CN106949639B - 水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为应用于水下工作装置的水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统，属新能源应用技术领域。非工作状态下，该装置收纳在水下作业装置顶端的收纳箱中，由充气式柔性太阳能聚光器、太阳能电池组、控制平台以及升降绳等组成。工作时，为聚光器充气并通过调节升降绳将聚光器牵拉在水下作业特定位置处，使得太阳能电池组位于聚光器的焦平面上。平行光在水中通过聚光器发生折射，光线汇聚在电池组上，将光能转换为电能。电能在控制平台内由蓄电池储存，经逆变器后得到水下作业装置所需的用电功率。其中蓄电池的充放电、水下作业装置的能源补给以及升降绳的收放均由控制平台控制实现。

Description

水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统
所属技术领域
本发明涉及一种水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统。水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统是一种位于水下的，利用几何光学原理聚光并通过光伏电池板将光能转换为电能的，为水下作业装置提供能量的补给系统，属于新能源应用技术领域。
背景技术
海洋是生命的摇篮，约占地球表面积的三分之二，不但包含了大量的资源，而且对全球的气候及环境有重大影响。近年来，随着对海洋研究的深入，人们对水下的探索也逐渐深入，水下工作装置日益增多，因此水下工作装置的能量来源以及能量补给得到了人们的关注和研究。同时，在能源短缺的今天，人们不断地开发新能源，受限于陆地面积，人们开始开发利用海洋面积，并不断地探索海水中蕴含的能量，其中包括海水的温差能、海洋动能、潮汐能以及海面上丰富的太阳能等。因此，我们意识到可以直接利用自然能量为水下工作装置提供能源。
温差能和海洋动能的利用需要较为复杂的装置，温差能的利用还需要相应的工质作为载体来完成，潮汐能的利用则受到时间和空间的限制。相对而言，随着太阳能利用的普及，其技术已经相对成熟。由于聚光光伏的高效率、低成本，该技术已被广泛研究并得到了一定的应用，但大多聚光光伏电站都建于陆面上，需占用较大的土地面积，且由于空气浮尘的影响需要经常清洁，另外电池板温度过高也将影响其转换效率。为了解决这些问题，并考虑水下作业装置的能量需求问题，我们提出了水下太阳能聚光发电的概念，利用几何光学原理设计了水下充气式柔性太阳能聚光器，并结合光伏发电系统将光能转换为可以被直接利用的电能。
随着技术的发展，人们在深入研究光线传播原理以及光利用的同时，已经开始关注水下光能的利用。目前，水下光线被应用在水下工作装置的通信技术以及水下成像等技术上，其中水下聚光主要用于光通信技术，这表明人们开始意识到水下光线利用的可行性和必要性，通过研究将其应用于相关技术领域。因此本文提出了水下聚光光伏发电系统，利用充气式柔性聚光器将太阳光汇聚到光伏板上，将其转化为电能并储存，储存的电能用来为水下工作装置充电。
综上所述，本文提出了水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统。水下充气式柔性聚光器具有以下优势：(1)利用几何光学原理进行设计，位于水下，能够缓解陆地面积紧缺的问题，防止海风海浪对装置性能的干扰，消除风沙对聚光效果的影响；(2)聚光器结构简单，使用便捷，且柔性设计使其方便携带；(3)汇聚后的光线也可以通过与其它装置的耦合进行其它水下作业，例如聚光捕鱼、深海照明等。此外，水下柔性聚光器与光伏发电系统耦合使用，将其聚光后的能量进行转化，得到的电能储存在蓄电池中为水下工作装置提供能量来源。这不仅充分利用了海面上充足的太阳能，还为水下工作装置，例如潜航器、小型潜艇等，提供了续航能源，使其更好地完成水下作业。
发明内容
