CN103715980B - 应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法 - Google Patents
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Abstract
应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,涉及一种对称式两级平面反射聚集方法。为了解决目前的太阳能量聚集系统方案存在聚集能流分布不均匀、光斑形状与太阳电池形状不匹配和跟踪难度高的问题。建立反射系统:在太阳能电池板的两侧分别布置一个一级偏轴抛物反射面,两个一级偏轴抛物反射面以垂直于太阳能电池板的光轴为轴对称设置,在两个一级偏轴抛物反射面的焦点两侧分别对称布置一个二级斜平面反射镜;使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑完全重合,求取反射系统的最佳结构参数,对反射系统进行跟踪误差调控;通过在两个维度下调控在轨运行的反射系统,使太阳能电池阵实现聚集能流。它用于空间太阳能电站聚集能流。
Description
技术领域
本发明涉及一种对称式两级平面反射聚集方法,特别涉及一种应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法。
背景技术
光伏发电产业在近几年迅猛发展,聚光光伏系统通过聚集器将多倍的太阳能量聚集到电池板上,提高了聚光比和发电效率,达到节省电池板面积,降低成本的效果。传统的聚集系统方案存在诸多问题,如聚集能流分布不均匀、光斑形状与太阳电池形状不匹配、跟踪难度高等问题。
空间太阳能电站,又被称为天基太阳能电站,是指在空间将太阳能转化为电能,再以无线方式传输到地面的发电系统,当对称式两级平面反射聚集方法被应用于在轨运行的空间太阳能电站时,还存在太阳能量聚集系统方案存在聚集能流分布不均匀、光斑形状与太阳电池形状不匹配和跟踪难度高的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前的太阳能量聚集系统方案存在聚集能流分布不均匀、光斑形状与太阳电池形状不匹配和跟踪难度高的问题,本发明提供一种应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法。
本发明的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,
它包括如下步骤:
步骤一:建立对称式两级平面反射系统:
在太阳能电池板的两侧分别布置一个一级偏轴抛物反射面,两个一级偏轴抛物反射面以垂直于太阳能电池板的光轴为轴对称设置,所述一级偏轴抛物反射面通过斜平面截取旋转抛物面形成;
在两个一级偏轴抛物反射面的焦点两侧分别布置一个二级斜平面反射镜,两个二级斜平面反射镜对称设置;所述二级斜平面反射镜的面积小于一级偏轴抛物反射面面积的1%;
将垂直于光轴、面向入射光线方向的太阳能电池板布置在焦点的正下方;
步骤二:基于几何光学原理,使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑达到完全重合,同时基于电池阵所需聚光比大小的要求获得步骤一建立的对称式两级平面反射系统的最佳结构参数;
步骤三:对确定最佳结构参数的对称式两级平面反射系统进行跟踪误差调控;
步骤四:通过在两个维度下调控在轨运行的对称式两级平面反射系统,使太阳能电池阵实现聚集能流:
当太阳入射光沿垂直于y轴的方向发生改变时,一级偏轴抛物反射面以自身的调节轴为自转轴心旋转,使太阳能电池阵对准太阳入射方向实现360°旋转跟踪,从而使太阳能电池阵接收聚集能流;
所述一级偏轴抛物反射面的两条边缘光线的角平分线必须垂直于光轴,且一级偏轴抛物反射面的参数满足公式φ+θc/2=π/2,所述角平分线为一级偏轴抛物反射面的调节轴;
