CN105591593B - 球形聚光空间太阳能电站 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能技术领域，具体提供了一种球形聚光空间太阳能电站，该电站由球形聚光器(101)、太阳能电池阵(102)、传输电缆(103)、导电滑片(104)、导电滑环(105)、微波发射天线(106)以及牵引索(107)组成；所述太阳能电池阵(102)通过传输电缆(103)与导电滑片(104)连接，导电滑片(104)与导电滑环(105)进行柔性滑动连接，导电滑环(105)与微波发射天线(106)连接，微波发射天线(106)通过牵引索(107)与球形聚光器(101)连接。本发明提升了太阳能收集效率，降低了传输电缆的长度以及发射天线与聚光器连接结构的质量，降低了散热系统的设计难度。
Description
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，具体涉及一种球形聚光空间太阳能电站。
背景技术
1968年，美国的Peter Glaser博士提出了空间太阳能电站(Space Solar PowerStation，SSPS)的概念。SSPS就是在太空将太阳能收集并转换为电能，然后经由无线能量传输装置传回地面的系统。
空间太阳能电站分为非聚光和聚光两种。非聚光SSPS典型案例有美国1979基准系统和欧洲2001太阳帆系统。1979SSPS是一块10km×5km×0.5km的太阳电池板，电池板可接收70GW能量，并获得9GW直流电。电池板的一端连接一个直径为1km的微波发射天线。姿态控制系统使电池板始终指向太阳，指向机构使发射天线总是对准地面。该方案的缺点是质量过大，成本过高。2001太阳帆系统由数百个尺寸为150m×150m的薄膜太阳能电池阵模块组成，根据总发电量的要求配置发电阵的数目。电池阵沿中央缆绳两侧排列成2行或4行，发出的电流通过由超导材料制成的中央缆绳输送到缆绳末端的发射天线。该方案的缺点是太阳光收集效率波动大，且在每日0时和12时附近无法收集太阳光。
聚光空间太阳能电站可以提供一定聚光比的太阳能，有效减小光伏电池阵的面积。聚光SSPS典型案例主要有对称二次聚光方案和ALPHA方案。该方案采用了点聚光设计，光伏电池放置于反射镜的焦平面处。利用位于桅杆两边的大型聚光系统通过机构控制指向太阳，将太阳光反射聚集到光伏电池上。该方案的最大缺点是控制策略复杂，系统热问题严重，且须要跨度大、质量高的中心连接桁架结构。ALPHA方案采用了蜂巢结构的设计，聚光系统主要由多组薄膜反射镜和支撑结构组成，该系统采用分布式聚光设计，多组反射镜通过独立的调整机构控制，通过一次反射或二次反射将入射太阳光反射到光伏电池表面。ALPHA方案的最大缺点是多组反射镜调整复杂，且存在干涉，遮挡，有效光接收面积低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光收集效率高、波动小、天线与聚光器的连接结构质量小、且传输电缆短的球形聚光空间太阳能电站，并在一定程度上降低散热系统的设计难度。
为此，本发明提供了一种球形聚光空间太阳能电站，该电站由球形聚光器、太阳能电池阵、传输电缆、导电滑片、导电滑环、微波发射天线以及牵引索组成；所述太阳能电池阵通过传输电缆与导电滑片连接，导电滑片与导电滑环进行柔性滑动连接，导电滑环与微波发射天线连接，微波发射天线通过牵引索与球形聚光器连接。
为保证光收集率，球形聚光器去除球面上、下顶部的球冠区域，球形聚光器的半径为：
式中，η为聚光器的平均光收集率，C为空间太阳光功率密度，C＝1368W/m2，θ为球冠中心同球形聚光器中心连线以及球冠边界同球形聚光器中心连线的夹角，即θ为球冠区域的边界角；W为系统设计所要求达到的太阳光收集功率。
所去除的球冠区域的口径为：
d＝2Rsinθ。
上述球形聚光器由若干组用于透过太阳光的六边形光学薄膜和支撑所述六边形光学薄膜的支撑框架组成；所述支撑框架由方形口径的空心碳纤维管构成。
组成太阳能电池阵的太阳能电池为多结砷化镓电池。
上述太阳能电池阵通过光电转换产生的直流电经传输电缆、导电滑片以及导电滑环传输到微波发射天线，并由微波发射天线将微波发射出去。
上述传输电缆采用低温超导电缆。
上述微波发射天线的发射天线阵面由若干组六边形天线阵面模块组成，六边形天线阵面模块由6组三角形模块子阵组成，三角形模块子阵由4组三角形阵单元组成。
上述微波发射天线通过多根牵引索同球形聚光器进行连接。
上述微波发射天线通过6根牵引索同球形聚光器进行连接。
本发明的有益效果：本发明的球形聚光空间太阳能电站具有光收集效率高，波动小，天线与聚光器的连接结构质量低，传输电缆短的特点，并在一定程度上降低散热系统的设计难度。具体表现在以下几个方面：
1、球形聚光器的光收集效率高，同时，球形为任意轴对称的回转体，光收集波动小；
2、球形聚光器去除了两个球冠状的多次反射区域，在保证光收集效率的前提下，减轻了球形聚光器的质量；
3、太阳能电池阵和微波发射天线进行了分离设计，降低了系统散热的难度；
4、传输电缆的长度比太阳帆方案大幅度降低(太阳帆方案的电缆长度为15km，发电规模100～400MW，本发明在发电规模2GW的情况下，电缆长度至多4.5km)；
