空间高压发电输电及无线能量传输试验验证方案①

0 引言

空间太阳能电站(SPS-Solar power satellite，SSPS-Space solar power station)，是一种在空间将太阳光转化为电力、再通过无线能量传输的方式将能量传输到地面的超大型发电系统。这一概念由美国的Peter Glaser博士于1968年首先提出[1]。国际上在空间太阳能电站领域开展的研究工作已经持续了近50年，由于发展空间太阳能电站这样的超大尺度、超大功率航天器在技术上面临着巨大的挑战，目前世界上还未建成一个空间验证系统，甚至还没有实施开展的空间验证项目。

目前，日本(图1)、美国和国际宇航科学院等均提出了空间太阳能电站分阶段发展路线[2-3]，国内也开展了空间太阳能电站发展规划论证工作，关键技术的空间验证是空间太阳能电站发展的必经阶段，也是标志性阶段，是开展分系统和系统级验证的基础。为了实现在20年左右的时间内开展MW量级系统验证，有必要从2020年逐步开展空间太阳能电站关键技术在轨验证。其中，空间高压大功率发电输电技术和大功率无线能量传输技术是空间太阳能电站需要重点突破的关键技术。

本文面向未来的MW级及GW级空间太阳能电站发展需求，给出了空间高压发电输电及无线能量传输试验初步方案，并且对试验验证的关键技术进行了分析。

  

图1 日本2017年更新的空间太阳能电站发展路线图

 

Fig.1 The updated SSPS roadmap of Japan

1 多旋转关节空间太阳能电站概念

方案创新是空间太阳能电站研究的重点之一。目前，多个国家和组织已提出了几十种电站方案[4-10]，中国空间技术研究院研究团队在2014年提出了一种新型的电站方案，称为多旋转关节空间太阳能电站(MR-SPS，Multi-Rotary joints SPS)[11]，如图2所示。

  

图2 多旋转关节空间太阳能电站

 

Fig.2 Multi-Rotary joints SPS

多旋转关节空间太阳能电站核心是采用模块化设计思想设计了一种新的电站构型，利用多个相互独立旋转的太阳电池子阵接收太阳能并转化成为电能，电能通过多个独立的较低功率的导电旋转关节传输到电力传输母线，电能通过电力传输母线传输到微波发射天线的微波源转化为微波；之后，利用微波发射天线以微波无线能量传输的方式向位于地面相对位置固定的接收天线进行大功率的能量传输，实现连续的供电。整个电站由太阳能收集与转换分系统、电力传输与管理分系统、微波无线能量传输分系统、结构分系统、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组成。该方案不仅解决了传统太阳能电站极大功率导电旋转关节和单点失效的技术难题，同时更易于实现系统的组装和维修。

对于GW级电站，太阳能收集与转换分系统由50个太阳电池子阵(南北各25个)组成，每个太阳电池子阵包括12个太阳电池阵模块。单个太阳电池阵模块输出电压为500 V，12个太阳电池阵模块的电能经过一次升压变换提升至5000 V，通过导电旋转关节传输到主结构后，经过二次升压变换(20 kV)接入电力传输母线；之后，通过两个端口输入到微波发射天线。微波发射天线的输入电功率根据微波源的供电需求再次进行变换和分配。微波无线能量传输分系统主要包括反向波束接收天线、波束相位控制系统、微波源、微波馈电系统和微波发射天线等。由于能量传输距离远，对于波束的指向精度要求非常高，无法通过机械指向来实现，需要构建一个波束反向控制系统，即利用地面接收站向电站发射导引信号，每个天线模块对接收的信号进行处理，以确定其对应的微波相位，从而控制微波发射波束的方向，确保发射波束的指向性及精度[12-13]。

2 空间高压发电输电及无线能量传输试验初步方案

2.1 验证目标

MW级空间太阳能电站作为系统级验证的里程碑节点需要预先开展多项关键技术的在轨验证，以实现技术水平从现有阶段跨越到可以满足MW级空间太阳能电站的需求。空间高压发电输电及无线能量传输试验的目的是面向未来的MW级空间太阳能电站发展需求，结合关键技术发展路线确定在轨验证关键技术的核心技术指标，开展在轨验证。核心技术主要包括：

