一种基于ENZ超材料的聚光型空间太阳能电站

摘要

本发明涉及一种基于ENZ超材料的聚光型空间太阳能电站，包括球形聚光器，非接触式导电旋转关节包括固定盘、导电定子和导电转子，导电定子的一端与固定盘的一侧焊接，导电转子的中部设有圆形通孔，导电转子与导电定子套接，半球形光伏电池阵的顶侧和底侧各设有一个非接触式导电旋转关节，半球形光伏电池阵的顶侧和底侧分别与导电转子固接，微波发射天线系统的两端分别与导电定子的另一端焊接，固定盘的另一侧面分别与三个牵引索的一端等间距固接，球形聚光器的顶侧和底侧均设有固定环，三个牵引索的另一端分别与固定环等间距固定连接，控制计算机与非接触式导电旋转关节相连，用以控制非接触式导电旋转关节从而实现半球形光伏电池阵对日定向。

说明书

技术领域

本发明属于空间技术领域，特别涉及一种基于ENZ超材料的聚光型空间太阳能电站。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的物质基础之一。随着社会的发展，人类对能源的需求量越来越大。预计到2050年，全世界人口将超过100亿，相应的，人类对于能源的需求量也将从2007年的15TW·年，增长到2050年的50TW·年。而作为目前人类的主要能源——化石能源在不久的将来将会消耗殆尽。因而，人类需要寻求一种新型的可持续发展能源。

太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色能源，受到越来越多的关注。地面太阳能，由于其受到四季变化、昼夜、天气等因素影响，照射到地面的平均功率密度仅为140W/m²。而在外太空中，一年99％的时间都可稳定的接收太阳能，太阳能的平均功率密度高达1368W/m²。因而如何高效的利用空间太阳能是需要人类不断探索的课题之一。

空间太阳能电站(Space Solar Power Satellite-SSPS)是一种在太空中收集太阳能，然后将太阳能转换为电能，再将电能以微波的形式传输到地面的新型能源系统。该概念自1968年提出以来，受到了世界各国的广泛关注，同时，几十种空间太阳能电站方案被提出。总的来说，现有的空间太阳能电站方案可归纳为非聚光型和聚光型两大类。为了保证空间太阳能电站高效工作，光伏电池/聚光器需实时对准太阳，而发射天线需实时对准地球。对于非聚光型空间太阳能电站，如1979-SSPS基准系统，为保证持续稳定地为地面供电，巨型桁架式光伏电池阵的姿态需实时调整以对准太阳。这样，系统的控制难度大，且由于系统不聚光，所需光伏电池面积大，系统质量大，造价高。为了降低系统质量，同时提高光伏电池利用率，现有的电站大多采用聚光型方案，如集成对称聚光空间太阳能电站、ALPHA-SSPS和OMEGA-SSPS。对于聚光型方案，为了高效收集太阳能，整个聚光系统或者聚光系统中独立的聚光镜需实时调整。这样，控制系统复杂。同时，聚光型方案大多采用“三明治”结构，即将光伏电池、微波转换器件、和发射天线三者集成起来。这样，器件所产生的热量难以散出，系统的热问题严重。此外，现有的聚光型方案的均存在一个问题——光的斜入射问题，即照射到光伏电池的太阳光与光伏电池的法线方向存在一定夹角θ。这样会导致系统有效收集的太阳能P_收集与入射的太阳能P_入射存在余弦关系(P_收集＝cosθ·P_入射)，系统的太阳光收集效率低。

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的目的在于克服现有聚光型空间太阳能电站方案存在的问题，提出一种基于ENZ(ε-Near-Zero)超材料的球形空间太阳能电站。该方案不仅解决了现有聚光方案中聚光器需实时调整的控制难题，还能保证了太阳光的垂直入射，从而大大提高了系统的太阳光收集效率，此外，该方案还能在一定程度上缓解现有聚光方案中“三明治”结构存在的散热难题。

技术方案：一种基于ENZ超材料的聚光型空间太阳能电站，包括球形聚光器、半球形光伏电池阵、非接触式导电旋转关节、微波发射天线系统、牵引索以及控制计算机，

所述非接触式导电旋转关节包括固定盘、导电定子和导电转子，所述导电定子的一端与所述固定盘的一侧焊接，所述导电转子的中部设有圆形通孔，所述导电转子与所述导电定子套接，

