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采用微波方式的宇宙光伏发电系统的大致原理如图2所示。整个系统由太阳能面板和三个子系统构成。分别为(1)微波发生系统,(2)发送天线(宇宙天线),(3)微波接收天线与电力转换系统(整流天线)。微波频率考虑使用5.8GHz频带。
图2微波方式宇宙光伏发电系统的大致原理
利用微波发生器将太阳能电池的直流电转换成微波之后发送出去,通过整流电路将地面接收的微波重新转换成直流电。发送微波时,从接收端发送指示信号来通知准确的位置。
首先,将太阳能面板提供的直流电转换成微波。被人们看好的微波发生器是一种电子管即磁控管。这是因为其构造简单,可以输出高效率微波。而且,宇宙天线可利用放大器将发生器产生的微波传送至天线。放大器考虑使用可高频运行的GaAs类元件、GaN类元件及SiC类元件等。
宇宙光伏发电系统使用相控阵天线(PhasedArrayAntenna)向地面发送放大的微波。相控阵天线是气象雷达及飞机雷达等采用的技术,将多个小型天线排列在一个平面上。其特点是,即便不通过机械方式改变天线的朝向,也能通过错开每个天线的电波相位,精密地控制无线电波的波束角。
进行一般通信时,为了向更多的人发送信息,需要在大范围内发送低密度电波。但微波送电方式为了有效发送能量,需要将电波集中在地面目标(整流天线)上。因此,必须采用能够精密控制波束角的相控阵天线等技术。但这种天线的控制非常困难,因为是由小型天线构成,部材成本也很高。宇宙光伏发电系统必须设置几十亿个小型天线。因此,作为可减少天线数量的替代技术,最近业界正在考虑采用无线LAN等使用的MIMO(multipleinputmultipleoutput)技术。
宇宙天线可向接到指示信号(用来通知整流天线位置)的地方照射电波束。在照射的电波束中,90%以上的微波会到达整流天线。整流天线利用二极管对这些微波进行整流,再利用滤波器进行平滑处理,然后转换成直流电流。
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