CN116002081A - 一种应用于卫星的能量管理方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于卫星的能量管理方法、装置及系统，包括：在卫星运行的第一阶段，利用太阳翼将太阳能转换为电能；利用电能控制动能装置旋转，以将电能转化为动能进行存储；在所述卫星运行的第二阶段，将所述动能装置存储的动能转换为电能；通过动能装置在第一阶段将电能转换为机械能储存，并在第二阶段将机械能转换为电能释放，从而代替了现有的能量系统中的蓄电池，满足了卫星在第二阶段的能量供应；并且不存在储能释放次数的限制，不在制约卫星的整体使用寿命。

Description

一种应用于卫星的能量管理方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，尤其涉及一种应用于卫星的能量管理方法、装置及系统。

背景技术

目前人造卫星的能量系统的核心，多为蓄电池和太阳翼。在卫星沿圆形轨道绕地球运动的过程中，通常有半个周期位于地球和太阳之间。期间太阳翼能够接收到太阳能，并进一步的转化为电能。这部分电能用于向卫星供能，也用于向蓄电池充电。在另外半个周期，卫星处于地球的阴影当中，无法接收到太阳能，因此太阳翼无法继续向卫星供能。此时将释放蓄电池中存储的电能，代替太阳翼向卫星供能。如此循环，保证了卫星在整个周期上的能量供应。

可见在上述的能量系统当中，蓄电池在卫星运行的每个周期都需要经历一次充放电。而在蓄电池的生命周期中，充放电的次数是固定的。当蓄电池的充放电达到额定次数，便会失去正常功能。一般这也意味着该卫星的使用寿命结束。所以现有技术的缺陷在于，由于能量系统的设计原理迫使蓄电池频繁的充放电，导致蓄电池的使用寿命缩短，进而制约了卫星整体的有效工作时长。

发明内容

本发明提供一种应用于卫星的能量管理方法、装置及系统，利用动能装置实现能量存储。

第一方面，本发明提供了一种应用于卫星的能量管理方法，包括：

在卫星运行的第一阶段，利用太阳翼将太阳能转换为电能；利用电能控制动能装置旋转，以将电能转化为动能进行存储；

在所述卫星运行的第二阶段，将所述动能装置存储的动能转换为电能。

优选的，所述动能装置具体为：所述卫星搭载的动量轮；

所述动量轮包括，磁体和转子；所述转子处于所述磁体形成的磁场中，所述转子上缠绕有金属导线。

优选的，所述利用电能控制动能装置旋转包括：

利用电能向所述转子上缠绕的金属导线输入电流，以使所述转子在电流和磁场产生的电磁力作用下旋转。

优选的，所述将所述动能装置存储的动能转换为电能包括：

利用所述转子上缠绕的金属导线在磁场中旋转形成感应电流，并利用所述转子上缠绕的金属导线输出感应电流。

优选的，所述卫星运行的第一阶段包括：

所述卫星位于地球与太阳之间的阶段。

优选的，所述卫星运行的第二阶段包括：

地球位于所述卫星与太阳之间的阶段。

优选的，还包括：

在所述第二阶段，利用所述动能装置由动能转换的电能向所述卫星供能。

第二方面，本发明提供了一种应用于卫星的能量管理系统，包括：太阳翼和动能装置；

所述太阳翼用于，在卫星运行的第一阶段吸收太阳能，并将太阳能转换为电能；

所述动能装置用于，在所述卫星运行的第一阶段基于电能控制以进行旋转，将电能转化为动能存储；并在所述卫星运行的第二阶段将存储的动能转换为电能输出。

优选的，所述动能装置具体为：所述卫星搭载的动量轮；

所述动量轮包括，磁体和转子；所述转子处于所述磁体形成的磁场中，所述转子上缠绕有金属导线。

第三方面，本发明提供了一种应用于卫星的能量管理装置，包括：

第一转换模块，用于在卫星运行的第一阶段，利用太阳翼将太阳能转换为电能；利用电能控制动能装置旋转，以将电能转化为动能进行存储；

第二转换模块，用于在所述卫星运行的第二阶段，将所述动能装置存储的动能转换为电能。

本发明提供了一种一种应用于卫星的能量管理方法、装置及系统，通过动能装置在第一阶段将电能转换为机械能储存，并在第二阶段将机械能转换为电能释放，从而代替了现有的能量系统中的蓄电池，满足了卫星在第二阶段的能量供应；并且不存在储能释放次数的限制，不在制约卫星的整体使用寿命。

