一种无工质消耗的行星悬浮轨道太阳能发电系统及方法

本发明属于航天器应用，具体涉及一种无工质消耗的行星悬浮轨道太阳能发电系统及方法。

背景技术：

1、随着航天技术不断发展，相较于地面光伏系统，空间太阳能发电系统不受地面气象条件制约，有效发电时长显著提升，可实现对地无线能量传输，拓展了太阳能开发利用的空间维度，已成为未来大规模清洁能源领域的重要发展方向。目前，主流空间太阳能发电系统方案大多部署于地球同步轨道，依托微波、激光两类途径完成对地无线能量传输。但该轨道部署方案仍存在诸多不足，制约了空间太阳能发电技术的工程落地与规模化应用。其一，航天器长期在轨运行期间，地球非球形摄动、日月引力摄动、太阳辐射压等多种扰动会持续引发轨道漂移，必须借助化学推进或电推进系统开展轨道维持。两类推进手段均需要携带推进工质，既抬升航天器发射总重量与发射成本，还会因工质最终耗尽丧失轨道保持能力，大幅制约太阳能发电系统的长寿命在轨服役性能。其二，地球同步轨道在每年春分、秋分前后的窗口期内，会每日短暂进入地球阴影，出现星蚀（地食）现象，造成光伏发电短时中断。为保障供电不间断，系统必须配套大容量储能设备或备用供电单元，进而提升整机复杂度与建造投入。其三，地球同步轨道离地高度大，微波波束经长距离传输后发散严重，地面不得不建设大尺寸接收站，造成整体应用成本大幅上升。其四，该轨道区域空间碎片密度较高，系统面临空间碎片撞击的风险，给在轨安全运行带来显著挑战。

2、针对地球同步轨道发电系统的诸多技术挑战，地球悬浮轨道方案成为一种创新思路。该类轨道可脱离传统开普勒轨道约束，通过在轨多力场平衡实现行星上空定点悬浮，通过维持向日定向的悬浮构型可有效规避地食遮挡，同时可灵活选择悬浮高度以优化对地传能链路、降低空间碎片撞击概率，有助于提升空间发电系统的在轨适配性与供电稳定性。然而，地球悬浮轨道属于非天然稳定轨道，无固有轨道约束力维持在轨姿态与位置，系统长期悬浮运行需持续抵消地球引力、空间摄动等干扰力矩与扰动力，对轨道维持、姿态调控的持续性与稳定性要求极高。传统推进方案受工质储量、发射成本、寿命限制，无法适配悬浮轨道长寿命、无间断、低功耗的在轨运行需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服传统推进方案受工质储量、发射成本、寿命限制，无法适配悬浮轨道长寿命、无间断、低功耗的在轨运行需求的问题，提出了一种无工质消耗的行星悬浮轨道太阳能发电系统及方法。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种无工质消耗的行星悬浮轨道太阳能发电系统，包括中心航天器、多根带电绳系以及薄膜太阳能电池；

4、多根带电绳系沿径向布设，带电绳系的内端固接于中心航天器；

5、薄膜太阳能电池铺设于相邻带电绳系之间的区域；

6、中心航天器搭载电子枪、姿态控制单元以及能源管理单元；

7、薄膜太阳能电池与能源管理单元电连接；

8、带电绳系具备至少两种工作模态；

9、姿态控制单元与带电绳系电连接，姿态控制单元调控带电绳系的电参数；

10、发电系统安置并工作于行星悬浮轨道上。

11、进一步地，发电系统整体呈可展开圆盘构型；多根带电绳系以中心航天器为圆心沿周向均匀排布，各带电绳系沿径向向外延伸；

12、发电系统的悬浮轨道参数与结构参数满足如下耦合映射关系：

13、

14、

15、其中，为太阳帆面积，为发电系统的总质量，为目标行星引力常数，为目标行星自转轴与黄道面的夹角，为天文单位处太阳辐射压强，为目标行星质心至发电系统质心的距离，为目标行星的真近点角，为目标行星的自转角速度，为发电系统的帆面倾角。

16、进一步地，中心航天器还搭载高压供电单元；高压供电单元与带电绳系电连接。

17、进一步地，带电绳系设置有闭合导电回路；闭合导电回路的两端均接入高压供电单元；姿态控制单元串联接入闭合导电回路；

18、带电绳系工作于电动力绳模式时，单根带电绳系的电磁推力满足如下关系式：

19、

20、其中，为单根带电绳系的电磁推力，为导电绳系电流，是导电绳系有效长度，是轨道处磁感应强度，是导电绳系与磁场方向夹角。

21、进一步地，薄膜太阳能电池包含多组柔性光伏单元；多组柔性光伏单元拼接形成连续圆形发电面，发电系统可折叠收纳于圆柱筒内。

22、进一步地，各组柔性光伏单元通过柔性互联线缆电连接至能源管理单元。

23、进一步地，姿态控制单元与每根带电绳系分别电连接；姿态控制单元独立调控每根带电绳系的电参数；

24、中心航天器还搭载通信单元。

25、进一步地，带电绳系设置有电动力绳模式与电动帆模式两种工作模态；

26、发电系统工作于具有全球性磁场的目标行星的悬浮轨道上时，带电绳系切换至电动力绳模式，带电绳系通入电流并处于行星磁场中，带电绳系产生洛伦兹力；

27、发电系统工作于不具有全球性磁场的目标行星的悬浮轨道上时，带电绳系切换至电动帆模式，电子枪向带电绳系充入正电荷，带电绳系处于太阳风中，太阳风质子与带正电的带电绳系之间产生库仑静电斥力。

28、第二方面，本发明提供一种无工质消耗的行星悬浮轨道太阳能发电系统的姿轨控制方法，包括如下步骤：

29、采集发电系统的轨道位置信息与姿态角度信息；

30、确定目标行星的磁场属性；

31、根据磁场属性，设定带电绳系的工作模态；

32、根据轨道位置信息与姿态角度信息，生成电参数调控信号；

33、向各带电绳系输出电参数调控信号，调节各带电绳系的运行电参数。

34、第三方面，本发明提供一种行星悬浮轨道太阳能发电与能量传输方法，包括如下步骤：

35、通过薄膜太阳能电池接收太阳辐射，输出光伏电能；

36、将光伏电能传输至能源管理单元；

37、能源管理单元输出第一部分电能至无线能量发射单元，向行星地表传输能量；

38、能源管理单元输出第二部分电能至姿态控制单元与带电绳系。

39、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

40、本发明提出的一种无工质消耗的行星悬浮轨道太阳能发电系统，在充分分析现有同步轨道空间太阳能发电系统的基础上，本发明融合太阳帆与带电绳系无工质运行、结构轻量化、姿态操控便捷等多重优势，本发明具备多项核心优势：系统整体构型轻量化，支持发射折叠收纳与在轨展开；依靠天然空间作用力实现无工质轨道与姿态控制，有效降低发射总质量与发射成本，在轨服役寿命摆脱推进剂携带量的约束；可规避行星阴影造成的光照中断，保障发电持续性与稳定性，省去配置大容量储能设备产生的附加成本；能够灵活优化无线传能路径长度，显著缩减地面接收设施的建设规模；轨道位置可调，可主动规避空间碎片，降低碰撞风险，提升在轨运行安全性；带电绳系可实现双工作模式切换，兼容有全球性磁场、无全球性磁场的各类行星，能够适配太阳系多行星探测与发电任务。