当太阳入射光沿垂直于x轴的方向发生改变时,同时调整二级斜平面反射镜的使得使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑再次达到重合,从而使太阳能电池阵接收聚集能流;
在建立的对称式两级平面反射系统上建立xyz轴平面直角坐标系,以一级偏轴抛物反射面的顶点为原点,所述光轴为z轴。
本发明的优点在于,
1、太阳电池发电效率高
聚集能流分布的均匀度是影响聚光光伏电池效率的重要因素,本发明采用对称结构,通过几何光学计算推导获得了两侧光斑完全重合时的结构参数,解决了聚集能流分布均匀化难题,进而大幅提高了太阳电池的发电效率。
2.制造运行成本低
本发明的对称式两级平面反射聚集系统的二级斜平面反射镜采用了平面镜,加工制造简单,同时通过调节二级斜平面反射镜角度和电池板高度可获得任意聚光比,在低聚光比运行状况下能够免除聚集系统热控设备,降低了制造和运行成本。
3.调节灵活方便
二级斜平面反射镜相对面积较小,只有不到一级偏轴抛物反射面1%的面积,其方位角度是聚集能流分布的最主要决定因素,对其进行调节可轻松实现系统聚光比及均匀度等参数性能的控制。
4.容差性能优异
二级斜平面反射镜的倾斜角度可根据太阳跟踪误差情况调整,以保持聚集能流均匀度和聚光比,最大可容纳跟踪误差角达5.5°,同时可通过具体结构参数的优化提高面型误差的容纳度。
5.在轨运行稳定可靠
对太空应用的空间太阳能电站系统,利用二级斜平面反射镜的旋转方位调节,可轻松实现系统的在轨稳定运行,安全可靠。
本发明的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,可灵活改变聚光比大小,解决了聚集能流的均匀化难题,同时保持在轨聚集的稳定性,提高容差性能。
附图说明
图1为具体实施方式一所述建立的对称式两级平面反射系统,其中1为一级偏轴抛物反射面,2为二级斜平面反射镜、3为太阳能电池阵,4为入射太阳光对二级斜平面反射镜的投影圆。
图2为一级偏轴抛物反射面的调节轴的原理示意图,其中5为一级偏轴抛物反射面的边缘光线。
图3为具体实施方式一中步骤四所述的原理示意图。
图4为具体实施方式六中当太阳入射方向发生偏转时的对称式两级平面反射系统调节的原理示意图。
图5为太阳能电池板光斑几何模型。
图6为具体实施方式五中二级斜平面反射镜在x轴正方向对称式两级平面反射系统进行跟踪误差调控的原理示意图。
图7为具体实施方式五中二级斜平面反射镜在y轴正方向对称式两级平面反射系统进行跟踪误差调控的原理示意图,其中,A为无跟踪误差角调整前的二级斜平面反射镜的反射线,B为有跟踪误差角调整前的二级斜平面反射镜的反射线,C为有跟踪误差角调整后的二级斜平面反射镜的反射线。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式,本实施方式所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,它包括如下步骤:
步骤一:建立对称式两级平面反射系统:
在太阳能电池板的两侧分别布置一个一级偏轴抛物反射面,两个一级偏轴抛物反射面以垂直于太阳能电池板的光轴为轴对称设置,所述一级偏轴抛物反射面通过斜平面截取旋转抛物面形成;
在两个一级偏轴抛物反射面的焦点两侧分别布置一个二级斜平面反射镜,两个二级斜平面反射镜对称设置;所述二级斜平面反射镜的面积小于一级偏轴抛物反射面面积的1%;
将垂直于光轴、面向入射光线方向的太阳能电池板布置在焦点的正下方;
步骤二:基于几何光学原理,使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑达到完全重合,同时基于电池阵所需聚光比大小的要求获得步骤一建立的对称式两级平面反射系统的最佳结构参数;
步骤三:对确定最佳结构参数的对称式两级平面反射系统进行跟踪误差调控;
