RU2492124C1 - Space solar electric station and independent photo emitting panel - Google Patents
Space solar electric station and independent photo emitting panel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2492124C1 RU2492124C1 RU2012114958/11A RU2012114958A RU2492124C1 RU 2492124 C1 RU2492124 C1 RU 2492124C1 RU 2012114958/11 A RU2012114958/11 A RU 2012114958/11A RU 2012114958 A RU2012114958 A RU 2012114958A RU 2492124 C1 RU2492124 C1 RU 2492124C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frame
- photo
- energy
- panels
- base
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретения относятся к космической технике и, в частности, к энергетике и может быть использовано в космической технике для преобразования солнечной энергии в электрическую и передачи ее на поверхность Земли, Луны или другим объектам лазерным излучением. При этом второе изобретение, используемое в первом, может иметь более широкое применение, а именно на объектах космической техники для проведения с его помощью высокоточных угломерных и геометрических и дистанционных измерений, для передачи информации, а также в качестве сигнального устройства для обнаружения или слежения за космическими или спускаемыми аппаратами, и на Земле в геодезии и картографии в качестве марки.The invention relates to space technology and, in particular, to energy and can be used in space technology to convert solar energy into electrical energy and transmit it to the surface of the Earth, the Moon or other objects by laser radiation. At the same time, the second invention used in the first can have wider application, namely, in space technology objects for conducting high-precision angular and geometric and remote measurements with its help, for transmitting information, and also as a signal device for detecting or tracking space or descent vehicles, and on Earth in geodesy and cartography as a mark.
Известен космический аппарат для дистанционной передачи энергии, который включает в себя солнечную энергетическую установку, приборно-агрегатный отсек с системами управления, систему охлаждения и систему дистанционной передачи энергии в виде лазерного излучения (заявка на изобретение RU №94032672/11 от 08.09.1994, B64G 9/00, дата публикации: 10.07.1996 г.). Недостатками данной конструкции являются: выполнение устройства для дистанционной передачи энергии в виде одного мощного лазера, что приводит к недостаточной надежности и долговечности станции, так как выход из строя или сбой в работе лазера и устройств, обеспечивающих его работу, приводит к выходу из строя всей космической электростанцииA known spacecraft for remote transmission of energy, which includes a solar power installation, an instrumentation compartment with control systems, a cooling system and a system for remote transmission of energy in the form of laser radiation (patent application RU No. 94032672/11 of 09.09.1994, B64G 9/00, publication date: 07/10/1996). The disadvantages of this design are: the implementation of the device for remote transmission of energy in the form of a single powerful laser, which leads to insufficient reliability and durability of the station, since a failure or malfunction of the laser and devices that ensure its operation leads to failure of the entire space power plants
Известна также солнечная космическая электростанция (СКЭС), включающая в себя базовый модуль, содержащий систему управления с управляющим компьютером, систему охлаждения и систему питания, соединенные с ним фотопреобразующие панели, и устройство дистанционной передачи энергии, включающее зеркальную систему (презентационные материалы фирмы «ASTRIUM», Прага, 01.10.2010 г.и сайт указанной компании - www. astrium.eads.net). Недостатками данной конструкции являются: выполнение устройства для дистанционной передачи энергии в виде одного мощного лазера, что приводит к недостаточной надежности и долговечности станции, так как выход из строя или сбой в работе лазера и устройств, обеспечивающих его работу (многоконтурная система охлаждения), приводит к выходу из строя всей космической электростанции, кроме того, выполнение фотопреобразующей панели в виде тонкопленочных солнечных батарей также, имеет ряд недостатков, таких как низкий КПД, большие энергетические потери в кабельной сети, ее большие размеры и вес, что также приводит к снижению эффективности, надежности и долговечности станции. Выполнение многоконтурной системы охлаждения, необходимой для обеспечения работы мощного лазера также снижает надежность работы СКЭС за счет сложности и веса конструкции. Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемой космической солнечной электростанции и выбрано в качестве прототипа.A solar space power station (SKES) is also known, which includes a base module containing a control system with a control computer, a cooling system and a power system, photoconverting panels connected to it, and a remote energy transmission device including a mirror system (presentation materials from ASTRIUM , Prague, 10/01/2010 and the website of the specified company - www. Astrium.eads.net). The disadvantages of this design are: the implementation of the device for remote transmission of energy in the form of one powerful laser, which leads to insufficient reliability and durability of the station, since failure or malfunction of the laser and devices that ensure its operation (multi-circuit cooling system), leads to failure of the entire space power plant, in addition, the implementation of the photoconversion panel in the form of thin-film solar panels also has several disadvantages, such as low efficiency, large energy losses in the cable network, its large size and weight, which also leads to a decrease in the efficiency, reliability and durability of the station. The implementation of a multi-circuit cooling system necessary to ensure the operation of a powerful laser also reduces the reliability of the SCES due to the complexity and weight of the structure. This technical solution is the closest to the proposed space solar power station and is selected as a prototype.
Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности, надежности и долговечности работы СКЭС.The technical solution according to the invention is aimed at achieving a technical result, which consists in increasing the efficiency, reliability and durability of the SCES.
Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известной, взятой за прототип, солнечной космической электростанции, включающей в себя базовый модуль, содержащий систему управления с управляющим компьютером, систему охлаждения и систему питания, фотопреобразующие панели, соединенные с базовым модулем, и устройство дистанционной передачи энергии, включающее зеркальную систему, в предлагаемой солнечной космической электростанции каждая фотопреобразующая панель выполнена в виде системы из панелей двух видов - фотоэлектрических панелей и автономных фотоизлучающих панелей (АФИП) соединенных между собой с возможностью самораскрытия, например, в виде приводов из металла с памятью, и выстраивания в замкнутую плоскую зигзагообразную фигуру. Фотоэлектрические панели смонтированы вначале цепочки панелей и первая из них соединена с базовым модулем. Каждая фотоэлектрическая панель представляет собой фотоэлектрическую батарею, смонтированную в каркасе в виде шестиугольной призмы из углепластика. Верхний торец каркаса представляет собой сетчато-стержневую конструкцию, в ячейках сетки которой смонтированы линзы Френеля, с расположенными в их фокусах и электрически соединенными с системой питания базового модуля фотопреобразователями, закрепленными на теплоотводящем основании каркаса, с которым соединены стержни верхнего торца каркаса. Каждая автономная фотоизлучающая панель состоит из каркаса в виде шестиугольной призмы из углепластика с теплоотводящим основанием и верхним торцем, выполненным в виде сетчато-стержневой конструкции, в ячейках которой смонтированы линзы Френеля. Стержни каркаса соединены с системой теплоотвода фотопреобразователей, соосных линзам Френеля. При этом указанная система теплоотвода представляет собой сетчато-стержневую конструкцию из углепластика с примесью карбида кремния в количестве 20%-25%, на узлах которой расположены фотопреобразователи, между которыми проложен слой теплоизоляционного материала, а ее стержни, закрепленные на узлах с противоположной стороны сетки, соединены с теплоотводящим основанием каркаса. Кроме того, внутри каркаса, на его основании, смонтированы блок управления фотоизлучающей панелью с приемно-передающей антенной, устройство преобразования электрической энергии в световую, в виде волоконных лазеров с блоками накачки, сумматор и накопители энергии. При этом фотопреобразователи электрически соединены с блоками накачки и блоком управления через накопители энергии. Устройство дистанционной передачи энергии также снабжено сумматором лазерного излучения, а сумматоры каждой фотоизлучающей панели соединены с сумматором системы дистанционной передачи энергии посредством оптоволоконного кабеля. Указанный сумматор направлен на зеркальную систему. Система управления базового модуля включает в себя радиопередатчик управления работой автономных фотоизлучающих панелей и приемно-передающую антенну связи с наземным сегментом.The specified technical result is achieved by the fact that, as in the well-known, taken as a prototype, solar space power plant, which includes a base module containing a control system with a control computer, a cooling system and a power system, photoconversion panels connected to the base module, and the device remote transmission of energy, including a mirror system, in the proposed solar space power plant, each photoconversion panel is made in the form of a system of two types of panels - photoelectric panels and autonomous photo-emitting panels (AFIP) interconnected with the possibility of self-disclosure, for example, in the form of metal drives with memory, and lining up in a closed flat zigzag shape. Photovoltaic panels are mounted first in a chain of panels and the first one is connected to the base module. Each photovoltaic panel is a photovoltaic battery mounted in a frame in the form of a hexagonal carbon fiber prism. The upper end of the frame is a mesh-rod structure, in the grid cells of which Fresnel lenses are mounted, with photoconverters located in their foci and electrically connected to the power supply system of the base module, mounted on the heat sink base of the frame, to which the rods of the upper end of the frame are connected. Each autonomous photo-emitting panel consists of a frame in the form of a hexagonal prism made of carbon fiber with a heat-removing base and an upper end made in the form of a mesh-rod structure, in the cells of which Fresnel lenses are mounted. The rods of the frame are connected to the heat sink system of the photoconverters coaxial to the Fresnel lenses. Moreover, this heat sink system is a mesh-rod construction made of carbon fiber with an admixture of silicon carbide in the amount of 20% -25%, on the nodes of which there are photoconverters, between which a layer of heat-insulating material is laid, and its rods mounted on nodes on the opposite side of the grid, connected to the heat sink base of the frame. In addition, inside the frame, on its base, a control unit for a photo-emitting panel with a transmitting and receiving antenna is mounted, a device for converting electric energy into light energy, in the form of fiber lasers with pumping units, an adder and energy storage devices. In this case, the photoconverters are electrically connected to the pumping units and the control unit through energy stores. The remote energy transfer device is also provided with a laser radiation adder, and the adders of each photo-emitting panel are connected to the adder of the remote energy transmission system via a fiber optic cable. The specified adder is directed to the mirror system. The control system of the base module includes a radio transmitter for controlling the operation of autonomous photo-emitting panels and a transmit-receive antenna for communication with the ground segment.
Отказ от одного мощного лазера за счет выполнения фотопреобразующих панелей в виде цепочки из фотоэлектрических панелей, вырабатывающих энергию для питания базового модуля, и автономных фотоизлучающих панелей, каждая из которых включает в себя несколько маломощных волоконных лазеров с блоками накачки и, питающими их фотоэлектрическими батареями, позволило повысить эффективность, надежность и долговечность работы КСЭС, так как фотоизлучающие панели выполнены автономными, то выход из строя лазеров одной АФИП не влияет на работу остальных АФИП и космической электростанции в целом, происходит только потеря некоторой части мощности. Выполнение фотопреобразующих панелей в виде цепочки из фотоэлектрических и автономных фотоизлучающих панелей, соединенных между собой приводами из металла с памятью и с возможностью образовывать при раскрытии плоскую замкнутую зигзагообразную фигуру, позволяет получить достаточно компактную конструкцию, в отличие от взятой за прототип СКЭС, где фотопреобразующие панели выполнены по тонкопленочной технологии и раскрыты при помощи длинной астромачты, что также влияет на эффективность, надежность и долговечность СКЭС, так как тонкопленочная технология дает низкий КПД, большие энергетические потери в кабельной сети, а также большие размеры и вес в обеспечение жесткости конструкции. Размещение нескольких маломощных лазеров в каждой АФИП позволило использовать для них вместо сложной многоконтурной системы охлаждения более простую, например выполнение основания каркаса АФИП в виде металлической теплоотводящей пластины, что также влияет на надежность и вес конструкции. Кроме того, выполнение фотоизлучающих панелей автономными позволяет наращивать их количество как после сборки СКЭС, так и в процессе ее эксплуатации, что также сказывается на ее эффективности.The refusal of one powerful laser due to the implementation of photoconverting panels in the form of a chain of photovoltaic panels that generate energy to power the base module, and autonomous photo-emitting panels, each of which includes several low-power fiber lasers with pumping units and photovoltaic batteries supplying them, allowed to increase the efficiency, reliability and durability of the XPS, since the photo-emitting panels are autonomous, the failure of lasers of one AFIP does not affect the work of the rest AFIP's and space power as a whole, there is only the loss of some of the power. The implementation of photoconversion panels in the form of a chain of photovoltaic and stand-alone photo-emitting panels interconnected by metal drives with memory and with the ability to form a flat closed zigzag shape upon opening allows a fairly compact design, unlike the prototype SCES, where the photoconversion panels are made according to thin-film technology and disclosed with the help of a long astromast, which also affects the efficiency, reliability and durability of SCES, since thin-film night technology provides low efficiency, large energy losses in the cable network, as well as the large size and weight to ensure rigidity. The placement of several low-power lasers in each AFIP made it possible to use a simpler instead of a complex multi-circuit cooling system for them, for example, the base of the AFIP frame in the form of a metal heat sink plate, which also affects the reliability and weight of the structure. In addition, the implementation of self-contained photo-emitting panels allows you to increase their number both after the assembly of the SCES and during its operation, which also affects its effectiveness.
