CN115133865A - 一种跨时域太阳能高效传输供能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跨时域太阳能高效传输供能系统，其特征在于：包括太阳能卫星，在该太阳能卫星上设有菲涅尔透镜阵列板，该菲涅尔透镜阵列板上嵌有若干个菲涅尔透镜，每个所述菲涅尔透镜的光路下游配有单根光纤，若干根所述单根光纤汇聚组成光纤束，在该光纤束末端设有能量定向发射装置，用于将太阳光进行转向和汇聚，而后生成平行高强太阳光束向地面能量供给区域发射，经过能量接收转换系统实现地面供能。本发明能够直接传输空间中的连续获得的太阳光至地面能量接收转换系统，实现跨时域高效供能，且通过轻型光纤对太阳光进行传导汇聚，实现了系统轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能应用技术领域，具体为一种跨时域太阳能高效传输供 能系统。
背景技术
与其他可再生能源(风能、波浪能、地热能、潮汐能等)相比，太阳能 是最有前途的可再生能源。为了减少碳排放，实现可持续发展，如何巧妙地 利用太阳能是当代人需要回答的关键问题。为响应国家2030年节能减排的目 标，需要大幅提高太阳能产能容量，目前通用的两种主要扩大太阳能产能容 量的方法为：(一)提高光电转换效率；(二)扩大太阳能电站的数量和规模。
目前，采用上述两种方法扩大太阳能产能的做法存在较大的局限。理论 上最大的光电转换效率只能达到29.1％，而现在最先进的硅基太阳能光伏板也 只能达到26.7％，说明利用第一种方法扩大太阳能使用比例的潜力并不大(但 这些已公布的“高”效率只能在远离实际应用的实验室中实现，而工业太阳 能电池板的效率远低于实验室获得的效率(约20％)。因此，目前工业上太阳 能利用率极低，最新的硅基太阳能电池的效率仍不尽如人意(即使是理论上 的高效硅太阳能电池)，故采用第一种方法能高太阳能产能量有较大局限；第 二种方法不仅耗时耗力还需占用大量土地资源建造更多的太阳能电站才能满 足需求。
近年来，由于政府和非政府组织的报道引起媒体越来越多的关注，以及 私营公司和国家空间机构努力开发或鼓励开发实用的太空太阳能系统。由于 不受云或大气的衰减，来自太阳的光在太空中更强，相较于必须应对季节性 阳光变化和夜间陆地太阳能系统，地球同步轨道上的卫星基本上全年都能被 照亮。早在1968年，美国就提出了特大型“太阳能卫星”的概念，以克服太 阳能发电受时间空间的影响24小时满足地面能源需求。太阳能卫星部署在围 绕地球的轨道上，该轨道上阳光几乎可以连续获得，而后通过能量转换成无线电波或激光的形式发射到地球上的微波/激光接收器，然后再转变成电能供 人类使用。然而，应用太阳能卫星的超高成本(主要是航天发射成本)阻碍 了该概念在当时的实际应用，导致如今的太阳能卫星研究仍处于初级阶段。
目前，商用航天系统和可重复使用发射技术的发展大大降低了发射成本， 提高了太阳能卫星的可行性，部署太阳能卫星的方案再次被各国提上日程， 以期一定程度上缓解目前人类所面临的能源危机。太阳能卫星的关键模块是 能量传输模块。传统无线能量传输的方案是利用太阳能卫星的光伏板产生电 能，然后产生的电能再转化成微波或者激光，再通过微波或者激光发射至地 面，地面设备再将接收到的微波或者激光转化成能够使用的电能。然而上述 两种方案(微波传输或者激光传输)都存在结构复杂、能量转换环节多、系统效率低等问题。理论上采用上述微波或者激光的最高传输效率小于10％(A. Turner,Proceedings of AIAA SPACE 2006 Conference&Exposition,AIAA 2006-7493)。
为了提高能量传输的效率，美国在2006年提出一种部署在太阳能卫星上 的不进行中间能量转换的直接采用太阳光传输的能高效供能系统，通过大量 的反射透镜进行太阳光的转向，使之对准太阳能接收装置。相较于微波和激 光传输系统，理论上效率提高了一倍。太阳能卫星采用的太阳光传输技术， 即便是在地球夜间也能够提供连续的太阳能，使得现有的光伏电站(通常建 立在沙漠中)24小时都能够接收太阳光照射，实现跨时域供能，使太阳能发 电容量瞬间翻倍。但是系统中存在有大量的反射透镜，不仅增加了系统重量， 也使系统的可靠性降低。
发明内容
为了高效化和轻量化能量传输系统，本发明公开了一种跨时域太阳能高 效传输供能系统，利用光纤导光实现太阳光轻松转向，在保证高效的前提下， 实现了轻量化的目的。
一种跨时域太阳能高效传输供能系统，包括太阳能卫星，太阳能卫星上 设有菲涅尔透镜阵列板，菲涅尔透镜阵列板上嵌有若干个菲涅尔透镜，每个 菲涅尔透镜的光路下游配有单根光纤，若干根单根光纤汇聚组成光纤束。在 光纤束末端设有能量定向发射装置，用于将太阳光进行转向和汇聚，而后生 成平行高强太阳光束，向地面能量供给区域发射，并经过地面能量供给区域 上的能量接收转换系统实现地面供能。