(1)高压薄膜太阳电池阵技术

发展轻质、高效、高压薄膜太阳电池阵，单阵等效发电功率达50 kW，输出电压达到500 V以上，为未来发展功率达500 kW以上的超高功率太阳电池阵奠定基础。

发展超大型空间展开结构和组装接口，验证超大型模块化结构与大面质比航天器控制技术，为km级尺度超大航天器的构件和控制奠定基础。

(2)空间高压大功率电力传输与管理技术

第四，政治权力的更替必须经过“民”的许可，不得私下授受。既然“民”是政治权力的让渡者，是委托人，那么受托人就不能将权力私自授予他人。权力的变更或者分解必须得到委托人的同意。

发展高压大功率导电旋转关节、高压传输母线、高压电力管理装置等，验证500 V高压大功率电力传输与管理关键技术，为未来发展5000 V以上的超高压大功率电力传输与管理系统奠定基础。

(3)高精度大功率无线能量传输技术

发展高效高精度微波和激光无线能量传输装置，验证基于反向波束控制的kW级高效微波无线能量传输技术、高精度激光无线能量传输技术，为高功率天地间微波无线能量传输和远距离激光无线能量传输验证和应用奠定基础。

(4)超大型模块化结构与控制技术

有感染恶化的IRIS通常为自限性，不用特殊处理而自愈；而表现为潜伏感染出现的IRIS，需要进行针对性的抗病原治疗；严重者可短期应用激素或非甾体类抗炎药控制。激素避免用于卡波西肉瘤患者以及不确定的结核病IRIS患者（即不能排除治疗无效的情况）。CMV感染患者慎用激素，如需要使用，应当采取短程口服治疗。

2.2 系统组成

根据验证目标，重点开展空间高压发电输电及能量传输试验，考虑到系统规模和功率较小，如果开展天地间能量传输，接收功率密度极低，连续传输时间短且难以验证反向波束控制技术。因此，采用航天器间能量传输方式进行验证。

初步设想验证系统由两个航天器组成：一个为验证系统主航天器，主要包括高压大功率发电及传输管理系统、微波无线能量传输系统、激光无线能量传输系统和卫星平台；另一个为能量接收航天器，包括微波接收装置、激光接收装置、卫星平台及载荷，见图3。

The system structure of fault mode is shown in Figure 8. Firstly, the system will determine the system status through the self-test. When in the fault mode, the system will make responses according to the different fault situations automatically.

(1)主航天器

白煞留下和铁卫连夜清理黑旗会分坛，因为与黑旗会博弈须要充裕的银子作基础，所以萧飞羽临走时吩咐将所有值钱的东西带去安和庄，余下的事情交给樊虎带领的伙计。白煞和铁卫搜索发现天问大师和紫阳道长要找的少林俗家弟子之首的白云飞竟然囚禁在地牢里。

主航天器依据技术验证的需求进行整体构型设计，主要为薄膜太阳电池阵、桁架支撑结构及安装在桁架结构上的无线能量传输装置和平台服务设备。

发电系统包括一个高压太阳电池阵和一个中压电池阵。高压电池阵采用薄膜电池阵，供电电压为500 V，名义输出功率为50 kW，阵面积约为150 m2，考虑到任务成本，仅部分面积布设太阳电池(其余部分为模拟电池)，实际输出功率为10 kW。中压电池阵也采用薄膜电池阵，供电电压为100 V，阵面积约为150 m2，部分面积布设太阳电池(其余部分为模拟电池)，实际输出功率为5 kW。

昆明邮区中心局是云南省省际、省内进出口邮件的集散中心，连接省内外邮路的运输中心和全省邮件生产基地，负责全省进、出口党报党刊等普遍服务邮件、盲人读物、义务兵信函等特殊服务邮件及电商邮件集散处理，同时承担着云南邮政商业信函等业务的制作、仓储、分发、运输工作。目前拥有邮运车辆91辆，一级干线汽车邮路6条，覆盖全国7个省市，一级干线火车邮路4条，二级干线汽车邮路46条，覆盖全省14个州市、56个县市。