步骤四:通过在两个维度下调控在轨运行的对称式两级平面反射系统,使太阳能电池阵实现聚集能流:
当太阳入射光沿垂直于y轴的方向发生改变时,一级偏轴抛物反射面以自身的调节轴为自转轴心旋转,使太阳能电池阵对准太阳入射方向实现360°旋转跟踪,从而使太阳能电池阵接收聚集能流;
所述一级偏轴抛物反射面的两条边缘光线的角平分线必须垂直于光轴,且一级偏轴抛物反射面的参数满足公式φ+θc/2=π/2,所述角平分线为一级偏轴抛物反射面的调节轴;
当太阳入射光沿垂直于x轴的方向发生改变时,同时调整二级斜平面反射镜的使得使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑再次达到重合,从而使太阳能电池阵接收聚集能流;
在建立的对称式两级平面反射系统上建立xyz轴平面直角坐标系,以一级偏轴抛物反射面的顶点为原点,所述光轴为z轴。
步骤四为利用二级斜平面反射镜的镜反射作用可使光路方向进行灵活转换,满足太阳能电池阵在圆周上旋转360°仍可接收稳定均匀的聚集能流,以下以太空应用的空间太阳能电站为例,对其调节轴和相关参数方程进行说明:
对于在地球同步轨道运行的空间太阳能电站聚集系统,一级偏轴抛物反射面镜需保持实时跟踪太阳,接收太阳能流,同时太阳能电池阵背面需保持对地进行微波能量传输,保证地面微波接收站的稳定高效运行,此时依靠二级斜平面反射镜的反射效应可保持能流接收的高效、稳定、均匀。
图2所示为一级偏轴抛物反射面所需满足的参数调节要求,其两条边缘光线的角平分线必须垂直于光轴,亦即满足公式φ+θc/2=π/2,基于此条件下的一级偏轴抛物反射面无论经过怎样的旋转,经二级斜平面反射镜反射的所有边缘光线都会原封不动的以相同角度和强度投射到太阳能电池阵上(电池阵和二级斜平面反射镜保持相对静止),反射光斑形状一定保持不变,而这条角平分线就是一级偏轴抛物反射面的调节轴。
聚集系统在一天24小时的运行过程中的调节方式如图3所示,由于惯性力作用,太阳能电池阵无需进行调整即可实现实时朝向地面,此时二级斜平面反射镜也无需调整,可保持与太阳能电池阵之间的相对静止状态,一级偏轴抛物反射面则进行旋转调节,以图2的调节轴为自转轴心,对准太阳光入射方向实现系统360°旋转跟踪。
考虑全年地球绕太阳的旋转而造成的季节变化,相当于入射阳光从另一个维度(环绕x轴最大23.5度角)发生改变,为使太阳能电池阵保持对地,需调整二级斜平面反射镜旋转角度和方位,同时一级偏轴抛物反射面环绕自身轴心360°旋转跟踪太阳方向,整个系统在轨聚集的调节轴及其它参数方程要求比较严格。
如图4,随着季节变化,通过本实施方式调节,同时使其获得恒定不变的能流均匀性和聚光比,必须调整二级斜平面反射镜的倾角和高度ha,使得左右对称的两个光斑保持重合。
具体实施方式二:结合图1说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式一所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法的进一步限定,
步骤二中基于几何光学原理,使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑达到完全重合,同时基于太阳能电池阵所需聚光比大小的要求,获得步骤一建立的对称式两级平面反射系统的最佳结构参数的方法为:
求解对称式两级平面反射系统的最佳结构参数的方程组:
式中,几何聚光比为CG,As为重合时聚集光斑面积,θc是一级偏轴抛物反射面的接受角,φ是靠近z轴一侧的二级斜平面反射镜边界反射光线与z轴正方向之间的夹角,是二级斜平面反射镜与z轴正方向的夹角,ha是二级斜平面反射镜距离y轴的高度;hb是太阳能电池板z轴坐标,rm是太阳能电池板的半径,所述一级偏轴抛物反射面由斜平面对称截取旋转抛物面形成的,z为二级斜平面反射镜z轴坐标,f为一级偏轴抛物反射面焦距;
