一種空間太陽能電站的制作方法

本發明屬于空間太陽能電站技術領域，提供一種改進的OMEGA-SSPS空間太陽能電站方案。

背景技術：

由于人類對生存環境要求的日益提高，世界各國都在加大對清潔能源的研究使用力度。空間太陽能電站(SSPS，Space solarpower station)以其獨特的優勢吸引越來越多的國內外專家的研究。現在有不少的SSPS方案提出，但是近年來提出的曼金斯方案與二次對稱聚光方案因其模塊化和高聚光比的特征，及其可實現性而受到大家的廣泛關注。

西安電子科技大學空間太陽能電站研究室提出了一種OMEGA-SSPS(Orb-shape Membrane Energy Gathering Array,OMEGA)方案，該方案是由聚光器、電池陣、導電系統及發射天線組成。曼金斯方案是模塊化集合而成，但因其聚光器為酒杯狀，因此各個模塊在一天的時間內需要不斷的調整，調整復雜，聚光光路復雜且不容易控制。二次對稱聚光方案則是整體鏡面需要旋轉，這種大型空間旋轉結構降低了整體結構的可靠性。新方案中聚光器為球形，其回轉體特性及單向透光薄膜或對日鏡面打開調整方法保證其在同步軌道運行的時候，不需要大規模旋轉調整。另外曼金斯方案和二次對稱聚光方案的發射天線與電池陣集合在一塊，使用三明治或者梯形結構，對散熱要求高。新方案中，電池陣和天線陣的分離會大大降低熱問題，有利于提高電池的轉換效率和天線的發射效率。

OMEGA-SSPS聚光器利用球面進行聚光，聚光部分收集能量，光線進入球內后，將聚集在中間的電池陣上。其回轉體特性及單向透光薄膜或對日鏡面打開調整方法保證整個結構在軌運行時不需要調整。但若使用整個球體聚光還有一定的缺陷：如上下邊緣利用率低，熱問題集中在中間的電池陣上。初始方案切掉上下兩部分的原因即為邊緣利用率低。當光線赤道平面方向照射到主反射體時，可視為在延中軸上對稱的各點光強處處相等，因而相等的弧線長度，投影圓斜率絕對值大的地方接受到的能量多。由于在中軸邊緣的部分，投影圓的弧線的斜率的絕對值小，所以越到上下邊緣利用率越低，功質比越低，不利于降低發射成本。且在OMEGA-SSPS方案中，接受到的所有的能量都集中在中間的電池陣上，因現在光伏電池的限制，光伏轉換效率在40％左右，不轉換的能量一部分被反射，另一部分轉換為熱能集中在電池附近，這將影響電池陣附近的球內結構及球形框架結構，使得聚光器整體結構受熱不均勻，降低了結構的可靠性，且增加了控制難度。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有OMEGA-SSPS方案中的不足，針對上下部分利用率低和熱量集中這兩個問題進行了改進，提供一種空間太陽能電站，使得聚光器表面的利用率增加，并提高功質比，從而減少構建成本。

本發明的技術方案是：一種空間太陽能電站，包括聚光器、太陽能電池陣、微波發射天線、牽引索以及傳輸電纜，所述聚光器由上、中、下三部分環狀球面相接構成，其中中間球面的曲率半徑大于上、下兩邊球面的曲率半徑；太陽能電池陣在聚光器的上、中、下每部分的赤道位置上通過滑動副與其相連，并圍繞著微波發射天線旋轉；所述微波發射天線通過6根牽引索與聚光器的上、下邊緣的外框相連；太陽能電池陣與微波發射天線通過導電結構以及傳輸電纜電連接。

上述聚光器的上、中、下各部分均由若干組六邊形的單向透光薄膜和相對應的六邊形的支撐框架組成；所述支撐框架為盤繞式支撐臂，單向透光薄膜通過設于膜邊緣的短拉索懸掛在所述支撐框架上。