有鉴于此，为了合理的利用海面上的能源解决水下作业装置的能量补给问题，本发明提供了一种可以收纳在水下作业装置上的水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统。该系统基于几何聚光原理，采用聚光光伏技术将光能转换为电能为水下作业装置提供能量补给。充气式柔性太阳能聚光器采用柔性透明薄膜作为入光和出光面，内部为气体介质，通过调节气体介质的压力控制薄膜的曲面参数，进而使得太阳能电池组恰好位于聚光器的焦平面上。在实际应用中，可以通过预估水下作业装置的能源需求量，适当地调整装置规模大小以及根据不同地区的光照条件对装置进行适当的调整，以达到最优的应用模式。
水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统，该系统包括充气式柔性太阳能聚光器、太阳能电池组、控制平台以及升降绳，其中充气式柔性太阳能聚光器由支架、柔性透明薄膜、连通孔、阀门以及其内部的气体介质组成。各部分的连接关系如下，柔性透明薄膜与支架无缝黏贴，并保证所有接触点受力均匀，连通孔刚性连接在支架的侧面，并在连通孔上设计阀门。装置工作时，打开阀门为聚光器充气后形成水下聚光器；升降绳用于调节聚光器与水下作业装置的相对位置，并始终将其牵拉在水下作业装置的上方。升降绳收纳在升降绳箱内，通过控制台控制其收放并调节聚光器的位置。太阳能电池组由旋转支撑架支撑在水下作业装置的上表面，水平布置，保证其处于聚光器的焦平面上且在水下可以正常工作。控制平台内包括有蓄电池、逆变器、升降绳箱以及控制台等部件，各部件间通过电路或集成电路板连接，控制台中设计安装ECU实现整套系统的正常运行。
工作原理：水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统收纳在水下作业装置内部，当水下作业装置能量不足时，通过控制升降绳将聚光器释放并为其充气，使聚光器和光伏发电系统开始工作。工作过程中装置位于水下，支架支撑整个聚光器的外形结构，通过控制充气量使聚光器内外形成压力差，柔性透明薄膜形成具有一定曲度的曲面，此时聚光器的形状类似于凹透镜。由于其内部气体介质的折射率小于海水的折射率，因此当光线透过聚光器时发生汇聚，实现柔性聚光器的聚光功能。通过升降绳的控制使得聚光器的焦平面刚好处于太阳能电池组的平面上，汇聚后的光线被接收并转换为电能。此时，太阳能电池组位于水下作业装置的上表面，并通过内部的蓄电池储电、逆变器转换、控制平台控制使得产生的电能满足水下作业装置的用电需求。这不仅能够解决水下作业装置的能量来源问题，使其更好的完成工作，对于一些隐秘性装置而言，也具有较好的保护作用，因为在水下充电相较于水面充电更加隐蔽且不易被发现。另外，聚集后的光线也可以通过与其它装置的耦合进行其它的水下作业，例如聚光捕鱼、深海照明等。
有益效果：
(1)当海面上有充足的太阳辐射时，能够利用进入海水中的太阳光进行聚光光伏发电，满足海洋潜航器的用能需求。
(2)整个装置置于水下，节省了土地占用面积，同时装置位于水下还能够避免海面上风浪的影响，也消除了陆上风沙等对聚光器的侵蚀。
(3)柔性聚光器可以改变充气量调节内部压力，从而形成不同弯的度曲面，实现不同焦距的聚光，可根据不同的使用条件进行调节。且聚光面是柔性材料，在聚光器不工作的状态下可以将内部气体放出，折叠收纳入水下作业装置中，安全便捷。
(4)该装置主要用于水下作业装置的能量补给，能够解决水下工作装置工作时间短、能量补给困难的问题，且对特殊场合应用的潜航器等有较好的隐蔽性，具有较强的实用性和应用前景。
本发明综合利用聚光光伏原理和水下光线应用技术，提出水下聚光的概念，利用聚光器的内外压差使柔性薄膜产生变形形成柔性聚光器，并采用太阳能电池板实现聚光光伏发电；且通过在在水下作业装置的内部添加逆变器等部件，直接对水下作业装置进行充电。该装置可以作为小型聚光发电装置，通过折叠携带，随时为私人或小型潜艇等补充能源；也可以进行规模性应用，设计为发电站为水下作业装置进行能源补给。另外，聚光器汇聚的光线可以直接作为水下光源进行应用。水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统不仅有效的利用了海面上充足的太阳能，也为水下工作装置的能源补给提供了新的方法。
附图说明
图1为本发明的结构简图；
图2为本发明聚光器的聚光原理图；
图3为本发明充气式柔性太阳能聚光器的实施例图；
图4为本发明控制平台的结构原理图；
图5为本发明的圆环状立体结构图；
图6为本发明的条状立体结构图。