Известно автономное устройство, преобразующее солнечную энергию в световую, состоящее из каркаса, устройства преобразования солнечной энергии в электрическую и, смонтированных внутри каркаса, на его основании, блока управления, устройства преобразования электрической энергии в световую и, соединенных с указанными устройствами, накопителей энергии (патент на полезную модель RU №110857 от 16.06.2011, B64G 3/00, H01L 33/00, G08G 1/09). В данном устройстве преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется посредством солнечных батарей, смонтированных на внешней поверхности каркаса, а устройство преобразования электрической энергии в световую выполнено в виде сборки лазерных диодов и системы линз, устройство используется в качестве сигнального устройства для обнаружения или слежения за космическими или спускаемыми аппаратами, а также в космической геодезии для высокоточных угломерных измерений. Недостатками данного устройства являются невозможность его использования в космической энергетике в качестве фотопреобразующих элементов в СКЭС, так как преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется посредством солнечных батарей, расположенных на внешней боковой поверхности каркаса и невозможность собрать их в большую фотопреобразующую панель, например, для использования в солнечных космических электростанциях, предложенной конструкции, кроме того, данное устройство образует луч с большим углом расходимости света и не может использоваться для передачи выработанной энергии из космоса потребителю.A self-contained device is known that converts solar energy into light energy, consisting of a frame, a device for converting solar energy into electrical energy and mounted inside the frame on its base, a control unit, a device for converting electric energy into light energy and energy storage devices connected to these devices (patent for utility model RU No. 110857 dated 06/16/2011, B64G 3/00,
Решение, известное из патента RU №110857, принято в качестве прототипа для предлагаемого изобретения, относящегося к автономной фотоизлучающей панели.The solution known from patent RU No. 110857, made as a prototype for the present invention relating to a standalone photo-emitting panel.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей устройства и, соответственно, области его применения, в частности в космических солнечных электростанциях, в фотопреобразующих панелях.The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in expanding the functionality of the device and, accordingly, the field of its application, in particular in space solar power plants, in photoconversion panels.
Предлагаемая автономная фотоизлучающая панель, как и наиболее близкое к нему устройство, содержит каркас с основанием, устройство преобразования солнечной энергии в электрическую и, смонтированные внутри каркаса, на его основании, блок управления, устройство преобразования электрической энергии в световую и, соединенные с указанными устройствами, накопители энергии.The proposed stand-alone photo-emitting panel, as well as the device closest to it, contains a frame with a base, a device for converting solar energy into electrical energy and mounted inside the frame on its base, a control unit, a device for converting electrical energy into light energy and connected to these devices, energy storage devices.
Для достижения вышеуказанного технического результата, устройство преобразования солнечной энергии в электрическую смонтировано внутри каркаса, в его верхней части, отделено от нижней части слоем теплоизоляции. Устройство преобразования солнечной энергии в электрическую представляет собой фотоэлектрическую батарею, выполненную в виде набора оптических линз Френеля и расположенных в их фокусах фотопреобразователей с системой теплоотвода. Основание каркаса выполнено теплоотводящим и соединено с системой теплоотвода фотопреобразователей. Устройство преобразования электрической энергии в световую представляет собой волоконные лазеры с блоками накачки и сумматором лазерного излучения. Фотопреобразователи, расположенные в верхней части каркаса, электрически соединены через накопители энергии с блоками накачки волоконных лазеров и блоком управления АФИП с приемно-передающей антенной.To achieve the above technical result, a device for converting solar energy into electrical energy is mounted inside the frame, in its upper part, separated from the lower part by a layer of thermal insulation. The device for converting solar energy into electrical energy is a photovoltaic battery made in the form of a set of Fresnel optical lenses and photoconverters located in their foci with a heat sink system. The base of the frame is made of heat sink and connected to the heat sink of the photoconverters. The device converting electrical energy into light is a fiber lasers with pumping units and a laser radiation adder. The photoconverters located in the upper part of the frame are electrically connected through energy storage devices to the fiber laser pumping units and the AFIP control unit with a transmitting and receiving antenna.