5、采用6根索连接微波发射天线和球形聚光器，相比采用大跨度桁架连接，连接结构的质量大幅度降低。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的聚光器的工作原理图；
图3是聚光器的去除的球冠状区域的示意图；
图4是图1中的聚光器结构示意图；
图5是图1中的导电滑片与导电滑环结构示意图；
图6是图1中的微波发射天线模块化设计示意图；
图7是图1中微波发射天线与聚光器连接结构示意图；
附图标记说明：101、球形聚光器，102、太阳能电池阵，103、传输电缆，104、导电滑片，105、导电滑环，106、微波发射天线，107、牵引索，201、原始球面，202、光接收面，301、球冠区域，401、光学薄膜，402、支撑框架，601、三角形阵单元，602、三角形模块子阵，603、六边形天线阵面模块，701、聚光器边界外框，702、牵引索与聚光器边界外框连接结构，703、牵引索与微波发射天线连接结构。
具体实施方式
实施例1：
参见图1，本发明提供了一种球形聚光空间太阳能电站，该电站由球形聚光器101、太阳能电池阵102、传输电缆103、导电滑片104、导电滑环105、微波发射天线106以及牵引索107组成；所述太阳能电池阵102通过传输电缆103与导电滑片104连接，导电滑片104与导电滑环105进行柔性滑动连接，导电滑环105与微波发射天线106连接，微波发射天线106通过牵引索107与球形聚光器101连接。本实施例采用球形聚光器，其光收集效率高，同时，球形为任意轴对称的回转体，光收集波动小；而太阳能电池阵和微波发射天线进行了分离设计，降低了系统散热的难度。
因此，本实施例的球形聚光空间太阳能电站具有光收集效率高，波动小，天线与聚光器的连接结构质量低，传输电缆短的特点，并在一定程度上降低散热系统的设计难度。
实施例2：
在实施例1的基础上，为保证光收集率，球形聚光器101去除球面上、下顶部的球冠区域(301)，球形聚光器(101)的半径为：
式中，η为聚光器的平均光收集率，C为空间太阳光功率密度，C＝1368W/m2，θ为球冠中心同球形聚光器101中心连线以及球冠边界同球形聚光器101中心连线的夹角，即θ为球冠区域301的边界角；为球冠上某点与球心的连线与球冠中心到球心连线之间的夹角；W为系统设计所要求达到的太阳光收集功率(例如，所要设计的系统希望微波发射天线可以发射出功率为1MW的电磁波，按照传输过程中能量损耗的情况可以反算出球形聚光器需要收集多少太阳光功率，所需收集的该太阳光功率即为W；另外球形聚光器的反射光分别一次反射光线和多次反射光线，考虑到薄膜的反射率和表面精度，可以按照实际情况去掉一部分的多次反射区来保证光的有效反射，即所述球冠区域，θ即球冠边界角，见图3中标示)。所去除的球冠区域301的口径为：d＝2Rsinθ。本实施例中球形聚光器去除了两个球冠状的多次反射区域，在保证光收集效率的前提下，减轻了球形聚光器的质量。
所述球形聚光器101由若干组用于透过太阳光的六边形光学薄膜401和支撑所述六边形光学薄膜401的支撑框架402组成；所述支撑框架402由方形口径的空心碳纤维管构成。其中六边形光学薄膜401借助于光学涂层和材料微结构设计等手段，使光学薄膜材料在相对的上下表面分别具有反射光和透射光的功能。组成太阳能电池阵102的太阳能电池具体为多结砷化镓电池，太阳能电池阵102通过光电转换产生的直流电经传输电缆103、导电滑片104以及导电滑环105传输到微波发射天线106的微波器件，并由微波发射天线106的发射天线阵面将微波发射出去。空间太阳能电站的微波发射天线106的组成主要包括微波器件和微波发射天线阵面两部分，其中微波器件包括微波源、移相器、功率分配网络等，该组成结构为现有技术，这里不再详述；而微波发射天线106的发射天线阵面由若干组六边形天线阵面模块603组成(具体数目由发射天线规模决定)，六边形天线阵面模块603由6组三角形模块子阵602组成，三角形模块子阵602由4组三角形阵单元601组成。所述微波发射天线106通过6根牵引索107同球形聚光器101进行连接；本实施例采用6根索连接微波发射天线和球形聚光器，相比采用大跨度桁架连接，连接结构的质量大幅度降低。空间太阳能电站的传输电缆103采用低温超导电缆。本实施例的传输电缆的长度比太阳帆方案大幅度降低(太阳帆方案的电缆长度为15km，发电规模100～400MW，本发明在发电规模2GW的情况下，电缆长度至多4.5km)。
以下对照各附图对本发明进一步进行介绍：
参照图1，本发明的球形聚光空间太阳能电站通过球形聚光器101将太阳光汇聚到太阳能电池阵102，光电转换产生的直流电通过传输电缆103，导电滑片104和导电滑环105传送到微波发射天线106，并由天线阵面将能量发射出去。其中，太阳能电池阵102优选使用多结砷化镓电池。
参照图2，原始球面201将太阳能聚焦到光接收平面202，由于球面为关于任意轴对称的回转体，因此收集光功率波动小。
参照图3，考虑到光学薄膜的效率和加工精度，去除在系统运行过程中始终属于多次光反射区造成收集效率低的球冠区域301，去除后，可在保证收集效率的前提下，减少聚光器的表面积和质量。
