CN113071714A - 空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，包括：对空间太阳能电站电池阵结构进行预弯曲，形成弯曲弧；所述弯曲弧采用间隔布置的拉杆、拉绳等方式形成；所述弯曲弧的弯曲轴线平行于电池阵平面，而且与所受外部激励或扰动弯矩的方向正交或夹角超过预设夹角值；所述弯曲弧所对应的圆心角小于预设圆心角，使得太阳光线与电池面之间的夹角在允许范围内；调整弯曲弧的弧度大小(所对圆心角)、弯曲模式(位置、方向、数量)等参数，能够改变所述空间太阳能电站电池阵结构的特定弯曲刚度和振动性能。本发明可以增大电池阵结构特定弯曲方向上的刚度，从而提高电池阵结构的振动特性，进而达到对电池阵结构振动进行抑制或控制的目的。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别是涉及空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度和振动性能调控方法。
背景技术
空间太阳能电站具有全天时发电、效率高、零排放等优点，有望成为人类解决能源问题的重要手段，其涉及的技术问题也受到越来越多的关注。在空间太阳能电站中，太阳能电池板下边会有支撑结构(下称电池阵结构)。为了实现兆瓦级别的发电能力，电池阵结构的总受光面积需要达到数万平方米。而受到运输、安装、成本，以及环境条件等限制，这些电池阵结构在厚度方向上的尺寸相对非常小。使得电池阵结构的面积与厚度之比值非常大，可以看成一个柔性平板类结构，具有非常大的柔性，极易产生弯曲变形和振动。
当空间太阳能电站在轨运行且受到位姿控制激励以及太空环境扰动等影响时，电池阵结构在真空环境下会产生持久的振动，这会增大空间太阳能电站的控制难度，甚至导致结构的破坏。
现有的太阳能电池阵结构的抑振方案一般为主动抑振，如论文“Distributedvibration control of a large solar power satellite”中所述，在太阳能电池阵结构表面设置若干驱动器，通过控制驱动器的输出力和位移来抑制电池阵结构的振动(举个简单例子，比如在软薄板上均匀布置若干驱动器，当软薄板某个部位发生振动时，就驱动相应部位的驱动器产生与振动相反方向位移来消除振动)。该方案需要的驱动器数量大，控制系统复杂，消耗较多电能，增加了电池阵结构的重量，而且维护工作量大。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，弯曲刚度是影响电池阵振动性能的主要指标，调控电池阵结构的弯曲刚度，进而对电池阵结构的振动性能进行调节，以解决空间太阳能电站大型电池阵结构弯曲刚度过低导致的振动问题。
为了实现上述发明，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，该方法包括：
对空间太阳能电站电池阵结构进行预弯曲，形成弯曲弧；所述弯曲弧的弯曲轴线平行于电池阵平面，且与所受外部激励或扰动弯矩的方向正交，或夹角超过预设夹角值；所述弯曲弧所对应的圆心角小于预设圆心角，使得太阳光线与电池面之间的夹角在允许范围内。
进一步地，还包括：
调整所述弯曲弧的参数，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能。
进一步地，所述弯曲弧所对应的圆心角为固定值，或动态可调的变化量。
进一步地，调整所述弯曲弧的参数，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能，包括：
调整所述弯曲弧的弧度大小，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能。
进一步地，调整所述弯曲弧的参数，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能，包括：
调整所述弯曲弧的弯曲模式，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能。
进一步地，形成弯曲弧，包括：
在所述空间太阳能电站电池阵结构中每块电池阵子结构形成多个弯曲弧。
进一步地，所述多个弯曲弧按照下列任一种方式布置：平行布置、垂直布置、平行且反向弯曲布置、垂直和平行叠加布置。
进一步地，所述弯曲弧采用间隔布置的拉杆和/或拉绳形成。
进一步地，拉杆或拉绳的长度能够动态调整。
本发明还提供了一种空间太阳能电站电池阵结构，包括：经预弯曲得到的弯曲弧，所述弯曲弧的弯曲轴线平行于电池阵平面，且与所受外部激励或扰动弯矩的方向正交或夹角超过预设夹角值；所述弯曲弧所对应的圆心角小于预设圆心角，使得太阳光线与电池面之间的夹角在允许范围内。
本发明具有以下有益效果：
利用本发明提出的空间太阳能电站电池阵结构弯曲刚度调控技术，可以增大电池阵结构任意弯曲方向上的刚度，从而提高电池阵结构的振动特性，进而达到对电池阵结构振动抑制或控制的目的。
本发明提出的空间太阳能电站电池阵结构抑振方案属于被动抑振，即通过改变电池阵结构本身的几何形貌来提高电池阵结构的刚度，进而达到抑振的目的。相比现有技术中通过外部驱动器来对电池阵结构进行抑振的主动抑振方案，本发明提出的方案实施方式简单，不需要实时控制(当采用弯曲弧度动态调整时，需要的控制也相对简单)，在电池阵结构振动抑制和控制应用上具有效果显著、结构简单、动态可调、方便实施、以及附加质量小等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度和振动性能调控方法示意图；
图2为本发明实施例中单个电池阵结构设置3个平行布置弯曲弧的示意图，以抵抗弯矩M产生的变形和振动；
图3为本发明实施例中单个电池阵结构单个弯曲弧的产生方式示意图；
图4为本发明实施例中单个电池阵结构多个平行且反向弯曲弧的产生方式示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
参见图1，其示出了本发明实施中空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度和振动性能调控方法示意图。该方法包括：