所述半球形光伏电池阵的顶侧和底侧各设有一个非接触式导电旋转关节，所述半球形光伏电池阵的顶侧和底侧分别与导电转子固接，微波发射天线系统的两端分别与导电定子的另一端焊接，所述固定盘的另一侧面分别与三个牵引索的一端等间距固接，

所述球形聚光器的顶侧和底侧均设有固定环，三个牵引索的另一端分别与固定环等间距固定连接，

控制计算机与非接触式导电旋转关节相连，用以控制非接触式导电旋转关节从而实现半球形光伏电池阵对日定向。

进一步地，所述球形聚光器由3230个六边形模块和12个正五边形模块相互拼接而成，3230个六边形模块和12个正五边形模块的拼接符合经纬线划分原理，相邻的模块之间通过等间距布设的三个门形连接件固定连接，

所述六边形模块包括六边形框架和透光薄膜，透光薄膜的形状与六边形框架的形状相适应，透光薄膜的边缘处等间距设有多个连接环，拉索的一端与该连接环固接，拉索的另一端与六边形框架固接，

所述正五边形模块包括五边形框架和透光薄膜，透光薄膜的形状与正五边形框架的形状相适应，透光薄膜的边缘处等间距设有多个连接环，拉索的一端与该连接环固接，拉索的另一端与正五边形框架固接。

更进一步地，透光薄膜为ENZ超材料薄膜。

进一步地，所述半球形光伏电池阵包括由1615个六边形电池模块和6个正五边形电池模块相互拼接而成，1615个六边形电池模块和6个正五边形电池模块的拼接符合经纬线划分原理，相邻的电池模块之间通过等间距布设的三个门形连接件固定连接，

所述六边形电池模块包括光伏电池和由空心碳纤维管组成的六边形支撑框架，所述光伏电池的形状与所述六边形支撑框架的形状相配合，所述光伏电池的边缘处等间距设有多个连接环，拉索的一端通过该连接环相连，拉索的另一端与六边形支撑框架固接，

所述正五边形电池模块包括光伏电池和由空心碳纤维管组成的正五边形支撑框架，所述光伏电池的形状与所述正五边形支撑框架的形状相配合，所述光伏电池的边缘处等间距设有多个连接环，拉索的一端通过该连接环相连，拉索的另一端与正五边形支撑框架固接。

更进一步地，光伏电池为多结薄膜砷化镓太阳能电池。

进一步地，牵引索为芳纶索。

有益效果：本发明公开的：一种基于ENZ超材料的聚光型空间太阳能电站具有以下有益效果：

1、本发明的聚光型空间太阳能电站所涉及的聚光器不需要调整，从而解决了现有聚光型方案所带来的控制难题；

2、本发明的空间太阳能电站由于太阳光垂直照射到光伏电池阵上，因而解决了现有聚光型方案中存在的太阳光斜入射问题，这样可大大提高系统的太阳光收集效率，进而也提高了光伏电池的利用率，最终可提高系统的整体效率；

3、本发明的空间太阳能电站由于将光伏电池与发射天线分离设计，这在一定程度上可缓解系统的散热难题；

4、本发明的空间太阳能电站聚光器和光伏电池阵均采用模块化设计，便于大规模生产，从而可降低制造成本；

5、本发明的空间太阳能电站采用了非接触式导电旋转关节，解决了传统的接触式导电旋转关节存在的机械磨损，以及容易出现空间放电等问题。

附图说明

图1是本发明公开的聚光型空间太阳能电站的示意图；

图2是本发明公开的聚光型空间太阳能电站的工作原理示意图；

图3是球形聚光器的示意图；

图4是ENZ超材料薄膜的光学特性示意图；

图5是球形聚光器的工作原理示意图；

图6是半球形光伏电池的拼接示意图；

图7是非接触式导电旋转关节的示意图；

图8是牵引索与聚光器和发射天线连接示意图；

图9为球形聚光器的六边形模块示意图

图10球形聚光器六边形模块与正五边形模块拼接示意图

其中：

1-球形聚光器 2-半球形光伏电池阵

3-非接触式导电旋转关节 4-微波发射天线系统

5-牵引索 6-透光薄膜

7-固定盘 8-导电定子

9-导电转子 10-六边形框架

11-拉索

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

如图1～10所示，一种基于ENZ超材料的聚光型空间太阳能电站，包括球形聚光器1、半球形光伏电池阵2、非接触式导电旋转关节3、微波发射天线系统4、牵引索5以及控制计算机，