Предлагаемое техническое решение позволяет использовать его как в качестве сигнального устройства и для навигации, так и, например, в космических солнечных электростанциях в фотопреобразующих панелях. Выполнение устройства для преобразования солнечной энергии в электрическую в виде фотоэлектрической батареи и размещение ее в верхней части каркаса позволяет перерабатывать солнечную энергию в электрическую, при этом боковые грани каркаса свободны и могут соединяться с другими такими же автономными фотоизлучающими панелями (АФИП), образуя плоские конструкции большой площади любой конфигурации, в частности в СКЭС по первому изобретению. При этом, так как в каждой АФИП смонтированы собственные маломощные волоконные лазеры с блоками их накачки то, соответственно, каждая АФИП не только вырабатывает электрическую энергию, но и преобразует ее в световую и по оптическому волокну может как передавать ее на Землю или другой объект (использование в навигации или сигнальных устройствах), так и при суммировании потоков ото всех АФИП (использование в СКЭС) возникает возможность вырабатывать и передавать большой объем энергии из космоса потребителю с помощью лазерного луча.The proposed technical solution allows it to be used both as a signal device and for navigation, and, for example, in space solar power plants in photoconversion panels. The implementation of the device for converting solar energy into electrical energy in the form of a photovoltaic battery and placing it in the upper part of the frame allows the processing of solar energy into electrical energy, while the side faces of the frame are free and can be connected to other autonomous photo-emitting panels (AFIPs), forming flat structures with large areas of any configuration, in particular in the SCES according to the first invention. At the same time, since each AFIP has its own low-power fiber lasers with their pumping units, respectively, each AFIP not only generates electric energy, but also converts it into light and can transmit it to the Earth or other object via optical fiber (use in navigation or signal devices), and when summing the flows from all AFIPs (use in SCES), it becomes possible to generate and transmit a large amount of energy from space to the consumer using a laser beam.
Предложенная конструкция АФИП позволяет использовать ее не только в космосе, но и на Земле, в геодезии и картографии в качестве марки с большей эффективностью, чем прототип, так как расположение фотоэлектрической батареи для преобразования солнечного света в электрическую энергию в верхней части каркаса, а не на его боковых гранях как в прототипе, позволяет исключить затенение батареи, например, растительностью, при этом передача света по гибкому волокну (волоконный лазер), позволяет направить луч в любую сторону.The proposed AFIP design allows its use not only in space but also on Earth, in geodesy and cartography as a mark with greater efficiency than the prototype, since the location of the photovoltaic battery for converting sunlight into electrical energy in the upper part of the frame, and not on its lateral sides as in the prototype, eliminates the shadowing of the battery, for example, by vegetation, while the transmission of light through a flexible fiber (fiber laser), allows you to direct the beam in any direction.
Использование в АФИП в качестве оптических линз линзы Френеля, которые обладают меньшей массой при тех же характеристиках по сравнению с классическими обычными и большей концентрацией, улучшает работу, повышает надежность и эффективность АФИП. Фотоэлектрические преобразователи представляют собой гетероструктурные солнечные элементы, так как они обладают значительно более высоким КПД по сравнению с тонкопленочными фотопреобразующими элементами, а накопители энергии выполнены в виде суперконденсаторов (понятие суперконденсатор является общеупотребимым и встречается в технической литературе, в частности см. журнал «Электроника: Наука, Технология, Бизнес», №7 за 2009 г.). Каркас целесообразно выполнять из углепластика в виде шестиугольной призмы, так как данный материал выбран из-за его отличительных свойств: высокой прочности, легкости, термостойкости, низкой теплопроводности, а выполнение в виде шестиугольной призмы позволяет при использовании в СКЭС, компактно размещать в сложенном виде под обтекателем, а в разложенном образовывать фигуру большой площади с минимальными зазорами между АФИП. При использовании в СКЭС, как один из вариантов, целесообразно систему теплоотвода фотопреобразующих элементов выполнять через теплоотводящее основание каркаса, например, в виде сетчато-стержневой конструкции из углепластика с примесью карбида кремния в количестве 20%-25% (данное соотношение обеспечивает оптимальное соотношение жесткости и теплопроводности конструкции), на узлах сетки, которой смонтированы фотопреобразователи, а стержни, закрепленные на узлах с противоположной стороны сетки, соединены с теплоотводящим основанием каркаса.The use of Fresnel lenses as optical lenses in AFIPs, which have a lower mass with the same characteristics as compared to conventional conventional and higher concentrations, improves performance, increases the reliability and efficiency of AFIPs. Photoelectric converters are heterostructured solar cells, since they have significantly higher efficiency compared to thin-film photoconverting cells, and energy storage devices are made in the form of supercapacitors (the concept of a supercapacitor is common and is used in the technical literature, in particular, see the journal Electronics: Science , Technology, Business ”, No. 7, 2009). The frame is expediently made of carbon fiber in the form of a hexagonal prism, since this material is selected because of its distinctive properties: high strength, lightness, heat resistance, low heat conductivity, and execution in the form of a hexagonal prism allows, when used in SCES, to be compactly folded under a fairing, and in the unfolded one to form a figure of a large area with minimal gaps between the AFIP. When used in SCES, as one of the options, it is advisable to carry out the heat removal system of photoconverting elements through the heat sink base of the frame, for example, in the form of a mesh-rod structure made of carbon fiber with an admixture of silicon carbide in an amount of 20% -25% (this ratio provides the optimal ratio of stiffness and thermal conductivity of the structure), at the nodes of the grid to which the photoconverters are mounted, and the rods attached to the nodes on the opposite side of the grid are connected to the heat sink base sa.
Каркас АФИП целесообразно выполнять в виде шестиугольной призмы из углепластика, верхний торец которой представляет собой сетчато-стержневую конструкцию, в ячейках которой расположены линзы Френеля, а стержни соединены с системой теплоотвода фотопреобразователей. В данном случае указанные стержни будут выполнять роль элементов жесткости конструкции.The AFIP framework is expediently made in the form of a hexagonal prism made of carbon fiber, the upper end of which is a mesh-rod structure, in the cells of which Fresnel lenses are located, and the rods are connected to the heat transfer system of the photoconverters. In this case, these rods will act as structural stiffeners.
