现了结构上的一一对应，形成多个独立的太阳能发电和能量传输的模块，通过模块的扩展完成功率等级扩展，便于在轨组装，大大简化了电力传输及姿轨控制难度。

技术领域

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

面对严重的能源和环境问题，空间太阳能电站(SPS-Space Power Satellite或SSPS-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。

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：

(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。

(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。

(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。

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-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。

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。

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。

发明内容