根据所述对称式两级平面反射系统的最佳结构参数的方程组和太阳能电池阵所需聚光比大小的要求,使每个二级斜平面反射镜倾角处于范围下的角度,同时调节太阳能电池板相距焦点的距离,使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑达到完全重合,最终确定对称式两级平面反射系统的最佳结构参数,所述二级斜平面反射镜倾角为二级斜平面反射镜与z轴正向之间的夹角。
当二级斜平面反射镜倾角处于范围时,配合上特定的电池板高度,光斑达到完全重合,能流均匀性很好且聚光比适中。
如图1所示的系统模型,此系统模型两侧布置了偏轴式抛物反射面,这种蚌壳形聚集器能够充分利用镜面面积具,有布置灵活、运行可靠的优点;在焦点旁以一定倾角布置了二级斜平面反射镜,光线在斜面聚集,而后扩散照射到太阳能电池板。
在图1的系统模型中,z轴为一级偏轴抛物反射面的光轴,其正向指向太阳入射方向,其余两轴则基于直角坐标系而定义。
θs是入射太阳圆锥角,大小为16′左右,θc是一级偏轴抛物反射面的接受角,即经其反射后的最外侧两条边界光线之间的夹角,φ是靠近z轴一侧的边界反射光线与z轴正方向之间的夹角;是二级斜平面反射镜与光轴z轴正向之间的倾角,ha是二级斜平面反射镜距离y轴的高度;hb是太阳能电池板z轴坐标,rm是其尺寸半径,pr是一级偏轴抛物反射面的有效聚光半径,py为一级偏轴抛物反射面的偏心距。
偏轴抛物面是利用斜截面将抛物面进行截取形成,其描述方程为
二级斜平面反射镜方程为:
根据几何光学原理,当二级斜平面反射镜倾角处于范围时,配合上特定的电池板高度,光斑达到完全重合,能流均匀性很好且聚光比适中;给定聚集系统要求的几何聚光比CG,即可根据下式求解得出电池板接收两侧光斑完全重合时的最佳结构参数。
采用现有技术可以推导出聚集光斑面积As的结果:
上式中As为聚集光斑面积,结合电池板光斑几何模型,如图5所示,可由几何光学得出:
电池板表面能流分布为两椭圆形状光斑相交,由几何光学原理可获得电池板的光斑参数:
其中
椭圆y方向长半轴:
aT=(OT+OQ)/2 (4)
椭圆x方向短半轴:
右侧椭圆方程为:
椭圆扇形面积:
光斑相交或重合时,电池板光斑面积:
电池板最小半径:
至此通过几何光学的方法推倒获得了电池板光斑面积公式(9)及圆形电池板最小半径公式(10)。
具体实施方式三:本实施方式是对具体实施方式二所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法的进一步限定,
所述最终确定对称式两级平面反射系统的最佳结构参数如下:
具体实施方式五:本实施方式是对具体实施方式七所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法的进一步限定,
当发电量为1GW,聚光比CG=5.0,太阳能电池阵直径1000m时,步骤二中,对称式两级平面反射系统的最佳结构参数为:
具体实施方式六:本实施方式是对具体实施方式七所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法的进一步限定,
当发电量为100MW,聚光比CG=2.0,太阳能电池阵直径500m时,步骤二中,对称式两级平面反射系统的最佳结构参数为:
所述二级圆形反射镜面为二级平面反射镜。
具体实施方式六:结合图6和图7说明本实施方式,本实施方式是对具体实施方式二所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法的进一步限定,
步骤三中对确定最佳结构参数的对称式两级平面反射系统进行跟踪误差调控的方法为:
当入射光线向x轴正方向偏移误差角Dx时,将二级斜平面反射镜绕其x=0对称轴顺时针旋转Dx角度;
当入射光线向x轴反方向偏移误差角Dx时,将二级斜平面反射镜绕其x=0对称轴逆时针旋转Dx角度;
当y轴方向存在跟踪误差角Dy时,调整二级斜平面反射镜倾角值弥补光线角度的偏移;