微波无线能量传输系统包括反向波束接收天线、波束相位控制系统、微波源、微波馈电和微波发射天线组成。微波发射天线尺寸初定为4 m×4 m，发射微波功率5 kW。

VR技术是计算机技术、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、传感器技术、通信技术等现代科技最新的发展成果[7]。伴随中国社会整体由农业社会、工业社会向后工业社会演进，社会矛盾日趋复杂，警察执法面临空前的复杂性和不确定性。人们通过科学分析，在把握社会发展以及科学规律的基础上，能够运用VR技术建构出贴近公安实战场景以及执法情景，为公安教育训练提供新方向、新思路。伴随VR技术的发展及成熟，VR与真实世界的界限渐趋模糊，VR技术甚至有望增强真实训练场景的教育训练效果。面对VR技术内涵的丰富性，VR技术应用于公安实训宜在深入交流研讨的基础上，按照从易到难、先重点后一般的思路循序推进。

激光无线能量传输系统包括激光器、激光指向控制系统和激光发射装置等组成。激光发射望远镜口径约为0.2 m，发射激光功率1 kW。

  

图3 空间高压发电输电及无线能量传输试验验证系统组成

 

Fig.3 The composition of space high voltage power transmission and WPT experiment system

(6)调整能量接收航天器和主航天器的位置和姿态，实现微波发射天线和微波接收天线的精确对准，开展微波无线能量传输技术验证；

能量接收航天器依据技术验证的需求要求具有一定的变轨和变姿能力，用于调整与主航天器间的距离和姿态。主试验载荷包括微波能量接收装置和激光能量接收装置，并且配置一定的应用载荷。

微波能量接收装置包括微波接收天线、整流电路、导引波束发射天线和电力调节设备。

(a) 激光器电光转换效率40%；

激光能量接收装置包括激光接收阵列、激光指向校准装置和电力调节设备。

2.3 主要技术指标

2.3.1 主航天器

(1) 运行轨道：太阳同步轨道

(2) 空间微波无线能量发射系统

(a) 微波转化效率70%；

(b) 微波发射功率5 kW；

(c) 波束指向精度0.01°。

(3) 空间激光无线能量发射系统

本次研究数据整理后用SPSS22.0软件进行统计学处理,计数资料以(n%)进行表示,计量资料经(±s)进行表示,检验水准经P<0.05对结果的论述,并证实结果具有统计学意义。

1.1 对象 安徽中医药大学2016级中西医临床专业本科1班和2班，共120人。高等学校入学招生考试录取后随机分班，选择1班作为实验组(翻转课堂组)，2班作为对照组(传统教学组)，每组60人。实验组平均年龄(18.48±0.89)岁，对照组平均年龄(18.51±0.87)岁，两组在年龄、性别、入学成绩的比较差异均无统计学意义。

(b) 激光器发射功率1 kW；

另外，国家实行用水总量、用水效率、水功能区限制纳污“三条红线”控制，核定江西2015年、2020年和2030年用水总量控制指标分别为250 亿 m3、260 亿 m3和 264.63 亿 m3。近年江西省用水总量已接近或超过国控指标。超出国控指标将面临区域限批，直接影响重大项目审批立项。

(c) 光束指向精度0.001°。

(4) 空间高压超大功率电力传输与管理系统

(a) 电池阵等效发电功率100 kW；

(b) 高压电池阵发电功率10 kW；

(c) 高压电池阵供电电压500 V；

(d) 中压电池阵发电功率5 kW；

(e) 中压电池阵供电电压100 V；

(f) 导电旋转关节传输效率≥99%；

(d) 高压变换等级500 V /1000 V；500 V /100 V；

再次，要有底线。中国共产党从民主革命时期走到现在，经历了各种艰难困苦，特别是在和平年代，社会主义市场经济的飞速发展使一些不良思想有一定抬头，这就要求思想的坚定和政治信仰的坚定就非常重要了。所以，这就意味着每一名党员必须要牢固树立底线意识，作为青年学生，在日常工作、生活中，我始终坚守底线，要有自己的原则，坚持自己的政治信仰，要立志为社会主义事业贡献自己的力量。

