CN114865991A - 光机电集成设计的omega-2.0空间太阳能电站 - Google Patents

光机电集成设计的omega-2.0空间太阳能电站 Download PDF

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Abstract

本发明公开了光机电集成设计的OMEGA‑2.0空间太阳能电站，包括球冠聚光镜，球冠聚光镜的外形为利用球面聚光原理，并取用球面一次反射区域形成的部分球面形状，球冠聚光镜背光侧连接电推进器，球冠聚光镜中线聚焦处连接光伏电池阵，光伏电池阵端部连接穿过球冠聚光镜的空间仿生辐射器，光伏电池阵的电输出端连接全向发射天线；完美消除了原方案中存在的问题，避免了薄膜凹透凸反的难题，消除了薄膜对微波透明的需求，破解了电刷进行高压巨功率电能传输的可靠性低的难题，具有构型简单，易于实现，光收集率高，控制简单的特点。

Description

光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站
技术领域
本发明属于空间太阳能电站技术领域，具体涉及光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站。
背景技术
空间太阳能电站(Space Solar Power Station,SSPS)是一种在太空汇聚太阳能并转化为直流电能再到微波能，进而将微波能无线传送给位于空间或地面接收整流天线的系统。SSPS根据光收集形式的不同可以分为聚光式与非聚光式，经典的对称二次聚光方案与ALPHA方案均为聚光式，因其模块化、高聚光比及高功质比的特征，聚光式的空间太阳能电站方案得到更多的关注。
西安电子科技大学提出了利用球面进行聚光的SSPS-OMEGA方案，该系统主要由球形聚光镜、光伏电池阵、PMAD系统和微波发射天线四部分构成。OMEGA方案采用球面聚光，球形聚光镜采用单向薄膜材料，空间入射的太阳光穿透聚光镜的外表面，经球体的内表面反射后汇聚到陀螺状的光伏电池阵。在空间轨道运行时，光伏电池阵沿着聚光镜内部圆环做环绕运动，产生的直流电通过电刷传送到发射天线。发射天线由6根索悬挂于球形聚光镜内。该方案具有一些显而易见的优点，例如将线馈源与发射天线分离开大大缓解了散热压力，没有漏光问题，因只有线馈源沿圆弧做一维定日运动，姿态控制简单。然而，此方案也存在着三点不足：一是球面聚光镜的薄膜对光线凸透凹反的要求极难实现；二是薄膜除上面要求外，还必须对微波全透明；三是利用电刷进行高压巨功率电能传输存在可靠性低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，利用球面一次反射区域形成的球冠聚光镜进行能量收集，避免了薄膜凸透凹反的难题。
本发明所采用的技术方案是，光机电集成设计的OMEGA-.空间太阳能电站，包括球冠聚光镜，球冠聚光镜的外形为利用球面聚光原理，并取用球面一次反射区域形成的部分球面形状，球冠聚光镜背光侧连接电推进器，球冠聚光镜中线聚焦处连接光伏电池阵，光伏电池阵端部连接穿过球冠聚光镜的空间仿生辐射器，光伏电池阵的电输出端连接全向发射天线。
本发明的特点还在于：
全向发射天线是由多个正六边形通过边连接形成的阵列天线。
每个正六边形的拐角处连接一个由若干个极点组成的垂直线阵列。
全向发射天线的远场方向图表示为：
Figure BDA0003652123330000021
Figure BDA0003652123330000022
式中，
Figure BDA0003652123330000023
为空间观察方向，
Figure BDA0003652123330000024
为第n个单元的电流，k为传播常数，rn为第n个单元的位置向量，
Figure BDA0003652123330000025
为空间观察方向的单位矢量，N为单元个数，j为虚数单位。
全向发射天线的3dB波束宽度的水平方向辐射角度θ1与竖直方向辐射角度θ2分别为：
Figure BDA0003652123330000031
Figure BDA0003652123330000032
式中λ为波长，
Figure BDA0003652123330000033
为全向发射天线口径，L为垂直线阵列高度。
空间仿生辐射器内部包含盛放冷却液的柔性管路。
空间仿生辐射器的外形采用仿蝴蝶翅膀外形，且内部采用仿蝴蝶脉络。
光伏电池阵与发射天线通过传输电缆连接。
球冠聚光镜包括可展开碳纤维管，可展开碳纤维管上连接多个六边形反光薄膜。
光伏电池阵为多结砷化镓光伏电池。
本发明有益效果是：
1)本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站构型简单，易于实现，采用球冠聚光镜避免了聚光薄膜凹透凸反的难题；
2)本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，将发射天线置于聚光镜外部南北极，消除了薄膜对微波透明的需求；
3)本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，采用全向天线设计，无需进行发射天线的姿态调整，同时破解了电刷传输高压巨功率电能时存在的可靠性低的难题；
4)本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，光收集效率高，基于球面反射光线包络面进行的光伏电池阵的母线设计，除了自身遮挡外，理论上可以收集全部的入射太阳光；
5)本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，各部分之间相互固定连接，没有相互运动，只需要电推进器进行系统的太阳实时跟踪，控制简单。
附图说明
图1是本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站结构示意图；
图2是本发明中球面聚光的工作原理图；
图3是本发明中光伏电池阵母线设计原理图；
