CN103236804B - 一种球型充气式空间太阳能发电站 - Google Patents
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Abstract
一种球型充气式空间太阳能发电站，太阳能电池阵为球形封闭式结构；结构支撑骨架由可刚化充气薄膜桁架组成，其在地面时处于折叠状态，释放到太空后，刚化成球形结构，对展开成型的太阳能电池阵进行支撑和限位；定向调姿系统安装在结构支撑骨架上；能量转化装置和信号处理系统连接在定向调姿系统上，能量转化装置将太阳能电池阵产生的电能转化为射频微波传输到地面接收站并将自身的方位信息发送至信号处理系统；信号处理系统接收方位信息以及地面接收站发出的位置信息，根据接收的信息发出调姿控制指令至定向调姿系统，由定向调姿系统控制能量转化装置指向地面接收站，同时发出状态控制指令至能量转化装置，控制能量转化装置的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及空间太阳能发电站，特别是涉及一种利用内部残余气体自动展开的球形空间太阳能发电站，并可离散组网，形成空间太阳能发电站电网系统。背景技术
近年来随着石油价格的飞涨，能源危机和环境保护问题日渐突出，预计到2050年世界能源消耗将达到现在的3倍，并且CO2的排放量也将相应增加3倍，所以将来会出现能源匮乏和CO2造成的严重温室效应。
空间太阳能作为一种潜在能源，取之不尽，用之不竭，既清洁又环保，几乎不产生CO2，其潜在价值对于正面临能源短缺、生态和环境恶化的地球人类来说，具有重大的战略意义。于是，空间太阳能发电站将再次成为人们关注的重点。美国、欧洲和日本竞相开展各种相关技术和方案的研究。在美国NASA做了一些前期工作之后，德国的DLR、日本的ISAS和NEDO也都相继开展了一些设计模型的研究。
通过上述模型的成功研制以及新材料和射频技术的不断发展，证明了空间太阳能技术的可行性，但现有模型技术方案均采用面状结构（包括平面或曲面），需要对太阳能阵列不断进行调姿才能得到稳定的转化功率，这就在一定程度上增大了技术操作的难度，同时降低了整体的可靠性；且上述空间太阳能发电站均为单一结构方案，当太阳能阵列进入阴影区则整个电站将不能工作，这就极大限制了现有发电站的应用，且由于其结构尺寸及重量很大，现有运载火箭不能一次性将其运送到预定轨道，需要多次运输与组装对接，这就增加了重量与技术难度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：本发明主要是解决现有空间太阳能发电站模型面临的重量过大、成本过高、组装和调试相对困难、工作时段存在盲区等技术难题。该空间太阳能发电站通过球型设计，避免出现工作时段盲区难题；通过借助一种新颖结构-空间充气展开结构，实现空间太阳能发电站的折叠升空和结构轻量化，成熟的空间充气展开技术将为这种新型空间太阳能发电站的发展应用提供技术支撑和保障。
本发明的技术解决方案是：一种球型充气式空间太阳能发电站，包括太阳能电池阵，结构支撑骨架，定向调姿系统，能量转化装置和信号处理系统；
太阳能电池阵为球形封闭式结构，其在地面时可折叠，球形内部残余气体，释放到太空后，利用残余气体产生的压差将太阳能电池阵展开成型；结构支撑骨架由可刚化充气薄膜桁架组成，其在地面时处于折叠状态，释放到太空后，刚化成球形结构，对展开成型的太阳能电池阵进行支撑和限位；定向调姿系统安装在结构支撑骨架上；能量转化装置和信号处理系统连接在定向调姿系统上，能量转化装置将太阳能电池阵产生的电能转化为射频微波传输到地面接收站并将自身的方位信息发送至信号处理系统；信号处理系统接收方位信息以及地面接收站发出的位置信息，根据接收的信息发出调姿控制指令至定向调姿系统，由定向调姿系统控制能量转化装置指向地面接收站，同时发出状态控制指令至能量转化装置，控制能量转化装置的工作状态。