Кроме того, блок управления АФИП снабжен приемно-передающей антенной для беспроводной связи, использование системы Wi-Fi позволяет исключить провода, что облегчает конструкцию и повышает ее надежность.In addition, the AFIP control unit is equipped with a transmit-receive antenna for wireless communication, the use of a Wi-Fi system eliminates wires, which facilitates the design and increases its reliability.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами фиг.1 - фиг.13, на которых показаны:The invention is illustrated by drawings of figure 1 - figure 13, which shows:
- на фиг.1 - функциональная схема СКЭС;- figure 1 is a functional diagram of the SCES;
- на фиг.2 - фотоэлектрическая панель;- figure 2 - photovoltaic panel;
- на фиг.3 - фотоизлучающая панель;- figure 3 is a photo-emitting panel;
- на фиг.4 - вид сверху фиг.3;- figure 4 is a top view of figure 3;
- на фиг.5 - функциональная схема фотоизлучающей панели СКЭС;- figure 5 is a functional diagram of a photo-emitting panel SKES;
- на фиг.6 - функциональная схема фотоизлучающей панели;- figure 6 is a functional diagram of a photo-emitting panel;
- на фиг.7 - конструкция фотоизлучающей панели послойно;- Fig.7 is a design of a photo-emitting panel in layers;
- на фиг.8-фиг.13 - этапы раскрытия фотопреобразующих панелей.- on Fig-Fig.13 - the steps of the disclosure of photoconversion panels.
На фиг.1 представлена функциональная схема СКЭС, включающей в себя базовый модуль 1, зеркальную систему 2, сумматор лазерного излучения 3 устройства дистанционной передачи энергии, направленный на зеркальную систему 2 и фотопреобразующие панели 4, закрепленные на внешней поверхности базового модуля 1.Figure 1 presents the functional diagram of the SCES, which includes the base module 1, the
Каждая фотопреобразующая панель 4 выполнена в виде системы из панелей двух видов - фотоэлектрических панелей 5 и автономных фотоизлучающих панелей 6, соединенных между собой в цепочку с возможностью самораскрытия посредством приводов 7, выполненных из металла с памятью, и выстраивания при раскрытии плоской замкнутой зигзагообразной фигуры (фиг.8-фиг.13). Фотоэлектрические панели 5 смонтированы вначале цепочки панелей 5, 6 (фиг.13) и первая из них соединена с базовым модулем 1.Each
Базовый модуль 1 включает в себя систему управления 8 с управляющим компьютером (не показан), радиопередатчик 9 управления работой автономных фотоизлучающих панелей 6 и приемно-передающую антенну 10 связи с наземным сегментом, а также систему охлаждения 11 и систему питания 12 с накопителями энергии (не показаны) (фиг.1).The basic module 1 includes a
Более детально конструкция фотоэлектрической панели 5 представлена на фиг.2.In more detail, the design of the
Каждая фотоэлектрическая панель 5 представляет собой фотоэлектрическую батарею, смонтированную в каркасе 13 в виде шестиугольной призмы из углепластика, верхний торец которой представляет собой сетчато-стержневую конструкцию, в ячейках сетки которой смонтированы линзы Френеля 14, с расположенными в их фокусах и электрически соединенными с системой питания 12 базового модуля 1 фотопреобразователями 15, закрепленными на теплоотводящем основании 16 каркаса 13, с которым соединены стержни верхнего торца каркаса. Вырабатываемая фотопреобразователями 15 энергия направлена на питание управляющего компьютера системы управления 8. Каркас 13 последней в цепочке фотоэлектрической панели 5 соединен с каркасом 17 (фиг.13) первой автономной фотоизлучающей панели 6.Each
Более детально конструкция фотоизлучающей панели 6 представлена на фиг.3.In more detail, the design of the photo-emitting
Каждая автономная фотоизлучающая панель 6 состоит из каркаса 17 в виде шестиугольной призмы из углепластика с теплоотводящим основанием 18 и верхним торцем, выполненным в виде сетчато-стержневой конструкции (фиг.4), в ячейках которой смонтированы линзы Френеля 19, стержни которой соединены с системой теплоотвода 20 фотопреобразователей 21, соосных с линзами Френеля 19, при этом данная система теплоотвода 20 представляет собой сетчато-стержневую конструкцию из углепластика с примесью карбида кремния в количестве 20%-25%, на узлах которой расположены фотопреобразователи 21, между которыми проложен слой теплоизоляционного материала 22, а ее стержни 23 соединены с теплоотводящим основанием 18 каркаса 17, кроме того, внутри каркаса 17, на его основании 18, смонтированы накопители энергии 24, блок управления 25 фотоизлучающей панелью 6 с приемно-передающей антенной 26, устройство преобразования электрической энергии в световую, в виде волоконных лазеров 27 с блоками накачки 28 и сумматор 29 (см. фиг.5), при этом фотопреобразователи 21 электрически соединены с блоками накачки 28 и блоком управления 25 через накопители энергии 24, кроме того, устройство дистанционной передачи энергии также снабжено сумматором 3 лазерного излучения, а сумматоры 29 каждой фотоизлучающей панели 6 соединены с сумматором 3 системы дистанционной передачи энергии посредством оптоволоконного кабеля 30, и указанный сумматор 3 направлен на зеркальную систему 2, при этом система управления базового модуля 8 включает в себя радиопередатчик 9 управления работой автономных фотоизлучающих панелей 6 и приемно-передающую антенну связи 10 с наземным сегментом.Each autonomous photo-emitting panel 6 consists of a frame 17 in the form of a hexagonal prism made of carbon fiber with a heat-removing base 18 and an upper end made in the form of a mesh-rod structure (Fig. 4), in the cells of which Fresnel lenses 19 are mounted, the rods of which are connected to the heat sink system 20 photoconverters 21, coaxial with Fresnel lenses 19, while this heat sink system 20 is a mesh-rod structure made of carbon fiber with an admixture of silicon carbide in the amount of 20% -25%, on the nodes of which are located s photoconverters 21, between which a layer of heat-insulating material 22 is laid, and its rods 23 are connected to the heat-removing base 18 of the frame 17, in addition, inside the frame 17, on its base 18, energy storage devices 24, a control unit 25 of the photo-emitting panel 6 with a receiving transmitting antenna 26, a device for converting electrical energy into light, in the form of fiber lasers 27 with pumping units 28 and an adder 29 (see 5), while the photoconverters 21 are electrically connected to the pumping units 28 and the control unit 25 through energy stores 24, in addition, the remote energy transmission device is also provided with an adder 3 of laser radiation, and adders 29 of each photo-emitting panel 6 are connected to the adder 3 of the system remote transmission of energy by means of a fiber optic cable 30, and the specified adder 3 is directed to the mirror system 2, while the control system of the base module 8 includes a radio transmitter 9 for controlling the operation of the autonomy mnyh fotoizluchayuschih panels 6 and the receiving-transmitting antenna 10 communication with a ground segment.