若入射光线延y轴正向偏移Dy,则将二级斜平面反射镜面逆时针旋转Dy角度;
若入射光线延y轴反向偏移Dy,则将二级斜平面反射镜面顺时针旋转Dy角度。
聚集器二级斜平面反射镜面可根据太阳跟踪误差进行灵活调整,以满足更好的容差性能。
对称式二级斜平面反射镜面的一个优势就是可以通过调节尺寸相对小的二级斜平面反射镜面角度来控制跟踪误差的影响,这对太阳能聚集系统设施的稳定性能维持意义重大。本实施方式使光线经过二级斜平面反射镜面反射后,可弥补跟踪误差偏移角。
具体实施方式七:本实施方式是对具体实施方式六所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法的进一步限定,所述当太阳入射光沿垂直于x轴的方向发生改变时,同时调整二级斜平面反射镜的使得使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑再次达到重合,从而使太阳能电池阵接收聚集能流后,获得的二级斜平面反射镜的参数如下:
其中,为太阳入射方向偏转角度,为y轴正方向一侧的二级斜平面反射镜同z轴正方向的夹角,为y轴负方向一侧的二级斜平面反射镜同z轴正方向的夹角,ha1为y轴正方向一侧的二级斜平面反射镜在z轴的坐标,ha2为y轴负方向一侧的二级斜平面反射镜在z轴的坐标。
从本实施方式的表2可以看出,二级斜平面反射镜高度ha随旋转角度的增大而缓慢降低,且降低的幅度逐渐增加,倾角的偏转都比较明显,但不是简单的和旋转角呈正比。
本实施方式已经过能量分析验证有效,调节过程中电池接收的聚集能流分布可保持均匀(不均匀度<5%),稳定,容差性好(可容纳跟踪误差角5.5°),聚光比适中(1~10个太阳常数),非常适用于空间太阳能电站聚光系统。
Claims (7)
1.应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,其特征是在于,它包括如下步骤:
步骤一:建立对称式两级平面反射系统:
在太阳能电池板的两侧分别布置一个一级偏轴抛物反射面,两个一级偏轴抛物反射面以垂直于太阳能电池板的光轴为轴对称设置,所述一级偏轴抛物反射面通过斜平面截取旋转抛物面形成;
在两个一级偏轴抛物反射面的焦点两侧分别布置一个二级斜平面反射镜,两个二级斜平面反射镜对称设置;所述二级斜平面反射镜的面积小于一级偏轴抛物反射面面积的1%;
将垂直于光轴、面向入射光线方向的太阳能电池板布置在焦点的正下方;
步骤二:基于几何光学原理,使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑达到完全重合,同时基于电池阵所需聚光比大小的要求获得步骤一建立的对称式两级平面反射系统的最佳结构参数;
步骤三:对确定最佳结构参数的对称式两级平面反射系统进行跟踪误差调控;
步骤四:通过在两个维度下调控在轨运行的对称式两级平面反射系统,使太阳能电池阵实现聚集能流:
当太阳入射光沿垂直于y轴的方向发生改变时,一级偏轴抛物反射面以自身的调节轴为自转轴心旋转,使太阳能电池阵对准太阳入射方向实现360°旋转跟踪,从而使太阳能电池阵接收聚集能流;
所述一级偏轴抛物反射面的两条边缘光线的角平分线必须垂直于光轴,且一级偏轴抛物反射面的参数满足公式φ+θc/2=π/2,所述角平分线为一级偏轴抛物反射面的调节轴,θc是一级偏轴抛物反射面的接受角,φ是靠近z轴一侧的二级斜平面反射镜边界反射光线与z轴正方向之间的夹角;
当太阳入射光沿垂直于x轴的方向发生改变时,同时调整二级斜平面反射镜的使得使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑再次达到重合,从而使太阳能电池阵接收聚集能流;
在建立的对称式两级平面反射系统上建立xyz轴平面直角坐标系,以一级偏轴抛物反射面的顶点为原点,所述光轴为z轴。
2.根据权利要求1所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,其特征在于,