上述的非惯用的优选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种应用于卫星的能量管理方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种应用于卫星的能量管理系统的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种应用于卫星的能量管理装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在卫星沿圆形轨道绕地球运动的过程中，通常有半个周期位于地球和太阳之间，本发明中可将此半个周期称为第一阶段。在第一阶段中，太阳翼能够接收到太阳能，并转化为电能。这些电能中的一部分用于直接向卫星供能，以满足卫星的正常工作所需；另一部分用于向蓄电池充电，以作为存储。

第一阶段结束后，卫星的运行进入另外半个周期，本发明中可将此另外半个周期称为第二阶段。在第二阶段中，卫星进入地球的阴影当中，无法接收到太阳能，因此太阳翼无法继续产生电能。此时需要释放蓄电池中存储的电能，代替太阳翼向卫星供能，以满足卫星的正常工作所需。如此直到第二阶段结束，卫星将重新进入第一阶段。第一阶段和第二阶段构成一个完整的卫星运行周期。该周期中通过蓄电池的充放电，保证了不间断的能量供应。

在设计上为了减轻卫星重量，通常会选用容量尽可能小的蓄电池。即要求蓄电池完全充电后所存储的能量，恰好可以满足卫星在第二阶段的需求，不宜预留过多冗余。这也就是说，蓄电池将在第二阶段完全放电，并在第一阶段完全充电，每个周期都是一个接近100％的完全充放电。

在蓄电池的生命周期中，完全充放电的次数是固定的。蓄电池的完全充放电达到额定次数便会失效。而大多数卫星并不可以单独的更换蓄电池。所以一旦蓄电池失效，也就意味着卫星的报废。可见，蓄电池的使用寿命会直接的制约卫星的使用寿命。

假定蓄电池额定的完全充放电次数是n次。那么按照上述能量系统的设计原理，卫星运行n个周期之后蓄电池便会到达充放电额定次数从而失效，卫星整体的使用寿命也会结束。若要延长卫星的使用寿命，则只能在设计上加大蓄电池的容量，预留更多冗余；使得蓄电池不需要每个周期都进行完全充放电，而只需进行部分充放电。这样一来，蓄电池可正常运行超过n个周期。但是蓄电池的重量也必然随之增加，违背了尽可能减轻卫星重量的设计初衷。

由此可见，现有技术中以蓄电池和太阳翼为核心的能量系统，蓄电池的使用寿命极大的制约了卫星的使用寿命。并且蓄电池的使用寿命和卫星整体重量存在取舍上的矛盾。

有鉴于此，本发明提供一种应用于卫星的能量管理方法。参见图1所示，为本发明提供的能量管理方法的具体实施例。本实施例中，所述方法包括：

步骤101、在卫星运行的第一阶段，利用太阳翼将太阳能转换为电能；利用电能控制动能装置旋转，以将电能转化为动能进行存储。

本步骤中的第一阶段，同样指卫星位于地球与太阳之间的阶段；也就是在卫星沿圆形轨道绕地球运动的过程中，位于地球和太阳之间的半个周期。在第一阶段太阳翼能够接收到太阳能，并转化为电能。这些电能中的一部分用于直接向卫星供能，以满足卫星的正常工作所需，与现有技术相同。不同于现有技术的是，本实施例中不在以电能的形式进行能量存储，也就是不再在第一阶段中利用蓄电池充电以储存能量。

在本实施例中，第一阶段将利用动能装置存储能量。动能装置在储能过程中的原理类似于电动机。也就是说，在太阳翼通过太阳能产生电能之后，可以根据电能驱动动能装置旋转。具体的说，动能装置中可以包括磁体和转子。转子处于磁体形成的磁场中，并且转子上缠绕有金属导线。利用电能向转子上缠绕的金属导线输入电流，便可在电磁感应的作用下产生作用于转子上的电磁力，以使得转子在电磁力作用下旋转。