作为优选，菲涅尔透镜阵列板连接控制臂，控制臂用于调整所述菲涅尔 透镜阵列板的方向，使其垂直于平行入射太阳光。
作为优选，单根光纤的光路上游段设有光纤耦合器，且该光纤耦合器设 于菲涅尔透镜的焦点处，使菲涅尔透镜输出的太阳光能最大限度地耦合到所 述单根光纤中。
作为优选，能量定量发射装置包括光纤准直器、大非球面聚光镜和小非 球面聚光镜，光纤准直器接入单根光纤的末端，用于将单根光纤内的传输光 信号转变成平行太阳光射向大非球面聚光镜，大非球面聚光镜聚焦该平行太 阳光并射向小非球面聚光镜以使该平行太阳光进一步汇聚，并形成平行高强 太阳光束。
作为优选，定义一列所述光纤准直器射出的准直光能量密度为Q，大非 球面聚光镜直径为R，焦距为a，发射光能量效率为η，则小非球面聚光镜的 半径
且小非球面聚光镜位于大非球面聚光镜的中心线上，距离大 非球面聚光镜的焦点处为b，
作为优选，上能量接收转换系统位于地面能量供给区域，该系统包括太 阳能电板和与该太阳能电板电性连接的蓄电装置，太阳能电板接收能量定量 发射装置发出的平行高强太阳光束并产生电能，电能流入蓄电/负载装置以供 使用。
有益效果：
(1)本发明能够将空间中的太阳光直接传输至地面太阳能接收系统，达 到跨时域高效供能的目的；
(2)本发明通过部署在空间太阳能卫星上的轻型光纤对高能太阳光进行 传导汇聚，并实现太阳光转向，使其可以方便实时对准地面接收装置，保证 了传输效率的同时，达到设备轻量化的目的；
(3)本发明的能量传输无中间能量转换环节，总体转换效率比现有的采 用微波或者激光传输的效率高；
(4)本发明还可满足月球背面探测器、着陆器以及卫星-卫星的供能需求， 由于没有大气层对太阳光的损失效率，故宇宙空间能量传输应用的效率可达 24％。
附图说明
图1为本发明一个实施例的跨时域太阳能高效供能系统图；
图2为本发明一个实施例的太阳能卫星上的单个光纤能量传输示意图；
图3为本发明一个实施例的能量接收转换系统示意图；
图4为本发明一个实施例的能量定向发射装置中发射部分设计计算图。
附图标记：1空间中平行入射太阳光、2菲涅尔透镜阵列板、3单根光纤、 4控制臂、5光纤束、6太阳能供给卫星主体、7能量定向发射装置、7-1光纤 准直器、7-2大非球面聚光镜、7-3小非球面聚光镜、8昼半球、9能量供给区 域、10夜半球、11菲涅尔透镜、12光纤耦合器、13平行高强太阳光束、14 太阳能电板、15蓄电/负载装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种跨时域太阳能高效传输功能系统，该系统安装在空间 太阳能卫星，通过将空间太阳能收集，汇聚，柔性传输与发射，将高能汇聚 太阳能光束发射向指定地面太阳能接收装置，产生电能。通过轻型光纤对太 阳光进行汇聚转向，使其可以方便实时对准地面接收装置，系统重量轻、可 靠性高，并且由于宇宙空间可以连续获得稳定的太阳光，可24小时供能给地 面上的太阳能电站，实现跨时域供能。
如图1所示，为本跨时域太阳能高效传输供能系统图。包括菲涅尔透镜 阵列板2、菲涅尔透镜11、单根光纤3、控制臂4和太阳能供给卫星主体6， 菲涅尔透镜阵列板2上嵌有若干个菲涅尔透镜11，每个菲涅尔透镜11的光路 下游都配有单根光纤3，用以传输该菲涅耳透镜11所汇聚的太阳光，且单根 光纤3的数量与菲涅尔透镜11的数量保持一致。所有单根光纤3汇聚组成光 纤束5，光纤束5的末端设有能量定向发射装置7，用于将太阳光进行转向和 汇聚，而后生成平行高强太阳光束13，该能量定向发射装置7的对准位置受 太阳能供给卫星主体6控制，使能量定向发射装置7发出的平行高强太阳光 束13准确照射向处于夜半球10的能量供给区域9。将地球分为昼半球8和夜 半球10，昼半球8可直接照射平行太阳光1以获取太阳能，能量供给区域9 位于夜半球10上，经过该跨时域高效供能系统可不间断获取太阳能，大大增 加太阳能发电容量。菲涅尔透镜阵列板2连接控制臂4，控制臂4由太阳能供 给卫星主体6控制，以实现对菲涅尔透镜阵列板2的方向控制，保证菲涅尔 透镜阵列板2总是垂直于空间中平行入射太阳光1，最大程度地收集太阳能。