步骤二中基于几何光学原理,使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑达到完全重合,同时基于太阳能电池阵所需聚光比大小的要求,获得步骤一建立的对称式两级平面反射系统的最佳结构参数的方法为:
求解对称式两级平面反射系统的最佳结构参数的方程组:
式中,pr是一级偏轴抛物反射面的有效聚光半径,θs是入射太阳圆锥角,几何聚光比为CG,As为重合时聚集光斑面积,θc是一级偏轴抛物反射面的接受角,φ是靠近z轴一侧的二级斜平面反射镜边界反射光线与z轴正方向之间的夹角,是二级斜平面反射镜与z轴正方向的夹角,ha是二级斜平面反射镜距离y轴的高度;hb是太阳能电池板z轴坐标,rm是太阳能电池板的半径,所述一级偏轴抛物反射面由斜平面对称截取旋转抛物面形成的,z为二级斜平面反射镜z轴坐标,f为一级偏轴抛物反射面焦距;
根据所述对称式两级平面反射系统的最佳结构参数的方程组和太阳能电池阵所需聚光比大小的要求,使每个二级斜平面反射镜倾角处于范围下的角度,同时调节太阳能电池板相距焦点的距离,使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑达到完全重合,最终确定对称式两级平面反射系统的最佳结构参数,所述二级斜平面反射镜倾角为二级斜平面反射镜与z轴正向之间的夹角。
3.根据权利要求2所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,其特征在于,
所述最终确定对称式两级平面反射系统的最佳结构参数如下:
4.根据权利要求1所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,其特征在于,
当发电量为1GW,聚光比CG=5.0,太阳能电池阵直径1000m时,步骤二中,对称式两级平面反射系统的最佳结构参数为:
5.根据权利要求1所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,其特征在于,
当发电量为100MW,聚光比CG=2.0,太阳能电池阵直径500m时,步骤二中,对称式两级平面反射系统的最佳结构参数为:
所述二级圆形反射镜面为二级平面反射镜。
6.根据权利要求1所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,其特征在于,步骤三中对确定最佳结构参数的对称式两级平面反射系统进行跟踪误差调控的方法为:
当入射光线向x轴正方向偏移误差角Dx时,将二级斜平面反射镜绕其x=0对称轴顺时针旋转Dx角度;
当入射光线向x轴反方向偏移误差角Dx时,将二级斜平面反射镜绕其x=0对称轴逆时针旋转Dx角度;
当y轴方向存在跟踪误差角Dy时,调整二级斜平面反射镜倾角值弥补光线角度的偏移;
若入射光线延y轴正向偏移Dy,则将二级斜平面反射镜逆时针旋转Dy角度;
若入射光线延y轴反向偏移Dy,则将二级斜平面反射镜顺时针旋转Dy角度。
7.根据权利要求1所述的应用于空间太阳能电站的对称式两级平面反射聚集方法,其特征在于,所述当太阳入射光沿垂直于x轴的方向发生改变时,同时调整二级斜平面反射镜的使得使太阳能电池板表面呈现的两个椭圆型光斑再次达到重合,从而使太阳能电池阵接收聚集能流后,获得的二级斜平面反射镜的参数如下:
当一级偏轴抛物反射面f=5m、φ=80°和θc=20°时,二级斜平面反射镜调节参数如下:
其中,为太阳入射方向偏转角度,为y轴正方向一侧的二级斜平面反射镜同z轴正方向的夹角,为y轴负方向一侧的二级斜平面反射镜同z轴正方向的夹角,ha1为y轴正方向一侧的二级斜平面反射镜在z轴的坐标,ha2为y轴负方向一侧的二级斜平面反射镜在z轴的坐标。
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