可以理解的是，转子旋转意味着其本身具有了一定的动能。并且在惯性作用下，金属导线上的电流输入结束之后转子仍将继续旋转，也就是继续保持动能的存在。由此达到了以动能的形式存储能量的目的。

该动能装置可以是卫星上搭载的动量轮。动量轮是卫星上通常会搭载的一种装置。其作用是基于角动量守恒定律，通过自身的旋转以控制卫星整体的姿态，在此无需赘述。动量轮的结构符合上述所描述的动能装置的特性。即包括了磁体和转子。转子处于磁体形成的磁场中，并且转子上缠绕有金属导线。或者说，动量轮本身便具有储存动能的前提条件。本实施例中选择动量轮直接作为动能装置，可以避免在卫星上额外的安装硬件，从而不增加卫星整体的重量。

步骤102、在卫星运行的第二阶段，将动能装置存储的动能转换为电能。

本步骤中的第二阶段，同样指地球位于卫星与太阳之间的阶段，也就是在卫星沿圆形轨道绕地球运动的过程中，进入地球阴影的另外半个周期。在第二阶段，太阳翼无法接收到太阳能，无法继续产生电能。所以需要释放动能装置中存储的动能，以满足卫星的正常工作所需。

动能装置在能量释放过程中的原理类似于电动机。进入第二阶段后，动能装置的转子在惯性作用下继续旋转。转子上缠绕的金属导线在磁场中旋转便可以形成感应电流。感应电流会通过金属导线输出。从而实现了动能到电能的转换。利用动能装置由动能转换的电能便用于向卫星供能。

由此可见在动能装置的结构之下，储能阶段其可以产生类似电动机的效果，在电能作用下旋转以积累动能；在释放阶段其又可以产生类似发电机的效果，基于旋转将动能重新转换为电能。从而使得动能装置能够代替现有技术中的蓄电池。且根据上述原理可以推测，动能装置的储能释放次数不受到限制。只要硬件结构不发生损坏，动能装置便可以持续进行储能和释放。

还需要说明的是，本实施例中将应用场景限定为卫星，是从实际应用的角度进行考虑。若该动能装置至于地表，则该电能-动能-电能的转换过程的整体效率极低，预计只有10％左右。虽然其在理论上依然可以成立，但是在实际应用中几乎不存在价值。但在卫星所处的太空环境下，动能装置至于失重和真空之中，不再受到重力导致的机械摩擦和空气阻力的影响，能量转化效率将大大提高，从而具备了实际应用的可能性。同时，本实施例中优选的直接利用卫星上的动量轮作为动能装置，避免了额外的硬件设备。属于对于现有硬件设备的全新应用，实现了意想不到的功能和效果。

通过以上技术方案可知，本实施例存在的有益效果是：通过动能装置在第一阶段将电能转换为机械能储存，并在第二阶段将机械能转换为电能释放，从而代替了现有的能量系统中的蓄电池，满足了卫星在第二阶段的能量供应；并且不存在储能释放次数的限制，不在制约卫星的整体使用寿命。

参见图2所示，为本发明所述应用于卫星的能量管理系统的一个具体实施例。本实施例中系统搭载于图1所示实施例中所涉及的卫星。本实施例中，所述系统包括，太阳翼10和动能装置20。

太阳翼10，用于在卫星运行的第一阶段吸收太阳能，并将太阳能转换为电能。

在第一阶段，太阳翼能够接收到太阳能，并转化为电能。这些电能中的一部分用于直接向卫星供能，以满足卫星的正常工作所需。另一部分电能则用于驱动动能装置20旋转，以将电能转换为动能存储在动能装置中。

