空间太阳能电站高温超导电缆力-电-热耦合研究

In Space Solar Power Station (SSPS), the heavy power conversion equipment required by conventional conductor power transmission systems can be eliminated by utilizing high temperature superconducting (HTS) power cables in electric power transmission from photovoltaic solar cells to microwave emitter, because HTS power cables can transport large direct current (DC) without resistance. The high launch cost is then economized by using HTS power cables in SSPS. In the present project, we aims to the mechanical problems involved in the applications of HTS power cables under the high vacuum and super low-temperature (4 K) conditions in SSPS. The theoretical mechanical-electrical-thermal coupling model will be established for HTS tapes. The interaction forces between HTS tapes and the characteristic of thermal diffusion in tapes can be obtained using the model. The special configurations of HTS power cables in SSPS can be optimized using those analysis results. The deformation and temperature changes in HTS power cables will be studied at over-current cases. This project is valuable in clarifying some key problems including the ability of current carrying, energy losses, temperature changes, and strains in HTS tapes and power cables under the space conditions. The research results can provide some theoretical foundations and technical basis for the application of HTS DC power cables in SSPS.

高温超导电缆能够无阻承载直流大电流，将其应用于空间太阳能电站电池组与微波发射器之间进行电能传输，可以省去常规电缆传输时所必须的庞大升降压设备，节省了火箭发射成本。本项目拟对在高真空、超低温（4K）空间太阳能电站中应用高温超导电缆所涉及的力学问题展开研究，建立太空环境下高温超导带材的力-电-热耦合模型，通过分析带材间的相互作用力和热扩散规律，优化高温超导电缆在空间太阳能电站中使用的特殊构型，并分析大电流冲击下电缆的变形和温升特性。本项目的实施将有利于解决高温超导带材及其绕制的直流电缆在太空环境下运行的载流、损耗、温度变化和力学形变等关键问题，为高温超导直流电缆在空间太阳能电站的应用提供理论基础和技术依据。

与常规铜电缆相比，高温超导电缆能够承载大电流且热损耗较低，将其应用于空间太阳能电站电池组与微波发射器之间进行电能传输，可以省去常规电缆传输时所必须的庞大升降压设备，节省了火箭发射成本。虽然超导电缆的研究已有较多的报道，但是都是针对于地面环境的应用，故均采用低温液体（如：液氮、液氦等）浸泡冷却方式，到目前为止未见国内外其他研究者关于传导冷却超导电缆的研究报道。本项目针对在高真空、超低温空间太阳能电站中应用高温超导电缆所涉及的力、电、热特性，展开理论与实验相结合的系统研究。在理论方面，将高温超导电缆等效为不同材料组成的多层同轴圆筒结构，分别建立了求解传导冷却超导电缆温度场的有限元和半解析模型，获得超导电缆降温和正常通电过程中的温度分布，以及故障电流作用下的温升特性；分析降温过程和故障电流作用下超导电缆的轴向、径向和环向热应力分布及其变化规律；利用COMSOL软件建立高温超导带材的二维有限元模型分析其在自场下传输交变电流时的磁场、电流密度等物理量的分布规律，进而计算得到自场传输下的交流损耗。实验研究方面，绕制适合于太空环境下运行的高温超导电缆样机，研制了模拟太空环境高温超导电缆试验腔体，在此基础上成功搭建了完整的实验测试平台，确定了超导电缆应变和温度的测量方案，并顺利通过初步的运行试验。通过本项目的研究，理论方面获得高温超导电缆的力-电-热耦合特性，并为绕制超导电缆和搭建测试平台提供设计依据，然后绕制了传导冷却超导电缆样机，完成模拟太空环境试验腔体的试制，搭建完整的测试平台，解决了高温超导带材及其绕制的电缆在太空环境下运行的载流、温度变化和力学形变等关键科学问题，为传导冷却高温超导电缆在空间太阳能电站的应用提供理论基础和技术依据。