对空间太阳能电站电池阵结构进行预弯曲，形成弯曲弧；所述弯曲弧的弯曲轴线平行于电池阵平面，且与所受外部激励或扰动弯矩的方向正交或夹角超过预设夹角值；所述弯曲弧所对应的圆心角可以为固定值，也可以为动态可调的变化量，其值小于预设圆心角，使得太阳光线与电池面之间的夹角在允许范围内。
电池阵结构抵抗振动以及弯矩M产生变形的刚度加强可以通过图中所示的结构弯曲来实现，所形成的圆心角θ应足够小，使得太阳光线与电池面之间的夹角在允许范围内。当圆心角θ很小时，整个结构仍近似平面。
其中，形成的弯曲弧可以是多种弯曲模式，如波浪式。
形成的弯曲弧可以是一个，也可以是多个，如图2所示，其示出了单个电池阵结构设置3个平行布置弯曲弧的示意图，以抵抗弯矩M产生的变形和振动。所形成的圆心角θ1、θ2和θ3可以相同，也可以不同；可以为固定值，也可以为可调的变化量。多个弯曲弧可以按照下列任一种方式布置：平行布置、垂直布置、平行且反向弯曲布置、垂直和平行叠加布置。
弯曲弧可以采用间隔布置的拉杆和/或拉绳形成，拉杆或拉绳的长度能够动态调整。如图3、图4所示，图3示出了单个电池阵结构单个弯曲弧的产生方式示意图。图4示出了单个电池阵结构多个平行且反向弯曲弧的产生方式示意图。
进一步地，还可以调整上述预弯曲形成的弯曲弧的参数，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能。
调整弯曲弧的参数可以是对弯曲弧的弧度大小(所对圆心角)进行调整，还可以是对弯曲弧的弯曲模式(位置、方向、数量)进行调整，还可以是对弯曲弧的其他参数进行调整，此处不做限制。
本发明实施例中提供的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度和振动性能调控方法，可以增大电池阵结构任意弯曲方向上的刚度，从而提高电池阵结构的振动特性，进而达到对电池阵结构振动抑制或控制的目的。
本发明还提供了一种空间太阳能电站电池阵结构，包括：经预弯曲得到的弯曲弧，所述弯曲弧的弯曲轴线平行于电池阵平面，且与所受外部激励或扰动弯矩的方向正交或夹角超过预设夹角值；所述弯曲弧所对应的圆心角小于预设圆心角，使得太阳光线与电池面之间的夹角在允许范围内。
计算实例如下：
假定空间太阳能电站大型电池阵结构等效为长宽高分别为100米、30米和0.25米，材料为铝合金6061的平板模型。当此平板模型沿长度方向上的其中一个端部固定时，利用Solidworks2019软件仿真得到其一阶共振频率为0.021Hz。同样条件下，将此平板沿长度方向的轴线进行弯曲，当弯曲弧对应的圆心角约为0.15弧度(弯曲后的板仍近似为平板，板面的最高点与最低点之差仅为板宽的1.9％)时，其一阶共振频率增加到0.052Hz，一阶共振频率增加了约148％，相应弯曲刚度增加到原模型的6倍还多。忽略阻尼影响，当受到频率为0.02Hz简谐激励或扰动时，平板模型产生的振幅放大因子为11.1，而弯曲模型产生振动的振幅放大因子仅为1.2，最终导致平板模型产生比弯曲模型大约54.5倍的振幅。从此算例可以看出，平板模型弯曲后，其相应刚度增加，一阶共振频率提高，在受到低频扰动或激励时振动幅度明显降低。另外，此算例中，弯曲使得平板产生最大坡度仅为1.9％，弯曲后的模型仍近似为平面。如果进一步增大弯曲弧所对应的圆心角，能够进一步抑制模型的振动响应。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，所述方法包括：
对空间太阳能电站电池阵结构进行预弯曲，形成弯曲弧；所述弯曲弧的弯曲轴线平行于电池阵平面，且与所受外部激励或扰动弯矩的方向正交，或夹角超过预设夹角值；所述弯曲弧所对应的圆心角小于预设圆心角，使得太阳光线与电池面之间的夹角在允许范围内。
2.根据权利要求1所述的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，还包括：
调整所述弯曲弧的参数，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能。
3.根据权利要求1所述的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，所述弯曲弧所对应的圆心角为固定值，或动态可调的变化量。
4.根据权利要求2所述的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，调整所述弯曲弧的参数，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能，包括：
调整所述弯曲弧的弧度大小，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能。
5.根据权利要求2所述的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，调整所述弯曲弧的参数，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能，包括：
调整所述弯曲弧的弯曲模式，以改变所述空间太阳能电站电池阵结构的刚度和振动性能。
6.根据权利要求1所述的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，形成弯曲弧，包括：
在所述空间太阳能电站电池阵结构中每块电池阵子结构形成多个弯曲弧。
7.根据权利要求6所述的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，所述多个弯曲弧按照下列任一种方式布置：平行布置、垂直布置、平行且反向弯曲布置、垂直和平行叠加布置。
8.根据权利要求1所述的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，所述弯曲弧采用间隔布置的拉杆和/或拉绳形成。
9.根据权利要求8所述的空间太阳能电站电池阵结构的弯曲刚度与振动性能调控方法，其特征在于，拉杆或拉绳的长度能够动态调整。
10.一种空间太阳能电站电池阵结构，其特征在于，包括：经预弯曲得到的弯曲弧，所述弯曲弧的弯曲轴线平行于电池阵平面，且与所受外部激励或扰动弯矩的方向正交，或夹角超过预设夹角值；所述弯曲弧所对应的圆心角小于预设圆心角，使得太阳光线与电池面之间的夹角在允许范围内。
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