如图2所示，为太阳能卫星上的单个光纤能量传输示意图。单根光纤3 的光路上游段设有光纤耦合器12，且光纤耦合器12设于菲涅尔透镜11的焦 点处，使菲涅尔透镜11输出的太阳光能够最大最大限度地耦合到单根光纤3 中。能量定向发射装置7包括光纤准直器7-1、大非球面聚光镜7-2和小非球 面聚光镜7-3，汇聚后的太阳光由光纤耦合器12进入单根光纤3后，由太阳 能供给卫星主体6根据能量定向发射装置7和能量供给区域9的相对位置控 制和决定控制光信号转向的方向和位置，进入光纤准直器7-1，光纤准直器7-1 接入单根光纤3的末端，用于将单根光纤3内的光信号转变成平行太阳光射 向大非球面聚光镜7-2，大非球面聚光镜7-2聚焦该平行太阳光并射向小非球 面聚光镜7-3，以使平行太阳光进一步汇聚，并形成平行高强太阳光束13射 向地面能量供给区域9，实现传输太阳能的目的。
如图3所示，为能量接收转换系统示意图。能量供给区域9上设有能量 接收转换系统，该系统包括太阳能电板14，用以接收从能量定向发射装置7 中出射的平行高强太阳光束13并产生电能，太阳能电板14电性连接蓄电/负 载装置，将产生的电能应用于日常生活生产。
如图4所示，为能量定向发射装置中发射部分设计计算图。定义整列光 纤准直器7-1出射的准直光能量密度为Q(单位：W/m2)，大非球面聚光镜7-2 直径为R，焦距为a，发射光能量效率为η，则小非球面聚光镜7-3的半径为 
且小非球面聚光镜7-2应位于大非球面聚光镜7-2的中心线上，距 离大非球面聚光镜(7-2)的焦点为b，
本发明通过部署在空间太阳能卫星上的轻型光纤对高能太阳光进行传导、 汇聚，并实现太阳光转向，使其可以方便实时对准地面接收装置，达到设备 轻量化的目的。若采用最新的光纤传输技术，其能量传输效率可达90％，汇 聚太阳光穿透晴朗大气层的效率为60％，地面采用现在最先进的硅基太阳能 光伏板进行光电转换的效率可达到26.7％，故采用本发明的能量传输效率可以 达到14％以上，相较于传统的太阳能供能方式，效率更高。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限 制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的 技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (6)
1.一种跨时域太阳能高效传输供能系统，包括太阳能卫星，其特征在于：在所述太阳能卫星上设有菲涅尔透镜阵列板(2)，该菲涅尔透镜阵列板(2)上嵌有若干个菲涅尔透镜(11)，每个所述菲涅尔透镜(11)的光路下游配有单根光纤(3)，若干根所述单根光纤(3)汇聚组成光纤束(5)，在该光纤束(5)末端设有能量定向发射装置(7)，该能量定向发射装置(7)用于将太阳光进行转向和汇聚，而后生成平行高强太阳光束(13)，向地面能量供给区域(9)发射，经过该地面能量供给区域(9)上的能量接收转换系统实现地面供能。
2.根据权利要求1所述的跨时域太阳能高效传输供能系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜阵列板(2)连接控制臂(4)，该控制臂(4)用于调整所述菲涅尔透镜阵列板(2)的方向，使其垂直于平行入射太阳光(1)。
3.根据权利要求2所述的跨时域太阳能高效传输供能系统，其特征在于：所述单根光纤(3)的光路上游段设有光纤耦合器(12)，且该光纤耦合器(12)设于所述菲涅尔透镜(11)的焦点处，使菲涅尔透镜(11)输出的太阳光能最大限度地耦合到所述单根光纤(3)中。
4.根据权利要求3所述的跨时域太阳能高效传输供能系统，其特征在于：所述能量定量发射装置(7)包括光纤准直器(7-1)、大非球面聚光镜(7-2)和小非球面聚光镜(7-3)，所述光纤准直器(7-1)接入所述单根光纤(3)的末端，用于将单根光纤(3)内的传输光信号转变成平行太阳光射向大非球面聚光镜(7-2)，所述大非球面聚光镜(7-2)聚焦所述平行太阳光并射向小非球面聚光镜(7-3)以使该平行太阳光进一步汇聚，并形成平行高强太阳光束(13)。
5.根据权利要求4所述的跨时域太阳能高效传输供能系统，其特征在于：一列所述光纤准直器(7-1)射出的准直光能量密度为Q，大非球面聚光镜(7-2)直径为R，焦距为a，发射光能量效率为η，则小非球面聚光镜(7-3)的半径
且小非球面聚光镜(7-3)位于所述大非球面聚光镜(7-2)的中心线上，距离大非球面聚光镜(7-2)的焦点处为b，
6.根据权利要求1至5任意一项所述的跨时域太阳能高效传输供能系统，其特征在于：所述上能量接收转换系统位于地面能量供给区域(9)，该系统包括太阳能电板(14)和与该太阳能电板(14)电性连接的蓄电装置(15)，所述太阳能电板(14)接收能量定量发射装置(7)发出的平行高强太阳光束(13)并产生电能，电能流入蓄电/负载装置(15)以供使用。
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