参照图4，球形聚光器101由若干组六边形光学薄膜401和六边形支撑框架402拼接而成，支撑框架402优选采用方形口径的碳纤维管，聚光器的规模由设计要求的电能功率值决定。
由于不采用将太阳能电池同发射天线集成为三明治结构，因此，直流电须通过一定长度的电缆传送到发射天线。参照图5，通过传输电缆103，导电滑片104传送到导电滑环105。传输电缆103优选采用低温超导电缆。
参照图6，天线阵面采用模块化设计思路，优选使用三角形天线单元。以三角形天线单元为例，6组天线单元601组成六边形天线模块602，若干组天线模块602进而组成天线子阵603，天线子阵603再组装拼接成整个天线阵面。
参照图7，牵引索与聚光器边界外框连接结构702将聚光器边界外框701和牵引索107连接起来，牵引索与微波发射天线连接结构703将牵引索107与微波发射天线106连接起来。利用牵引索107使微波发射天线106对地静止。
本发明的球形聚光空间太阳能电站，其工作原理如下：
在地球静止轨道(GEO)上，球形聚光器101将太阳光汇聚到太阳能电池阵102上，太阳能电池阵102随着每日时间的变化在二维平面上进行旋转以跟踪球面反射的太阳光，太阳能电池阵102进行光电转换并产生直流电，直流电通过传输电缆103传输至导电滑片104，导电滑片104与导电滑环105接触后，直流电最终传输到微波发射天线106，振荡器、移相器和放大器将直流电转换为微波，并由功率分配为天线阵面，天线阵面将微波发射出去。微波发射天线106通过6根牵引索107与球形聚光器101相连，以保持天线阵面指向地球。
综上所述，本发明的球形聚光空间太阳能电站具有光收集效率高，波动小，天线与聚光器的连接结构质量低，传输电缆短的特点，并在一定程度上降低散热系统的设计难度。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，该电站由球形聚光器(101)、太阳能电池阵(102)、传输电缆(103)、导电滑片(104)、导电滑环(105)、微波发射天线(106)以及牵引索(107)组成；所述太阳能电池阵(102)通过传输电缆(103)与导电滑片(104)连接，导电滑片(104)与导电滑环(105)进行柔性滑动连接，导电滑环(105)与微波发射天线(106)连接，微波发射天线(106)通过牵引索(107)与球形聚光器(101)连接；所述太阳能电池阵(102)通过光电转换产生的直流电经传输电缆(103)、导电滑片(104)以及导电滑环(105)传输到微波发射天线(106)，并由微波发射天线(106)将微波发射出去。
2.根据权利要求1所述的球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，为保证光收集率，球形聚光器(101)去除球面上、下顶部的球冠区域(301)，球形聚光器(101)的半径为：
式中，η为聚光器的平均光收集率，C为空间太阳光功率密度，C＝1368W/m2，θ为球冠中心同球形聚光器(101)中心连线以及球冠边界同球形聚光器(101)中心连线的夹角，即θ为球冠区域(301)的边界角；W为系统设计所要求达到的太阳光收集功率。
3.根据权利要求2所述的球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，所去除的球冠区域(301)的口径为：
d＝2R sinθ。
4.根据权利要求1所述的球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，所述球形聚光器(101)由若干组用于透过太阳光的六边形光学薄膜(401)和支撑所述六边形光学薄膜(401)的支撑框架(402)组成；所述支撑框架(402)由方形口径的空心碳纤维管构成。
5.根据权利要求1所述的球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，组成太阳能电池阵(102)的太阳能电池为多结砷化镓电池。
6.根据权利要求1所述的球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，所述传输电缆(103)采用低温超导电缆。
7.根据权利要求1所述的球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，所述微波发射天线(106)的发射天线阵面由若干组六边形天线阵面模块(603)组成，六边形天线阵面模块(603)由6组三角形模块子阵(602)组成，三角形模块子阵(602)由4组三角形阵单元(601)组成。
8.根据权利要求1所述的球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，所述微波发射天线(106)通过多根牵引索(107)同球形聚光器(101)进行连接。
9.根据权利要求8所述的球形聚光空间太阳能电站，其特征在于，所述微波发射天线(106)通过6根牵引索(107)同球形聚光器(101)进行连接。
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