【摘要】：空間太陽(yáng)能電站(SSPS)是一個(gè)巨大的綠色能源系統(tǒng),其在太空中收集太陽(yáng)能,然后將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,最后將電能以微波形式通過發(fā)射天線傳輸?shù)降厍�。在現(xiàn)有的GW級(jí)SSPS方案中,相控陣微波發(fā)射天線存在尺寸巨大、質(zhì)量上萬(wàn)噸、饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜等問題,導(dǎo)致發(fā)射、建造成本極高,工程實(shí)現(xiàn)難度極大,嚴(yán)重地制約SSPS的工程化實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。為此,本文提出一種SSPS微波發(fā)射天線的小型化設(shè)計(jì)方案,在保證波束收集效率的前提下利用較小口徑的天線得到窄波束,減輕天線質(zhì)量。首先,提出一種基于平面反射陣天線和平面聚焦透鏡的SSPS微波發(fā)射天線方案,發(fā)射天線系統(tǒng)由模塊化設(shè)計(jì)拼裝的平面反射陣-平面透鏡一體化結(jié)構(gòu)、喇叭陣列饋源、連接桁架三部分組成,饋源發(fā)出的微波經(jīng)過透鏡匯聚-反射陣反射-透鏡聚焦最終形成極窄的波束,將能量匯聚在接收平面。本方案具有制造組裝方便、無需復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)、質(zhì)量輕、口徑小的優(yōu)點(diǎn)。其次,以天線質(zhì)量輕、饋電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單、輻射效率高為出發(fā)點(diǎn),按照SSPS小型化微波發(fā)射天線800:1的縮比尺寸,設(shè)計(jì)了可全相響應(yīng)的反射相移單元,并按照拋物面相位分布組成陣列。隨后設(shè)計(jì)了滿足方向圖要求的喇叭饋源,建立平面反射陣天線的仿真模型。仿真結(jié)果顯示平面反射陣對(duì)饋源發(fā)射的微波匯聚效果明顯,天線總效率達(dá)75.2%,達(dá)到了減輕質(zhì)量,簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)的目的。然后,在不增加天線口徑尺寸的前提下,以壓縮波束寬度并保證較高的波束收集效率為出發(fā)點(diǎn),設(shè)計(jì)了低插損、質(zhì)量輕的平面聚焦透鏡,并與平面反射陣天線共同組成SSPS小型化微波發(fā)射天線的縮比仿真模型,仿真結(jié)果顯示經(jīng)透鏡聚焦后半功率波束寬度壓縮比例達(dá)46%。對(duì)于相同的波束寬度,縮比模型的口徑面積僅是平面陣列天線面積的51%,在保證90%以上的波束收集效率的前提下接收天線的面積可大幅縮減。縮比模型質(zhì)量密度僅為4.89kg/m~2,實(shí)現(xiàn)了小型化和輕量化。并分析了支撐梁分布對(duì)一體化平面結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響。最后,基于電磁標(biāo)量繞射理論計(jì)算了本方案提出的GW級(jí)SSPS小型化微波發(fā)射天線的聚焦場(chǎng),并進(jìn)一步計(jì)算了發(fā)射天線的方向圖和波束收集效率,結(jié)果表明相同的天線口徑經(jīng)過透鏡聚焦后波束寬度得到了大幅壓縮,依據(jù)壓窄后的波束寬度相應(yīng)地減小地面接收面積,波束收集效率仍高于90%,驗(yàn)證了方案的有效性。并與國(guó)際上典型的SSPS微波發(fā)射天線方案進(jìn)行了對(duì)比,本方案在輕量化和小型化方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
【圖文】：

圖1.4 太陽(yáng)塔 SSPS 方案概念圖空間太陽(yáng)能電站（ALPHA SSPS）方案A 前工程師 John C. Mankins 提出 ALPHA SSP高度模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)各部分組件可以大行組裝，，這大幅度減小了工程實(shí)現(xiàn)難度，并有光反射鏡、“三明治”夾層結(jié)構(gòu)（包括光伏電池、者的桁架結(jié)構(gòu)組成，收集太陽(yáng)能時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整各在全時(shí)態(tài)下將太陽(yáng)光反射至“三明治”結(jié)構(gòu)上，但復(fù)雜，另外 “三明治”結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的熱問題。

由此造成控制系統(tǒng)復(fù)雜且各個(gè)圓盤之間相互遮擋，為避免圓盤間的遮擋需增加圓盤間的縱向間距，導(dǎo)致傳輸線纜過長(zhǎng)，質(zhì)量巨大。圖1.4 太陽(yáng)塔 SSPS 方案概念圖c）任意相控陣空間太陽(yáng)能電站（ALPHA SSPS）方案2012 年，NASA 前工程師 John C. Mankins 提出 ALPHA SSPS 方案[11]，如圖 1.5所示。該方案采用高度模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)各部分組件可以大規(guī)模采用模塊化生產(chǎn)的方式，然后進(jìn)行組裝，這大幅度減小了工程實(shí)現(xiàn)難度，并有利于減少建造成本。系統(tǒng)由酒杯狀太陽(yáng)光反射鏡、“三明治”夾層結(jié)構(gòu)（包括光伏電池、能量轉(zhuǎn)換裝置和發(fā)射天線）和連接兩者的桁架結(jié)構(gòu)組成，收集太陽(yáng)能時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整各個(gè)反射鏡而無需調(diào)整整體的姿態(tài)便可在全時(shí)態(tài)下將太陽(yáng)光反射至“三明治”結(jié)構(gòu)上，但控制數(shù)千個(gè)反射鏡導(dǎo)致控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，另外 “三明治”結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的熱問題。圖1.5 ALPHASSPS 方案概念圖（2）日本空間太陽(yáng)能電站研究現(xiàn)狀日本對(duì) SSPS 的概念設(shè)計(jì)起步較早
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN827.1;TM615

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2679856