(e) 高压变换效率≥96%。

2.3.2 接收航天器

(3) 微波接收功率500 W；

(1) 运行轨道：太阳同步轨道(与主航天器保持跟飞状态，距离为1～10 km)；

为了巩固学生对这个结论的认识与理解，继续追问：如果这条线往上或往下移一下（课件演示），这两个图形发生什么变化了？周长呢？

(2) 微波传输距离1 km；

(5)生物工程：加强流域植被保护和水土保持，采取必要的生物工程，在滑坡、崩塌堆积物上尽快恢复植被，加强流域生态环境的保护，尽可能地使现有的固体松散物质就地稳定下来，减少向下游输移的固体物质数量。

(4) 激光传输距离10 km；

(5) 激光接收功率300 W。

2.4 试验过程

该试验采用一箭双星的方式将两个航天器发射进入预定轨道(初定为太阳同步轨道)，入轨后两个模块分离，能量接收航天器利用自身的能力进行变轨实现与主航天器的编队飞行(见图4)。主航天器太阳电池阵、结构和微波发射天线按计划展开，能量接收航天器太阳电池阵、微波接收天线和激光接收阵列按计划展开。主要验证过程如下：

(1)高压电池阵正常工作，验证高压太阳电池阵和高压大功率导电旋转关节的性能；

太阳电池阵的输出功率分别通过两个导电旋转关节(滚环式)将电力传输到两条母线上。其中，高压电池阵通过高压导电旋转关节将电力传输到高压母线上(500 V)，根据试验需求进行电压变换用于微波无线能量传输系统的供电以及电推力器的供电。中压电池阵通过中压导电旋转关节将电力传输到中压母线上(100 V)，根据试验需求进行电压变换用于激光无线能量传输系统的供电、电推力器的供电以及其他服务系统的供电。

(2)进行高压大功率电力传输及变换，验证空间高压电力传输和大功率变换技术的有效性；

(3)进行微波发射系统的在轨测试，验证微波发射系统的正常工作；

(4)进行激光发射系统的在轨测试，验证激光器的正常出光；

(5)调整能量接收航天器和主航天器的相对位置和姿态，实现激光发射望远镜和激光能量接收装置的精确对准，开展激光无线能量传输技术验证；

(2)能量接收航天器

(7)启动微波反向波束控制模式，通过能量接收航天器发射的导引信号，调整微波发射系统的波束，实现基于反向波束的高精度微波能量传输；同时，对于能量接收航天器进行姿态和位置的动态调整，以验证微波反向波束控制技术的有效性；

(8)开展长期的能量传输应用，能量接收航天器应用载荷开始长期工作；

(9)扩展任务。进行空间到地面的无线能量传输，研究能量传输与电离层的相互作用，验证极弱功率密度下的微波接收整流技术。可以考虑国际合作，进行联合试验。

第三，信息来源。在保健食品信息寻求方面，有研究指出，标签说明、专业人士(包括医生和营养师)，以及亲朋好友被认为是营养和健康信息的可靠来源，虽然广告媒体也是信息传播的主要载体，但是它们也是民众最不信任的来源[28]。当前的研究频频报道健康专业人员的影响力会增加保健食物的消费，这表明卫生专业人员的建议有可能影响老年人的保健食物消费，是可靠和值得信赖的保健食品来源[29]。由于健康信息可以影响消费者对保健食品的接受程度，信息来源的可信度对老年消费者客观理性的理解保健食品并接受它就显得尤为重要。

  

图4 试验系统示意图

 

Fig.4 The scheme of the experiment system

3 关键技术分析

(1)高功率薄膜太阳电池阵技术

验证单阵等效发电功率达50 kW以上的薄膜电池阵技术。拟采用发电效率达到30%的多结薄膜砷化镓电池，考虑80%的布片效率，对应的电池阵的有效面积应达到150 m2(实际布片面积根据发电功率需求确定)。面密度考虑为500 g/ m2(包括基底、防护层和线路)，对应质量为75 kg，考虑展开结构机构25 kg，则单个电池阵总重为100 kg，对应的比功率为500 W/kg。

(2)高压太阳电池阵技术

验证空间500 V高压发电技术。重点应研究空间环境下高压大尺度薄膜电池阵的充放电机理，发展特殊的薄膜电池充放电监测和防护技术，同时在电路设计上，要尽可能减小局部放电失效对整个电池阵的影响。