其中，1-海水；2-太阳入射光；3-充气式柔性太阳能聚光器；4-升降绳；5-太阳能电池组；6-控制平台；7-水下作业装置；8-阀门；9-连通管；10-柔性透明薄膜；11-支架；12-气体介质；13-收纳箱；14-旋转支撑架。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统。该系统包括充气式柔性太阳能聚光器、太阳能电池组、升降绳和控制平台，其中充气式柔性太阳能聚光器由连通管、阀门、柔性透明薄膜、支架以及其内部的气体介质组成。太阳光照射海面，光线透过海水到达柔性聚光器的入光面，由于内部气体介质与海水的折射率不同，光线在通过聚光器时折射汇聚，并由位于其焦平面上的太阳能电池组接收，将光能转换为电能。电能储存在控制平台内部，在水下作业装置能量供给不足时为其提供电能，解决水下潜航器、潜艇等动力不足的问题。
如附图2所示，为水下充气式柔性太阳能聚光器的原理图。从图中可以看出光线通过聚光器后发生汇聚，这主要是因为充气式柔性太阳能聚光器内部的气体介质折射率n2小于海水的折射率n1，即从光密介质到光疏介质时，光线发生折射，且出射角i2大于入射角i1，由于入光面为内凹曲面，光线折射后发生汇聚。在聚光器的出光面上，光线近似垂直出射，即光线从气体介质进入海水中时不发生折射。因此平行光透过该聚光器后折射汇聚，形成焦斑。将太阳能电池板的位置设计在聚光器的焦平面上，使其达到最优的光电转换效率。
如图3所示，为本发明中充气式柔性太阳能聚光器的实施例图。将充气式柔性太阳能聚光器的周侧和出光面均设计为支撑结构，将整个聚光器的设计过程简化，即只将聚光器的入光面设计为柔性透明薄膜，根据理论计算，也能达到较好的聚光效果。与本发明提出的充气式柔性太阳能聚光器相同，在支架的周侧布置连通管和阀门，通过阀门控制聚光器内部的气体介质质量，从而控制聚光器入光面的几何曲度，改善聚光效果。
如图4所示，为本发明中控制平台内部结构图。控制平台主要包括了两部分的控制，第一部分是聚光器的控制，为聚光器充入适量的气体并通过调节升降绳控制聚光器与太阳能电池组的距离；第二部分是太阳能电池组供电的控制，在控制平台内部设计有蓄电池、逆变器等，用于储存电能并将其转换为装置能够直接利用的电能。两部分的控制均由控制台进行控制。另外，在控制平台的上部空间布置有收纳箱，用于收纳非工作状态下的充气式柔性太阳能聚光器和太阳能电池组。如图中所示，非工作状态下聚光器内无气体介质，可直接放置在收纳箱内；电池组通过控制旋转支撑架旋转使电池板折叠收纳。
如图5和图6所示，为水下充气式柔性太阳能聚光器及其光伏发电系统的三维结构图。水下充气式柔性太阳能聚光器可以根据不同的需求设计为圆环状或者条状，汇聚后的光线均由太阳能电池组接收转换，并在供电平台内储存并得到水下作业装置可以直接利用的能源。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.水下充气式柔性太阳能聚光器，其特征在于：由柔性透明薄膜(10)、支架(11)、充放气口(9)、阀门(8)以及其内部的气体介质(12)构成；使用时打开阀门(8)通过充放气口(9)充入适量气体介质(12)，由柔性透明薄膜(10)作为入光面和出光面在内外压差的作用下形成内凹聚光器，并可通过改变充气量调节聚光器内部压力进而控制聚光器的聚光曲面参数，最终将光汇聚到太阳能电池组(5)上；聚光器为充气式聚光器，在非工作状态下，打开阀门(8)由充放气口(9)将其内部气体介质(12)放出，折叠收纳在收纳箱(13)中。
2.应用如权利要求1所述水下充气式柔性太阳能聚光器的光伏发电系统，其特征在于：所述光伏发电系统在非工作状态下收纳在水下作业装置内部，在其需要能量补给时打开，由充气式柔性太阳能聚光器(3)、升降绳(4)、太阳能电池组(5)以及控制平台(6)组成，工作时，充气式柔性太阳能聚光器(3)由升降绳(4)牵拉在特定位置处，太阳能电池组(5)由旋转支撑架(14)支撑在水下作业装置(7)的上表面，位于充气式柔性太阳能聚光器(3)的焦斑处；控制平台(6)中主要包括有蓄电池、逆变器、升降绳箱以及控制台，其中升降绳箱牵制升降绳(4)的收放，并固定升降绳(4)的下端，控制台控制各部件之间的相对运动与动作状态。
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