所述的定向调姿系统主要包括三根可刚化的充气环、两根可刚化的充气管；能量转化装置和信号处理系统分别安装在两根可刚化的充气管的一端；每根可刚化的充气管的另一端安装一个定位齿轮并通过连接结构与一根充气环连接；充气管上的两个定位齿轮通过安装在连接结构上的一台电机驱动；三根充气环的相邻两个旋转轴正交，相邻两个充气环的正交位置固接；每个充气环与结构支撑骨架连接部位安装一套电机和定位齿轮，定位齿轮固接在充气环上，电机安装在结构支撑骨架上，电机的输出通过定位齿轮带动充气环旋转。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明涉及发电站主要利用表面布置的桁架结构实现电站在地面和升空过程处于有效折叠状态，利用火箭等发射装置升空，极大的降低了升空成本；主支撑结构采用超轻薄膜材料，从根本上实现了整个电站的结构轻量化；单个球形发电站作为独立发电功能单元，避免了复杂结构的组装和相互干扰，降低了系统某处破坏所造成效率显著降低的运行风险和安装复杂程度；多个离散电站相互协调工作，能够解决传统电站“按班工作”的难题，实现电站连续不间断发电。
附图说明
图1为本发明球形太阳能发电站组成示意图；
图2为本发明空间太阳能发电站组网工作原理图；
图3为本发明结构支撑框架示意图；
图4为本发明定向调姿系统组成示意图；
图5为本发明充气管与充气环连接状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明空间太阳能发电站主要包括球形封闭式太阳能电池阵（简称电池），结构支撑骨架，定向调姿系统，能量转化装置和信号处理系统等。实际工作过程中可以将上述空间太阳能发电站作为一个独立的子系统，多个独立的子系统组网，形成同一轨道上均匀分布的空间太阳能发电站网，如图2所示。每个子系统可独立工作，在工作过程中，始终使最后一个进入信号接收区的子系统处于“休眠”状态。在其中一个子系统即将进入信号接收盲区时，缓慢降低传输功率直至关闭即将进入信号接收盲区的子系统，同时互补缓慢提高传输功率直至全功率，打开处于“休眠”中的子系统，以保证地面发电站的功率稳定。且当其中一个子系统损坏时，处于“休眠”状态的子系统可以起到备用设备的作用打开并工作，为更换下一子系统争取宝贵时间。当接收效率受到子系统与地面接收站角度影响很大时，多子系统的另一个作用是减小子系统交替一个循环之间方位角的变化值，降低总功率变化差异。子系统越多，子系统交替一个循环之间方位角的变化值越小，总功率越稳定。
下面对单个子系统的具体实现进行详细说明。
（一）太阳能电池阵
太阳能电池阵为球形封闭式结构，由薄膜太阳能电池片组成，其在地面时可折叠，球形内部残余气体，利用具有一定压力的火箭存储舱释放到太空，利用残余气体产生的压差将太阳能电池阵展开成型。
球形太阳能电池阵在地面内部一般充填残余氮气，在太空环境下，残余氮气依靠内外压差膨胀，在球形太阳能电池阵表面形成张力，从而满足太阳能电池阵的展开维形要求。
（二）结构支撑骨架
结构支撑骨架如图3所示，由球形体表面可刚化充气桁架组成，在地面对桁架结构及球形电池进行抽气，实现整个结构的有效折叠；当到达太空，由结构内部残余气体膨胀展开，刚化成球形结构，对展开成型的太阳能电池阵进行支撑和限位。
可刚化充气桁架当采用热固化热固性复合材料时，桁架内部埋有电阻丝，固化时对结构支撑骨架进行通电加热。该材料在没有进行固化前保持柔性状态，可进行抽气折叠；当到达太空时由残余气体展开后，通过太阳能提供的电能进行加热固化；固化后可长时保持形状，即使遇到少量宇宙碎片的撞击，发生气体泄露，也不影响其正常工作，是保持空间太阳能发电站外形的主要承力结构。
（三）能量转化装置
能量转化装置是将太阳能电池产生的电能转化为射频微波，并向地面传输电能的装置。它由直流发电机、储能设备、射频能量集中器和太阳敏感器等组成。直流发电机根据信号处理系统发送的指令信息控制射频能量集中器的指向方位，储能设备在太阳能发电站位于日照区而处于地面站信号接收盲区时存储电能，射频能量集中器是在不处于地面站信号接收盲区时指向地面接收站并发射电能，太阳敏感器安装在射频能量集中器上，用于获取太阳能发电站子系统相对于日照区的位置信息，通过信号处理系统，判断能量转化装置的工作状态。
（四）定向调姿系统
定向调姿系统安装在结构支撑骨架上；用于当能量转化装置中的射频能量集中器不指向地面接收站时，对射频能量集中器方位进行调节的结构。
定向调姿系统由三个可刚化的充气环、两根充气管以及其附属部件组成，如图4所示；能量转化装置和信号处理系统分别安装在两根可刚化的充气管的一端；每根可刚化的充气管的另一端安装一个定位齿轮并通过连接结构与一根充气环连接如图5所示；充气管上的两个定位齿轮通过安装在连接结构上的一台电机驱动；
三根充气环的相邻两个旋转轴正交如图4所示，相邻两个充气环的正交位置固接；每根充气环具有一个旋转自由度，则三根环具有三个旋转自由度，可以实现射频能量集中器所在的最外级环在任意方向上的定位，配合不同的能量转化装置与信号处理系统的张开角，可以实现射频能量集中器在运动过程中始终指向地面接收站。每个充气环与结构支撑骨架连接部位安装一套电机和定位齿轮，定位齿轮固接在充气环上，电机安装在结构支撑骨架上，电机的输出通过定位齿轮带动充气环旋转。