动能装置20，用于在卫星运行的第一阶段基于电能控制以进行旋转，将电能转化为动能存储；并在卫星运行的第二阶段将存储的动能转换为电能输出。

具体的说，动能装置20中可以包括磁体21和转子22。转子22处于磁体21形成的磁场中，并且转子22上缠绕有金属导线23。

在第一阶段，利用电能向转子22上缠绕的金属导线23输入电流，便可在电磁感应的作用下产生作用于转子22上的电磁力，以使得转子在电磁力作用下旋转。转子22旋转意味着其本身具有了一定的动能。并且在惯性作用下，金属导线23上的电流输入结束之后转子22仍将继续旋转，由此达到了以动能的形式存储能量的目的。

在第二阶段，转子22在惯性作用下继续旋转。转子22上缠绕的金属导线23在磁场中旋转便可以形成感应电流。感应电流会通过金属导线23输出。从而实现了动能到电能的转换。转换得到的电能可用于向卫星供能。

通过以上技术方案可知，本实施例存在的有益效果是：通过动能装置在第一阶段将电能转换为机械能储存，并在第二阶段将机械能转换为电能释放，从而代替了现有的能量系统中的蓄电池，满足了卫星在第二阶段的能量供应；并且不存在储能释放次数的限制，不在制约卫星的整体使用寿命。

如图3所示，为本发明所述应用于卫星的能量管理装置的一个具体实施例。本实施例所述装置，即用于执行图1所述方法的实体装置。其技术方案本质上与上述实施例一致，上述实施例中的相应描述同样适用于本实施例中。本实施例中所述装置包括：

第一转换模块301，用于在卫星运行的第一阶段，利用太阳翼将太阳能转换为电能；利用电能控制动能装置旋转，以将电能转化为动能进行存储。

第二转换模块302，用于在卫星运行的第二阶段，将动能装置存储的动能转换为电能。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或软件和硬件相结合的形式。

本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于卫星的能量管理方法，其特征在于，包括：

在卫星运行的第一阶段，利用太阳翼将太阳能转换为电能；利用电能控制动能装置旋转，以将电能转化为动能进行存储；

在所述卫星运行的第二阶段，将所述动能装置存储的动能转换为电能。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述动能装置具体为：所述卫星搭载的动量轮；

所述动量轮包括，磁体和转子；所述转子处于所述磁体形成的磁场中，所述转子上缠绕有金属导线。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述利用电能控制动能装置旋转包括：

利用电能向所述转子上缠绕的金属导线输入电流，以使所述转子在电流和磁场产生的电磁力作用下旋转。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述将所述动能装置存储的动能转换为电能包括：

利用所述转子上缠绕的金属导线在磁场中旋转形成感应电流，并利用所述转子上缠绕的金属导线输出感应电流。

5.根据权利要求1～4任意一项所述方法，其特征在于，所述卫星运行的第一阶段包括：

所述卫星位于地球与太阳之间的阶段。

6.根据权利要求1～4任意一项所述方法，其特征在于，所述卫星运行的第二阶段包括：

地球位于所述卫星与太阳之间的阶段。

7.根据权利要求1～4任意一项所述方法，其特征在于，还包括：

在所述第二阶段，利用所述动能装置由动能转换的电能向所述卫星供能。

8.一种应用于卫星的能量管理系统，其特征在于，包括：太阳翼和动能装置；

所述太阳翼用于，在卫星运行的第一阶段吸收太阳能，并将太阳能转换为电能；

所述动能装置用于，在所述卫星运行的第一阶段基于电能控制以进行旋转，将电能转化为动能存储；并在所述卫星运行的第二阶段将存储的动能转换为电能输出。

9.根据权利要求8所述系统，其特征在于，所述动能装置具体为：所述卫星搭载的动量轮；

所述动量轮包括，磁体和转子；所述转子处于所述磁体形成的磁场中，所述转子上缠绕有金属导线。

10.一种应用于卫星的能量管理装置，其特征在于，包括：

第一转换模块，用于在卫星运行的第一阶段，利用太阳翼将太阳能转换为电能；利用电能控制动能装置旋转，以将电能转化为动能进行存储；

第二转换模块，用于在所述卫星运行的第二阶段，将所述动能装置存储的动能转换为电能。

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