上述太陽能電池陣的太陽能電池為三結砷化鎵電池。

上述太陽能電池陣的太陽能電池為三組級聯的電池陣，各組太陽能電池分別通過滑動副對應連接于聚光器上、中、下各部分的中心環位置處，并圍繞著微波發射天線中心軸旋轉。

上述微波發射天線為有源相控陣天線。

上述傳輸電纜采用低溫超導電纜。

上述導電結構包括導電內筒、導電外筒以及導電滾環；所述導電內筒與微波發射天線固定相連，導電外筒以轉動副的形式連接于微波發射天線上并隨著太陽能電池陣轉動；導電外筒內壁和導電內筒外壁均設有環繞其周向的多個凹槽，導電外筒內壁上所設的凹槽與導電內筒外壁上所設的凹槽一一對應且相對，且每兩個相對的凹槽之間設有導電滾環。

上述微波發射天線的天線陣面使用矩形微帶天線單元組裝拼接成整個天線陣面。

上述聚光器的上、下邊緣的外框和牽引索的一端相連接，牽引索的另一端與導電內筒連接。

本發明的有益效果：1、該方案聚光器的光收集效率高，同時，該聚光器為垂直赤道的軸的軸對稱回轉體，光收集波動小；

2、該聚光器不需要轉動；

3、傳輸電纜的長度比太陽帆方案大幅度降低；

4、大大提高光伏電池陣上電池的均勻性。利用幾何知識可以得到光線入射角與聚焦在中心線上的關系為

公式中的a為垂直入射光線與球面切線的夾角，h為電池距聚光器底部的距離，由此可以得到每個電池的高度。新方案電池光線的入射角為：

a₁＝25.65，a₂＝34.34 (2)

計算得兩種位置電池的高度范圍為：中間段的電池工作范圍為0.4453～0.5，邊緣段的電池工作范圍為0.3945～0.5。之前光功率不均勻分布在0～R內，由式(1)可知電池柱面的聚光不均勻，光功率表主要集中在電池上方，越到電池底部光功率越低且下降越快。現在減小了了范圍，只取了上方的聚光效果，這將大大提高電池的均勻度。電池的溫度可以通過增加電池柱面的寬度來降低。

5、對比OMEGA-SSPS球面聚光系統與新方案聚光系統的參數(以1540m的主反射面半徑，春秋分日設計為例)如表1所示。由表可以看出該方案較原始方案有很大的功質比的提升，聚光器功質比增加了11.47％。該方案不僅使聚光鏡的口徑面增大，而且降低了總面積，這將使未來發射的成本大大降低。

表1 OMEGA-SSPS球面聚光系統與新方案聚光系統的參數對比

以下將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖；

圖2是本發明的球面聚光的工作原理圖；

圖3是聚光器的主反射面構型生成圖的示意圖；

圖4是圖1中的球狀結構拓撲示意圖；

圖5是圖4中的聚光器每個六邊形模塊示意圖；

圖6是圖1中的導電結構示意圖；

圖7是圖1中的微波發射天線模塊化設計示意圖；

圖8是圖1中微波發射天線與聚光器連接結構示意圖。

附圖標記說明：101-聚光器，102-太陽能電池陣，103-微波發射天線，104-傳輸電纜，105-導電結構，106-牽引索，501-支撐框架，502-單向透光薄膜，601-導電內筒，602-導電外筒，603-凹槽，604-導電滾環，701-外框。

具體實施方式

參照圖1，本發明提供了一種空間太陽能電站，包括聚光器101、太陽能電池陣102、微波發射天線103、牽引索106以及傳輸電纜104，所述聚光器101為保證光收集率和聚光效率，其結構由上、中、下三部分環狀球面相接構成，其中中間球面的曲率半徑大于上、下兩邊球面的曲率半徑，以增加功質比。在地球靜止軌道GEO上，太陽能電池陣102在聚光器101的上、中、下每部分中心環位置處(即赤道位置處)通過滑動副與其相連，并圍繞著微波發射天線103旋轉；所述微波發射天線103通過6根牽引索106與聚光器101的上、下邊緣的外框701相連，以保持天線陣面指向地球。太陽能電池陣102與微波發射天線103通過導電結構105以及傳輸電纜104電連接。聚光器101將太陽光匯聚到太陽能電池陣102上，太陽能電池陣102進行光電轉換并產生直流電，直流電通過傳輸電纜104傳輸到導電結構105，然后再傳輸到微波發射天線103，通過微波發射天線103將微波發射出去。