调姿过程是通过能量转化装置上的太阳敏感器捕获方位信号和信号处理系统上的地面信号接收器捕获地面接收站方位信号，通过信号处理系统转化为电信号，指令下达至对应电机和定位齿轮进行调姿；同时通过信号处理系统上的星敏感器和陀螺仪动态捕获地面接收站位置信号，进行下一步微调。最终达到射频能量集中器对准地面接收站的方位，此时停止调姿。此外，定向调姿系统与能量转化装置和信号处理系统连接的两根可刚化充气管还具有重力梯度杆的功能。与一根充气管相连接的信号处理系统在调节张开角进行射频能量集中器定位时起到配重的作用。调姿系统以重力梯度杆的被动调姿为主，以主动调姿为辅。
（五）信号处理系统
信号处理系统接收方位信息以及地面接收站发出的位置信息，根据接收的信息发出调姿控制指令至定向调姿系统，由定向调姿系统控制能量转化装置指向地面接收站，同时发出状态控制指令至能量转化装置，控制能量转化装置的工作状态。信号处理系统包括星敏感器和陀螺仪，地面信号接收器以及信号处理器等结构，是球形空间太阳能发电站的“大脑”。
上述状态控制指令的确定步骤如下：
接收能量转化装置太阳敏感器发送的方位信息，由信号处理器判断太阳能发电站子系统是否处于日照区。
（1）若处于日照区，由信号处理器、地面信号接收器判断太阳能发电站子系统是否处于地面站信号接收盲区；
●若处于地面站信号接收盲区，关闭能量转化装置的射频能量集中器，能量转化装置的储能设备充电；
●若不处于地面站信号接收盲区，关闭能量转化装置的储能设备，开启能量转化装置的射频能量集中器；
（2）若处于非日照区域，由信号处理器、地面信号接收器判断太阳能发电站子系统是否处于地面站信号接收盲区；
●若处于地面站信号接收盲区，关闭能量转化装置的储能设备，关闭能量转化装置的射频能量集中器；
●若处于地面站信号接收区，能量转化装置的储能设备放电，开启能量转化装置的射频能量集中器。
若太阳能发电站子系统处于日照区和地面信号接收区，此时定向调姿系统开始工作，由信号处理系统根据自身携带的星敏感器和陀螺仪判断地面接收站位置信息，向定向调姿系统发送调姿指令电信号，结构支撑骨架上的电机和定向调姿系统的定位齿轮按照指令进行作动，实现定向调姿系统的最外围充气环进行调姿运动；同时，通过充气管上的两个定位齿轮和电机对能量转化装置进行微调，最终达到能量转化装置的射频能量集中器对准地面接收站的方位，此时停止调姿。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (2)
1.一种球型充气式空间太阳能发电站，其特征在于：包括太阳能电池阵，结构支撑骨架，定向调姿系统，能量转化装置和信号处理系统；
太阳能电池阵为球形封闭式结构，其在地面时可折叠，球形内部残余气体，释放到太空后，利用残余气体产生的压差将太阳能电池阵展开成型；结构支撑骨架由可刚化充气薄膜桁架组成，其在地面时处于折叠状态，释放到太空后，刚化成球形结构，对展开成型的太阳能电池阵进行支撑和限位；定向调姿系统安装在结构支撑骨架上；能量转化装置和信号处理系统连接在定向调姿系统上，能量转化装置将太阳能电池阵产生的电能转化为射频微波传输到地面接收站并将自身的方位信息发送至信号处理系统；信号处理系统接收方位信息以及地面接收站发出的位置信息，根据接收的方位信息及位置信息发出调姿控制指令至定向调姿系统，由定向调姿系统控制能量转化装置指向地面接收站，同时发出状态控制指令至能量转化装置，控制能量转化装置的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种球型充气式空间太阳能发电站，其特征在于：所述的定向调姿系统主要包括三根可刚化的充气环、两根可刚化的充气管；能量转化装置和信号处理系统分别安装在两根可刚化的充气管的一端；每根可刚化的充气管的另一端安装一个定位齿轮并通过连接结构与一根充气环连接；充气管上的两个定位齿轮通过安装在连接结构上的一台电机驱动；三根充气环的相邻两个旋转轴正交，相邻两个充气环的正交位置固接；每个充气环与结构支撑骨架连接部位安装一套电机和定位齿轮，定位齿轮固接在充气环上，电机安装在结构支撑骨架上，电机的输出通过定位齿轮带动充气环旋转。
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