(3)空间高压大功率电力传输技术

发展500 V工作电压导电旋转关节，导电旋转关节名义传输功率最大可达100 kW，单环最大传输电流20 A；发展500 V传输母线，验证高压大功率远距离电力传输能力；发展高压电力变换装置，实现500 V/1000 V及500 V/100 V的电力变换。

(4)空间高效激光能量传输技术

验证空间高效激光能量传输技术。发展电光转换效率达40%的激光器、光电转换效率达60%的光电器件以及0.001°高精度指向系统，验证空间1 kW级、10 km级高精度激光传输技术，实现超过300 W的电力接收，为空间远距离激光无线供电应用奠定基础。

(5)高精度微波无线能量传输技术

验证大功率高精度微波能量传输技术。发展微波转换效率达70%的微波源、转化效率达75%的微波整流器件以及0.01°反向波束导引控制系统，验证空间5 kW级、1 km级的大功率微波能量传输技术，实现超过500 W的电力接收，为高精度远距离微波无线能量传输应用奠定基础。

(6)超大型结构在轨展开与控制技术

验证系统需要整体发射、在轨展开，作为一个构型特殊的航天器，涉及到大型薄膜电池阵的展开、带电缆桁架结构的展开以及微波发射天线的展开，同时作为一个大面质比航天器，需要较复杂的分布式姿态和轨道控制，相关技术对未来的MW级电站的设计具有重要的参考价值。

4 结束语

关键技术的空间验证是空间太阳能电站发展的必经阶段，也是标志性阶段，是开展分系统和系统级验证的基础。其中，空间高压大功率发电输电技术和大功率无线能量传输技术是空间太阳能电站需要重点突破的关键技术。本文面向未来的MW级及GW级空间太阳能电站发展需求，给出空间高压发电输电及无线能量传输试验初步方案，并对试验验证的关键技术进行分析，预期将验证以下关键技术：

(1)500 V、50 kW级薄膜太阳电池阵技术；

(2)500 V空间高压大功率电力传输技术；

(3)空间1 kW、10 km级高精度激光传输技术；

(4)5 kW、1 km级的大功率微波能量传输技术；

(5)超大型结构在轨展开与控制技术。

参考文献：

[1] Peter E Glaser.Power from the Sun: its future[J].Science,1968,162: 867-886.

[2] Shoichiro Mihara,Koji Tanaka.The current status of microwave power transmission for SSPS and industry application[C]//The 68th International Astronautical Congress,Adelaide,Australia,September 25-29,2017.

[3] John C Mankins.Space solar power: The first international assessment of space solar power: opportunities,issues and potential pathways forward[R].International Academy of Astronautics,2011.

[4] John C Mankins.A fresh look at space solar power: New architectures,concepts and technologies[C]//The 48th International Astronautical Congress,Turin,Italy,October 6-10,1997.

[5] Susumu Sasaki,Koji Tanaka,Ken Higuchi.A new concept of solar power satellite: Tethered-SPS[J].Acta Astronautica,2006,60:153-165.

[6] Seboldt W,Klimke M.European sail tower SPS concept[C]//The 51th International Astronautical Congress,Rio de Janeiro,Brazil,October 2-6,2000.

[7] Sysoeva V K,Pichkhadze K M.Concept development for a space solar power station[J].Solar System Research,2012,46(7): 548 - 554.

[8] John C Mankins.SPS-ALPHA: The first practical solar power satellite via arbitrarily large phased array[R].Artemis Innovation Management Solutions LLC.2012.9.

[9] 杨阳,段宝岩,黄进,等.OMEGA型空间太阳能电站聚光系统设计[J].中国空间科学技术,2014,34(5):18-23.

[10] Li Xun ,Duan Baoyan ,Song Liwei,etal.A new concept of space solar power satellite[J].Acta Astronautica,2017,136:182-189.

[11] 侯欣宾,王立,张兴华,等.多旋转关节空间太阳能电站概念方案设计[J].宇航学报,2015,36(11):1332-1338.

[12] 侯欣宾.空间太阳能电站及其对微波无线能量传输技术的需求[J].空间电子技术,2013,10(3):1-5,32.

[13] 董亚洲,董士伟,王颖.空间微波能量传输发射天线自适应幅相校准方法[J].空间电子技术,2013,10(3):16-19,32.