图4是本发明中空间仿生辐射器示意图；
图5是本发明中全向发射天线示意图；
图6是球冠聚光镜模块化和可展开碳纤维管的示意图。
其中：101-球冠聚光镜，102-光伏电池阵，103-空间仿生辐射器，104-传输电缆，105-电推进器，106-全向发射天线，501-单元阵子，502-单元辐射方向图，503-全向天线辐射方向图，601-聚光薄膜，602-可展开碳纤维管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，如图1所示，主要由五部分组成：球冠聚光镜101、光伏电池阵102、空间仿生辐射器103、电推进器105以及全向发射天线1066；球冠聚光镜101的外形为利用球面聚光原理，并取用球面一次反射区域形成的部分球面形状，能够进行能量捕获与收集，球冠聚光镜101背光侧连接电推进器105，用以调整聚光镜姿态实现对日追踪，球冠聚光镜101中线聚焦处连接光伏电池阵102，光伏电池阵102的母线基于一次反射区域只有单次反射的特点并利用反射光线的包络曲线，以等光强为目标设计得到，光伏电池阵102端部连接穿过球冠聚光镜101的空间仿生辐射器103，同时也位于球冠聚光镜101的外部和入射太阳光的阴影区，始终面向冷空，用以进行光伏电池阵的热控制，光伏电池阵102的电输出端连接全向发射天线106，通过碳纤维桁架固定于球冠聚光镜101的南北极，可实现360°范围内全向发射微波，在向全向发射天线106进行能量实时传送的过程中，无需进行姿态调整，光伏电池阵102的直流电通过电缆给全向发射天线106馈电，进行电能-射频转换，将能量以无线微波的方式传输到接收天线。
如图2所示，本发明中球冠聚光镜101通过的球面聚光原理，光线经过球面的反射，汇聚在[0,R/2]的轴半径范围内，如图3所示，基于球冠聚光镜101一次反射区域只有单次反射的特点并利用反射光线的包络曲线，光伏电池阵102的母线以等光强为目标设计得到。从原理上讲，入射的太阳光能全部汇聚在光伏电池阵102上。
球冠聚光镜101的口径的大小表示为
d＝D·sinα
式中，D为球直径，α＝π/3为光线入射角。
聚光镜收集到的能量为，
Figure BDA0003652123330000051
式中，W为太阳能收集功率，I为入射光功率密度，1367W/m2，ηc为聚光镜的能量收集效率。
光伏电池阵输出能量为，
E＝W·ηpv·ηem
式中，ηpv为光伏电池光电转换效率，ηem为电力管理效率。
如图4所示，空间仿生辐射器103内部包含盛放冷却液的柔性管路，辐射面板为轻质的、高辐射率的柔性材料制备。
空间仿生辐射器103的外形采用仿蝴蝶翅膀外形，且内部采用仿蝴蝶脉络。空间仿生辐射器103置于光伏电池阵102底部，结合图1，空间仿生辐射器103始终处于球冠聚光镜101背光侧，始终面向冷空，在轨运行期间，对光伏电池阵102进行热管理。
全向发射天线106是由多个正六边形通过边连接形成的阵列天线。
每个正六边形的拐角处垂直连接一个由若干个极点组成的垂直线阵列。
全向发射天线106的远场方向图表示为：
Figure BDA0003652123330000061
Figure BDA0003652123330000062
式中，
Figure BDA0003652123330000063
为空间观察方向，
Figure BDA0003652123330000064
为第n个单元的电流，k为传播常数，rn为第n个单元的位置向量，
Figure BDA0003652123330000065
为空间观察方向的单位矢量，N为单元个数，j为虚数单位。
全向发射天线106的3dB波束宽度的水平方向辐射角度θ1与竖直方向辐射角度θ2分别为：
Figure BDA0003652123330000066
Figure BDA0003652123330000067
式中λ为波长，
Figure BDA0003652123330000068
为全向发射天线口径，L为垂直线阵列高度。
光伏电池阵102与发射天线106通过传输电缆104连接，传输电缆104采用低温超导电缆，光伏电池阵102通过传输电缆104将产生的直流电分别传输到位于球冠聚光镜101南北极的两个全向发射天线106，传输电缆104固定于球冠聚光镜101背光侧，如图5所示，光伏电池阵102经过光电转换产生直流电，直流电通过传输电缆104给全向发射天线106馈电，全向发射天线106可实现360°范围内的微波发射。
如图6所示，球冠聚光镜101包括可展开碳纤维管602，可展开碳纤维管602可采用豆荚杆等展开结构，可展开碳纤维管602上连接多个六边形反光薄膜601，可展开碳纤维管602对多个六边形反光薄膜601进行支撑。
光伏电池阵102为多结砷化镓光伏电池，具有高转换效率、抗辐射和轻质的优点。
电推进器105有多个，分布在球冠聚光镜101外部的背光侧上，多个电推进器105共同作用，实现球冠聚光镜101的对日追踪。
本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站工作原理如下：
在地球静止轨道GEO上，球冠聚光镜101收集汇聚空间太阳能到光伏电池阵102上。光伏电池阵102经过光电转换产生直流电，直流电通过传输电缆104给全向发射天线106馈电，经过全向发射天线106上的功率转换器件将直流电转换为微波，通过全向发射天线106的天线阵面将能量以无线微波的形式发射出去。在轨运行期间，分布在球冠聚光镜101背光侧的电推进器105实现系统的对日跟踪，全向发射天线106能够实现360°范围内的微波发射，无需调整姿态。空间仿生辐射器103通过热流体管路与光伏电池阵102相互热连接，光伏电池阵102进行热管理，并共同固连在聚光镜101上。
通过上述方式，本发明光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，完美消除了原方案中存在的问题，避免了薄膜凹透凸反的难题，消除了薄膜对微波透明的需求，破解了电刷进行高压巨功率电能传输的可靠性低的难题，具有构型简单，易于实现，光收集率高，控制简单的特点。