所述聚光器101的上、中、下各部分均由若干組六邊形的單向透光薄膜502和相對應的六邊形的支撐框架501組成；所述支撐框架501為盤繞式支撐臂，單向透光薄膜502通過設于膜邊緣的短拉索懸掛在所述支撐框架501上。參照圖2，球面聚光原理，光線從外面入射最后落在0～R/2的范圍內。參照圖3，OMEGA-SSPS模型是以O點為圓心R為半徑畫弧至處，然后繞中心y軸旋轉一周得到聚光器101的主反射面構型。改進的新方案是先以中心點O為圓心畫弧至y坐標為處，再以為圓心O₂，O₂A為半徑，畫弧至y坐標為處，得到新的圓弧，然后再繞中心y軸旋轉一周得到新的主反射面構型。參照圖4，聚光器101是由若干六邊形拼接而成，單個球面的拓撲結構如圖所示。參照圖5，聚光器的每個六邊形由盤繞式支撐臂和單向透光薄膜組成。

所述太陽能電池陣102的太陽能電池為三結砷化鎵電池。

所述太陽能電池陣102的太陽能電池為三組級聯的電池陣，各組太陽能電池分別通過滑動副對應連接于聚光器101上、中、下各部分的中心環位置處，并圍繞著微波發射天線103中心軸旋轉。

所述微波發射天線103為有源相控陣天線，包括振蕩器、移相器和放大器；可以將直流電轉換為微波，并由功率分配到天線陣面，天線陣面將微波發射出去。

所述傳輸電纜104采用低溫超導電纜。

參照圖6，所述導電結構105包括導電內筒601、導電外筒602以及導電滾環604；所述導電內筒601與微波發射天線103固定相連，導電外筒602以轉動副的形式連接于微波發射天線103上并隨著太陽能電池陣102轉動；導電外筒602內壁和導電內筒601外壁均設有環繞其周向的多個用以定位導電滾環604的凹槽603，導電外筒602內壁上所設的凹槽603與導電內筒601外壁上所設的凹槽603一一對應且相對，且每兩個相對的凹槽603之間設有導電滾環604，導電滾環604在凹槽603間滾動。所述傳輸電纜104優選采用低溫超導電纜。

參照圖7，所述微波發射天線103的天線陣面使用矩形微帶天線單元組裝拼接成整個天線陣面，其采用的是模塊化設計，優選使用六邊形天線單元組裝拼接成整個天線陣面。

參照圖8，所述聚光器101的上、下邊緣的外框701和牽引索106的一端相連接，牽引索106的另一端與導電內筒601連接。

本發明的工作原理如下：

在地球靜止軌道GEO上，聚光器101將太陽光匯聚到太陽能電池陣102上，太陽能電池陣102隨著每日時間的變化在二維平面上進行旋轉以跟蹤球面反射的太陽光，太陽能電池陣102進行光電轉換并產生直流電，直流電通過傳輸電纜104傳輸至導電結構105后，直流電最終傳輸到微波發射天線103，經微波發射天線103上的振蕩器、移相器和放大器將直流電轉換為微波，由功率分配到天線陣面，然后天線陣面將微波發射到地面。微波發射天線103通過6根牽引索106與聚光器101相連，以保持天線陣面指向地球。

綜上所述，本發明的球形聚光空間太陽能電站具有光收集效率高，天線與聚光器的連接結構質量低，傳輸電纜短的特點，并在一定程度上降低散熱系統的設計難度，提高電池表面的光均勻性。

本實施方式中沒有詳細敘述的部分屬本行業的公知的常用手段，這里不一一敘述。以上例舉僅僅是對本發明的舉例說明，并不構成對本發明的保護范圍的限制，凡是與本發明相同或相似的設計均屬于本發明的保護范圍之內。