非接触式导电旋转关节3包括固定盘7、导电定子8和导电转子9，导电定子8的一端与固定盘7的一侧焊接，导电转子9的中部设有圆形通孔，导电转子9与导电定子8套接，

半球形光伏电池阵2的顶侧和底侧各设有一个非接触式导电旋转关节3，半球形光伏电池阵2的顶侧和底侧分别与导电转子9固接(焊接)，微波发射天线系统4的两端分别与导电定子8的另一端焊接，固定盘7的另一侧面分别与三个牵引索5的一端等间距固接(焊接)，

球形聚光器1的顶侧和底侧均设有固定环，三个牵引索5的另一端分别与固定环等间距固定连接，

控制计算机与非接触式导电旋转关节3相连，用以控制非接触式导电旋转关节3从而实现半球形光伏电池阵2对日定向。

进一步地，球形聚光器1由3230个六边形模块和12个正五边形模块相互拼接而成，3230个六边形模块和12个正五边形模块的拼接符合经纬线划分原理，相邻的模块之间通过等间距布设的三个门形连接件固定连接，

六边形模块包括六边形框架10和透光薄膜，透光薄膜6的形状与六边形框架10的形状相适应，透光薄膜6的边缘处等间距设有多个连接环，拉索11的一端与该连接环固接，拉索11的另一端与六边形框架10固接，

正五边形模块包括五边形框架和透光薄膜6，透光薄膜6的形状与正五边形框架的形状相适应，透光薄膜6的边缘处等间距设有多个连接环，拉索11的一端与该连接环固接，拉索11的另一端与正五边形框架固接。

更进一步地，透光薄膜6为ENZ超材料薄膜。

进一步地，半球形光伏电池阵2包括由1615个六边形电池模块和6个正五边形电池模块相互拼接而成，1615个六边形电池模块和6个正五边形电池模块的拼接符合经纬线划分原理，相邻的电池模块之间通过等间距布设的三个门形连接件固定连接，

六边形电池模块包括光伏电池和由空心碳纤维管组成的六边形支撑框架，光伏电池的形状与六边形支撑框架的形状相配合，光伏电池的边缘处等间距设有多个连接环，拉索的一端通过该连接环相连，拉索的另一端与六边形支撑框架固接，

正五边形电池模块包括光伏电池和由空心碳纤维管组成的正五边形支撑框架，光伏电池的形状与正五边形支撑框架的形状相配合，光伏电池的边缘处等间距设有多个连接环，拉索的一端通过该连接环相连，拉索的另一端与正五边形支撑框架固接。

更进一步地，光伏电池为多结薄膜砷化镓太阳能电池。

进一步地，牵引索5为芳纶索。

一种基于ENZ超材料的聚光型空间太阳能电站在轨工作原理如图2所示。具体工作原理为球形聚光器1保持固定不动，在轨运行时，通过安装在半球形光伏电池阵2上的太阳敏感器获取太阳的方位信息，进而将该信息发送给控制计算机，通过控制计算机计算得到与半球形光伏电池阵2连接的非接触式导电旋转关节3需转动的角度，并给非接触式导电旋转关节3发出相应的控制指令，从而实现光伏电池阵实时对准太阳。半球形光伏电池阵2产生的直流电通过非接触式导电旋转关节3传输到微波发射天线系统4，进而通过安装在发射天线系统的微波器件将电能转换为微波加载到发射天线，然后通过发射天线将微波能传输到地面接收天线，地面接收天线将收集到的微波能通过整流电路转换为电能，最后并入电网。

ENZ超材料薄膜能够使得沿任意方向入射的太阳光，沿着其法线方向垂直射出(如图4所示)。通过ENZ超材料薄膜，入射太阳光将被汇聚于球形聚光器1的中心，为了将照射在光伏电池上的太阳光强保持在一个合理的区间，光伏电池被设计为半球形(如图5所示)。从图5可看出，利用ENZ超材料薄膜，照射到聚光器上的太阳光将被折射，进而垂直照射到半球形光伏电池阵2，从而高效的将太阳能转换为电能；

微波发射天线系统4包括振荡器、功分网络、移相器、放大器、天线单元和波控系统。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。