Claims (10)

1.光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，包括球冠聚光镜(101)，所述球冠聚光镜(101)的外形为利用球面聚光原理，并取用球面一次反射区域形成的部分球面形状，所述球冠聚光镜(101)背光侧连接电推进器(105)，所述球冠聚光镜(101)中线聚焦处连接光伏电池阵(102)，所述光伏电池阵(102)端部连接穿过球冠聚光镜(101)的空间仿生辐射器(103)，所述光伏电池阵(102)的电输出端连接全向发射天线(106)。
2.根据权利要求1所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，所述全向发射天线(106)是由多个正六边形通过边连接形成的阵列天线。
3.根据权利要求2所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，每个所述正六边形的拐角处垂直连接一个由若干个极点组成的垂直线阵列。
4.根据权利要求1所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，所述全向发射天线(106)的远场方向图表示为：
Figure FDA0003652123320000011
Figure FDA0003652123320000012
式中，
Figure FDA0003652123320000013
为空间观察方向，
Figure FDA0003652123320000014
为第n个单元的电流，k为传播常数，rn为第n个单元的位置向量，
Figure FDA0003652123320000015
为空间观察方向的单位矢量，N为单元个数，j为虚数单位。
5.根据权利要求4所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，所述全向发射天线(106)的3dB波束宽度的水平方向辐射角度θ1与竖直方向辐射角度θ2分别为：
Figure FDA0003652123320000021
Figure FDA0003652123320000022
式中λ为波长，
Figure FDA0003652123320000023
为全向发射天线口径，L为垂直线阵列高度。
6.根据权利要求1所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，所述空间仿生辐射器(103)内部包含盛放冷却液的柔性管路。
7.根据权利要求1所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，所述空间仿生辐射器(103)的外形采用仿蝴蝶翅膀外形，且内部采用仿蝴蝶脉络。
8.根据权利要求1所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，所述光伏电池阵(102)与发射天线(106)通过传输电缆(104)连接。
9.根据权利要求1所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，所述球冠聚光镜(101)包括可展开碳纤维管(602)，所述可展开碳纤维管(602)上连接多个六边形反光薄膜(601)。
10.根据权利要求1所述光机电集成设计的OMEGA-2.0空间太阳能电站，其特征在于，所述光伏电池阵(102)为多结砷化镓光伏电池。
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