Космическая солнечная электростанция работает следующим образом.Space solar power station operates as follows.
После выведения СКЭС на заданную орбиту, по команде с наземного пункта управления происходит раскрытие фотопреобразующих панелей 4 по определенному алгоритму и выстраивание каждой из них в плоскую замкнутую зигзагообразную фигуру. Затем происходит передача информации базовому модулю 1 по беспроводной связи (Wi-Fi) о состоянии раскрытия каждой фотопреобразующей панели 4, а также передача информации о внутреннем состоянии каждой АФИП 6 (фиг.5) (температура - термодатчики 31, целостность кабелей - датчики тока 32, заряд суперконденсаторов 24 -емкостные датчики 33, целостность оптоволокна - фотодатчики 34 и исправность блока управления 25 АФИП 6). Затем происходит установка канала радиосвязи посредством приемно-передающей антенны 10 с наземным сегментом и передача информации о состоянии СКЭС.After the SCES is put into a given orbit, on command from the ground control point, the
Когда СКЭС находится на освещенной части орбиты, электрический ток, вырабатываемый фотопреобразователями 21 АФИП 6, заряжает суперконденсаторы 24 и, параллельно, идет на питание блоков накачки 28, например, в виде линейки диодных лазеров, служащих для накачки волоконных лазеров 27. Количество волоконных лазеров 27 может варьироваться, исходя из условий оптимального соотношения количества передаваемой энергии и обеспечения достаточного теплоотвода основанием 18 для нормальной работы АФИП. Далее, в сумматоре 29 каждой фотоизлучающей панели 6 происходит суммирование потоков от каждого лазера 27. По оптоволокну 30 от каждой фотоизлучающей панели 6 излучение приходит на сумматор 3, направленный на зеркальную систему 2 устройства дистанционной передачи энергии СКЭС, откуда передается на наземный сегмент приема и преобразования лазерного излучения в электрическую энергию.When the SCES is located on the illuminated part of the orbit, the electric current generated by the
Когда солнечная космическая электростанция находится на неосвещенной части орбиты, электрический ток необходимый для питания блока управления 25 АФИП 6 и блоков накачки 28, выполненных, например, в виде линейки диодных лазеров, вырабатывается из накопителей энергии 24, например суперконденсаторов.When the solar space power station is located in the unlit part of the orbit, the electric current necessary to power the
Фотопреобразователи 15 фотоэлектрических панелей 5 преобразуют солнечную энергию в электрическую и электрически соединены с системой питания 12 с накопителями энергии (не показаны) базового модуля 1 и вырабатываемая ими энергия направлена на питание управляющего компьютера системы управления 8.The
В процессе работы СКЭС по запросам с Земли на базовый модуль 1 о проверке состояния автономных фотоизлучающих панелей 6, запрос передается на блок управления 25 АФИП 6 посредством безпроводной связи (радиопередатчик 9 базового модуля 1 - приемно-передающая антенна 26 каждой АФИП 6), в случае если одна из АФИП 6 (или несколько) выйдет из строя, то блок управления 8 даст команду на их отключение, а вся СКЭС будет продолжать работать, хотя и с меньшей эффективностью, благодаря выполнению фотоизлучающих панелей 6 автономными. Так как на каждой АФИП установлены несколько маломощных лазеров 27, то теплоотведение обеспечивает основание 18 каркаса 17 (например, в виде металлической пластины), система теплоотведения будет соответственно более надежной и легкой, также и исключение мощного лазера из базового модуля, позволяет отказаться от сложной системы теплоотвода базового модуля, что также влияет на эффективность работы СКЭС.In the process of operation of the SCEC upon requests from the Earth to the base module 1 to check the status of autonomous photo-emitting
Предлагаемая автономная фотоизлучающая панель, функциональная схема которой показана на фиг.6, а конструкция послойно на фиг.7, состоит из каркаса 1 с основанием 2, устройства 3 преобразования солнечной энергии в электрическую (фиг.6) и, смонтированных внутри каркаса 1, на его основании 2, блока управления 4, устройства 5 (фиг.6) преобразования электрической энергии в световую и, соединенных с указанными устройствами 3, 5 и блоком управления 4 накопителей энергии 6. Устройство 3 преобразования солнечной энергии в электрическую смонтировано внутри каркаса 1, в его верхней части и отделено от нижней части слоем теплоизоляции 7. Устройство 3 представляет собой фотоэлектрическую батарею, выполненную в виде набора оптических линз Френеля 8 и расположенных в их фокусах фотопреобразователей 9 с системой теплоотвода 10. Основание 2 каркаса 1 выполнено теплоотводящим, например, в виде металлической пластины и соединено с системой теплоотвода 10 фотопреобразователей 9. Устройство 5 преобразования электрической энергии в световую представляет собой, установленные на теплоотводящем основании 2, волоконные лазеры 11 с блоками накачки 12 и сумматором 13 лазерного излучения. Блок управления 4 включает в себя приемно-передающую антенну 14 (фиг.6) и также установлен на теплоотводящем основании 2. Количество устанавливаемых лазеров, подбирается с учетом конкретной решаемой задачи. Фотопреобразователи 9, расположенные в верхней части каркаса 1, электрически соединены через накопители энергии 6, установленные на теплоотводящем основании 2, с блоками накачки 12 волоконных лазеров 11 и блоком управления 4. Как один из возможных вариантов представлена система теплоотвода 10 фотопреобразователей 9, которая выполнена в виде сетчато-стержневой конструкции из углепластика с примесью карбида кремния в количестве 20%-25%, на узлах сетки, которой смонтированы фотопреобразователи 9, а стержни, закрепленные на узлах с противоположной стороны сетки, соединены с теплоотводящим основанием 2. Каркас 1 выполнен из углепластика, так как данный материал выбран из-за его отличительных свойств: высокой прочности, легкости, термостойкости, низкой теплопроводности. Выполнение в виде шестиугольной призмы представлено как один из вариантов выполнения. Фотоэлектрические преобразователи 9 представляют собой гетероструктурные солнечные элементы, так как они обладают значительно более высоким КПД по сравнению с другими фотопреобразующими элементами. Накопители энергии 6 выполнены в виде суперконденсаторов.The proposed stand-alone photo-emitting panel, the functional diagram of which is shown in Fig.6, and the construction in layers in Fig.7, consists of a frame 1 with a
Каркас 1 автономной фотоизлучающей панели выполнен в виде шестиугольной призмы из углепластика, верхний те>рец которой представляет собой сетчато-стержневую конструкцию 15, в ячейках сетки которой расположены линзы Френеля 8, а стержни соединены с системой теплоотвода фотопреобразователей и служат для обеспечения жесткости конструкции.The frame 1 of the self-contained photo-emitting panel is made in the form of a hexagonal prism made of carbon fiber, the upper end of which is a mesh-
Автономная фотоизлучающая панель работает следующим образом.Autonomous photo-emitting panel operates as follows.
