空间太阳能电站系统微波激射器关键技术研究

发布时间：2020-06-15 09:08

【摘要】：空间太阳能电站(SSPS)是一种在地球同步轨道上运行的、作为发电站的卫星。具有不受气候影响、输出功率高、发电效率高以及安全稳定等特点,在可持续能源领域具有很大的发展前景。现有SSPS方案中实现远距离高密度的能量发射和接收的微波发射天线面积都在公里量级,质量上万吨,如此巨大的尺寸和质量成为了SSPS最主要的技术瓶颈,严重制约了SSPS的工程应用。微波激射器作为一种微波放大激射装置,是一种解决远距离无线能量传输的途径。但是现有的微波激射器应用于SSPS时,存在输出功率和效率较小以及如何将谐振腔中的微波激射出去的问题,这些都限制了微波激射器在SSPS中的应用发展。本文针对微波激射器在SSPS系统应用中,功率和效率较低并且激射的微波方向性差的问题,提出了一种改善输出特性的调节品质因数(Q)方案,设计了一种微波激射器的结构。首先,研究了泵浦材料在谐振腔中产生自发辐射和受激辐射等物理过程,基于爱因斯坦的唯象理论建立了微波激射器受激辐射的速率方程组模型,得到微波激射器粒子数变化和输出功率这两个关键输出特性。其次,针对微波激射器功率和效率较低的问题,提出了一种微波激射器谐振腔的调Q方法,建立了一种基于调Q方法的受激辐射模型,计算和仿真结果显示调Q方法在原有微波激射器的基础上峰值功率提高了37.7701倍,效率提高了101.5177倍,一定程度上解决了峰值功率和效率较低的问题。接着设计了一种微波激射器的机械调Q方案,并给出了机械调Q方案的电磁仿真及有限元仿真分析结果,分别从功能实现和结构精度上验证了方案的可行性。然后,以微波激射器如何“激射”谐振腔中电磁波为出发点,基于激光器和法布里珀罗天线的工作原理,提出了一种包含开放式微波谐振腔、介质覆层反射面的微波激射器结构形式,并通过三维电磁仿真软件以及自再现模等方式对这种准光腔腔体以及反射面进行仿真分析,解决了微波激射器如何激射方向性好,频率单一的平面波的问题。最后,围绕包含增益介质以及谐振腔的微波激射器整体仿真困难这一问题,提出了用蒙特卡罗结合射线追踪的方法,建立了自发辐射的概率模型以及参数方程,并编写仿真程序,得到了不同样本时的归一化方向图,结果显示这种微波激射器结构相比于谐振腔可以有效的实现微波的放大与激射,为SSPS系统的无线能量传输提供了一种新的途径。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM615
【图文】：

一次能源消费,占比

第一章绪论存和发展的重要物质基础，随着人类生世纪全球人口数量增长了 4 倍，而能源消今天，能源问题已经上升到了国家的高第 67 版《BP 世界能源统计年鉴（2018 量占一次能源消费总量的 85.5%以上，2，可见虽然可再生能源占比有一定的提主的不可再生能源。然而化石燃料作为，其储量并不能维持很久。此外化石燃变暖，造成一系列环境问题[3]-[4]。

概念图,微波,发射天线,接收天线

[11]）。图1.2 一种 SSPS 概念图无线能量传输技术作为 SSPS 的中间一环，对于 SSPS 的实现和应用有着重要的影响。目前关于无线能量传输的方式主要有两种：激光和微波。激光的优势是能量密度较大，用于发射和接收的装置较小，但是受天气影响问题较为严重，稳定性不好[12]。而微波相比于激光则没有这些缺点，在大气窗口的频段处，微波在空气中的传输损耗较小，大气层对于微波的吸收率低于 2%，收集效率较高[13]-[14]，所以相对于激光，采用相控阵天线发射的微波更适合 SSPS 的超远距离无线能量传输。根据弗里斯（Friis）传输公式可知，发射天线和接收天线之间的能量传输效率与发射天线和接收天线的口径面积rA 及tA 成正比；和发射天线与接收天线的间距 D 的平方成反比

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