空间大功率微波源系统初级源方案分析

通过上面的介绍可知，航天器的各种发电方式和储能方式各有优势，功率密度和能量密度差异很大。在航天器实际应用中，发电方式和储能方式是配合使用的，最常见的是太阳能电池＋蓄电池的组合方式，在目前的航天器中使用率很高。下面从提高功率密度和能量密度出发，简析几种适用于大功率微波源系统的初级源组合方式。

1.太阳能电池＋蓄电池＋超级电容

太阳能电池＋蓄电池是航天器最常见的发电＋储能组合电源系统，该组合系统能量密度高，适合用作长航时航天器的电源系统。但是，这种组合电源系统的功率密度较低，不适宜搭载大功率载荷设备。通过前面的分析，超级电容器与蓄电池在技术性能上具有互补性，通过一定的方式将两种储能技术混合使用，使得混合储能系统同时具有蓄电池能量密度大与超级电容器功率密度大的特点。蓄电池组满足系统平均负载功率需求，超级电容器满足系统峰值功率需求，可使储能装置具有很好的负载适应能力。因此，太阳能电池＋蓄电池＋超级电容的组合电源系统兼具高能量密度和高功率密度的特点，既满足航天器长航时飞行的需求，又满足大功率载荷系统短时间工作的需求。

蓄电池与超级电容器组合的拓扑形式多样，不同形式对电源系统性能有不同的影响。其中，蓄电池组通过功率变换器与超级电容器组并联是一种优化的方式，通过功率变换器对蓄电池组和超级电容器组进行电压匹配，控制蓄电池或超级电容器的放电电流，提高系统性能，并可适应不同负载的需求。功率变换器可以组装在不同的位置［11］，如图8-3 所示。结构1 中超级电容器通过功率变换器与电源母线相连的结构，适用于小功率航天器的脉冲负载；结构2 中蓄电池组、超级电容器分别通过功率变换器与电源母线相连，适用于中小功率、中低频率脉冲负载；结构3 中蓄电池通过功率变换器与电源母线相连，超级电容器直接连在电源母线上，有利于超级电容器输出高峰值功率，适用于大功率脉冲负载。

图8-3　蓄电池与超级电容器通过功率变换器的不同连接方式

（a）结构1；（b）结构2；（c）结构3

2.太阳能电池＋飞轮电池＋蓄电池

采用太阳能电池发电，飞轮电池存储大部分的能量，蓄电池存储小部分的能量。飞轮存储的电能供给一些大功率、短时工作的载荷系统，蓄电池存储的电能供给航天器平台的基础保障系统。太阳电池阵＋储能飞轮＋蓄电池组成的复合电源系统如图8-4 所示。

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图8-4　太阳电池阵＋储能飞轮＋蓄电池组成的复合电源系统

系统中采用的电机是电动机和发电机一体化设计，它与储能飞轮的转轴相连，完成机械能与电能之间的相互转换。在光照期间，太阳电池阵一方面通过蓄电池为负载供电，同时将过剩的电能驱动电动机工作，加速飞轮的转动，实现电能到机械能的转换；在阴影期间，当蓄电池的电能不足以供给航天器系统正常工作时，电机以发电机模式工作，将飞轮的动能慢速转换为电能，通过功率变换器调节后，在给负载供电的同时给蓄电池充电；当大功率负载工作时，飞轮通过发电机快速释放电能，保证大功率负载正常工作的功率需求［12］。

由于飞轮的能量密度和功率密度都比蓄电池大，太阳电池阵＋飞轮电池＋蓄电池组成的复合电源系统采用飞轮替代大部分的蓄电池，可以大大减小电源系统的体积质量，且能满足大功率负载的需求，适合应用在功率需求大的空间站、月球基地等。

3.核能＋飞轮电池

空间核能源动态转换方式具有较高的能量转换效率，它先将热能转换成机械能，再通过机电装置发电。目前，动态转换有三种不同的循环系统：布雷顿（Brayton）循环、兰金（Rankine）循环和斯特林（Stirling）循环。布雷顿循环发电系统的工作原理是核能热源加热惰性气体工质（氖气或氩气）至900 ℃以上，推动涡轮机带动发电机发电，气体做功后经放热压缩，再次进入核能热源加热［13］。

采用动态转换方式的空间核能源，通过控制核反应发热来控制输出功率的难度较大，输出过剩的电能需要较大的存储装置。通过上面分析动态转换的原理发现：动态转换中都有将热能转换成机械能的过程。因此，可以先将核反应热能转换成飞轮的机械能存储起来，在需要的时候通过发电机来发电。核能与飞轮复合电源如图8-5 所示。

图8-5　核能与飞轮复合电源

其工作过程是：核反应产生的热能加热载热工质，载热工质推动涡轮机，带动飞轮旋转，将能量转换成机械能存储到飞轮中，需要时飞轮通过发电机将机械能转换成电能输出。这种组合方式方便对空间核电源产生能量的控制，同时具有储能功能，延长核电源的续航能力，未来在月球基地、深空探测领域都有良好的应用前景。