АФИП ориентируют в пространстве так, чтобы солнечные лучи падали перпендикулярно к поверхности линз Френеля 8. После фокусировки лучи света попадают на активную поверхность фотопреобразователей 9, которые осуществляют непосредственное преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию и передачу ее через накопители энергии 6 на блоки накачки 12. Блоки накачки 12 активизируют волоконные лазеры 11, световая энергия от которых передается посредством оптоволокна на сумматор 13. Часть энергии от накопителей энергии 6 поступает на питание блока управления 4. С помощью приемно-передающей антенны 14 на блок управления 4 приходят команды о проверке состояния АФИП. (температура - термодатчики 16, целостность кабелей - датчики тока 17, заряд суперконденсаторов 6 - емкостные датчики 18, целостность оптоволокна - фотодатчики 19 и исправность блока управления 4 АФИП). После того, как блок управления 4 опросил все системы, подлежащие проверки, информация передается обратно на пункт управления. Если все системы работают нормально, то с пункта управления подается команда на включение АФИП. Если в ходе работы АФИП возникают неполадки, блок управления 4 автоматически передает информацию о неисправности АФИП на пункт управления, после чего с пункта управления подается команда на отключение неисправной АФИП.AFIPs are oriented in space so that the sun's rays fall perpendicular to the surface of the
В качестве сигнального устройства, предложенная АФИП будет работать аналогично устройству, взятому за прототип, т.е. когда космический аппарат, на котором установлена АФИП в качестве сигнального устройства, находится на освещенной части орбиты, солнечный свет, сфокусированный линзами Френеля, преобразуется в электрический ток фотопреобразователями 9 АФИП, который заряжает суперконденсаторы 6 и, параллельно, идет на питание блоков накачки 12, например, в виде линейки диодных лазеров, служащих для накачки волоконных лазеров 11. Далее, в сумматоре 13 происходит суммирование потоков от каждого лазера 11.As a signal device, the proposed AFIP will work similarly to the device taken as a prototype, i.e. when the spacecraft on which AFIP is installed as a signaling device is in the illuminated part of the orbit, sunlight focused by Fresnel lenses is converted into electric current by
Когда космический аппарат на неосвещенной части орбиты, электрический ток необходимый для питания блока управления 4 АФИП и блоков накачки 12, выполненных, например, в виде линейки диодных лазеров, вырабатывается из накопителей энергии 6, например, суперконденсаторов.When the spacecraft is on the unlit part of the orbit, the electric current necessary to power the
Высокоточное определение угловых координат космических аппаратов осуществляется следующим образом: после начала работы АФИП, по сигналу устройства, входящего в состав блока управления (формируется в зависимости от решаемых задач) происходит импульсная модуляция сигнала. Характер светового сигнала устройства может быть дополнен кодировкой по продолжительности и частоте вспышек (обеспечивается кодирующим устройством блока управления), что позволит обеспечить уверенную идентификацию космического объекта искусственного происхождения.High-precision determination of the angular coordinates of spacecraft is carried out as follows: after the start of the operation of the AFIP, the signal of the device included in the control unit (formed depending on the tasks being solved) is pulsed signal modulation. The nature of the light signal of the device can be supplemented by coding for the duration and frequency of flashes (provided by the encoder of the control unit), which will ensure reliable identification of a space object of artificial origin.
Современные наземные оптические средства наблюдения позволяют уверенно наблюдать кодированные сигналы данного устройства.Modern ground-based optical surveillance tools allow you to confidently observe the encoded signals of this device.
Установка на борту космического аппарата источника направленного на наблюдателя оптического излучения может гарантировать как обнаружение объекта, так и его качественные позиционные измерения. Например, АФИП как источник света, установленная на облучателе остронаправленной антенны (ОНА) космического аппарата, будет светить в том же направлении, в которое направлена антенна, и оптический инструмент, расположенный, как правило, рядом с наземным пунктом радиосвязи, получит достаточно сильный световой поток, чтобы его регистрация была уверенной.The installation on board a spacecraft of a source of optical radiation directed at the observer can guarantee both the detection of an object and its qualitative positional measurements. For example, AFIP as a light source mounted on an irradiator of a pointed antenna (ON) of a spacecraft will shine in the same direction that the antenna is directed, and an optical instrument located, as a rule, near a ground radio communication point, will receive a sufficiently strong light flux so that his registration is sure.
Все космические аппараты в каналах радиосвязи имеют ОНА. При характерном размере диаграммы направленности ОНА порядка градуса для ее работы требуется система ориентации той же точности, поэтому установка на наружной (нерабочей) части облучателя антенны предлагаемой АФИП в роли автономного сигнального устройства позволяет использовать узкий световой луч.All spacecraft in the radio channels have IT. With the typical size of the radiation pattern IT about an degree, an orientation system of the same accuracy is required for its operation, therefore, the installation of the proposed AFIP on the external (non-working) part of the irradiator as an autonomous signal device allows the use of a narrow light beam.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012114958/11A RU2492124C1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Space solar electric station and independent photo emitting panel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012114958/11A RU2492124C1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Space solar electric station and independent photo emitting panel |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2492124C1 true RU2492124C1 (en) | 2013-09-10 |
Family
ID=49164848
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012114958/11A RU2492124C1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Space solar electric station and independent photo emitting panel |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2492124C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2605956C2 (en) * | 2015-04-02 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет геодезии и картографии" (МИИГАиК) | Space solar power plant |
RU2693167C1 (en) * | 2015-10-19 | 2019-07-01 | Бриджстоун Корпорейшн | Rubber mixture and tire |
RU199356U1 (en) * | 2020-05-19 | 2020-08-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | SOLAR PHOTOELECTRIC SUBMODULE FOR SPACE VEHICLE |
CN111697681A (en) * | 2020-07-02 | 2020-09-22 | 上海空间电源研究所 | Multi-path charging shunt control system and method for spacecraft |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4305555A (en) * | 1977-10-20 | 1981-12-15 | Davis Charles E | Solar energy system with relay satellite |
WO2004049538A2 (en) * | 2002-11-26 | 2004-06-10 | Solaren Corporation | Space-based power system |
US20060169846A1 (en) * | 2005-01-31 | 2006-08-03 | Mario Rabinowitz | Micro-optics concentrator for solar power satellites |
US20100276547A1 (en) * | 2009-05-04 | 2010-11-04 | Rubenchik Alexander M | Systems for solar power beaming from space |
RU110857U1 (en) * | 2011-06-16 | 2011-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" | AUTONOMOUS SIGNAL DEVICE |
-
2012
- 2012-04-17 RU RU2012114958/11A patent/RU2492124C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4305555A (en) * | 1977-10-20 | 1981-12-15 | Davis Charles E | Solar energy system with relay satellite |
WO2004049538A2 (en) * | 2002-11-26 | 2004-06-10 | Solaren Corporation | Space-based power system |
US20060169846A1 (en) * | 2005-01-31 | 2006-08-03 | Mario Rabinowitz | Micro-optics concentrator for solar power satellites |
US20100276547A1 (en) * | 2009-05-04 | 2010-11-04 | Rubenchik Alexander M | Systems for solar power beaming from space |
RU110857U1 (en) * | 2011-06-16 | 2011-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" | AUTONOMOUS SIGNAL DEVICE |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2605956C2 (en) * | 2015-04-02 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет геодезии и картографии" (МИИГАиК) | Space solar power plant |
RU2693167C1 (en) * | 2015-10-19 | 2019-07-01 | Бриджстоун Корпорейшн | Rubber mixture and tire |
RU199356U1 (en) * | 2020-05-19 | 2020-08-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | SOLAR PHOTOELECTRIC SUBMODULE FOR SPACE VEHICLE |
CN111697681A (en) * | 2020-07-02 | 2020-09-22 | 上海空间电源研究所 | Multi-path charging shunt control system and method for spacecraft |
CN111697681B (en) * | 2020-07-02 | 2022-03-25 | 上海空间电源研究所 | Multi-path charging shunt control system and method for spacecraft |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11336126B2 (en) | Transmitter assembly for free space power transfer and data communication system | |
Panatik et al. | Energy harvesting in wireless sensor networks: A survey | |
US9839160B2 (en) | Water-based computing system | |
RU2492124C1 (en) | Space solar electric station and independent photo emitting panel | |
CN103780313A (en) | Laser energy supply communication system for air vehicle | |
CN104396047A (en) | Underwater charging station | |
JP2006507974A5 (en) | ||
US20160099570A1 (en) | Compact Omnidirectional Modular Power Harvesting System | |
KR102127283B1 (en) | Battery monitoring system using the energy harvesting for the ship | |
Kawashima et al. | Laser energy transmission for a wireless energy supply to robots | |
Lahmeri et al. | Charging techniques for UAV-assisted data collection: Is laser power beaming the answer? | |
CN108039011A (en) | A kind of mist detecting device for being used to prevent forest fire | |
CN112172552B (en) | Remote power supply method for unmanned aerial vehicle | |
CN112202226B (en) | Long-distance wireless power supply device for unmanned aerial vehicle | |
EP3004639B1 (en) | High efficiency solar power generator for offshore applications | |
CN104040878B (en) | Suspended solar electricity generation system | |
RU2481252C1 (en) | Balloon-space power supply system | |
KR20160086054A (en) | A Buoy Comprising A the Solar-module With The Increased Optical-Efficiency Structure And Real-time Water Environmental Monitoring Method Using The Same | |
KR102320002B1 (en) | Laser Power Receiver | |
RU2382935C1 (en) | Solar power plant with thermo-electric generator for navigation equipment devices | |
CN114851871A (en) | Unmanned aerial vehicle energy charging system and method based on laser wireless energy transmission | |
KR101314753B1 (en) | solar genepating apparatus using the solar light and solar heat | |
RU2560199C2 (en) | Space vehicle | |
KR102010322B1 (en) | A management method for photo-voltaic system | |
JP2017056744A (en) | Small-sized sailing ship |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20171110 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner |