一种空间太阳能电站的制作方法

本发明属于空间太阳能电站技术领域，提供一种改进的OMEGA-SSPS空间太阳能电站方案。

背景技术：

由于人类对生存环境要求的日益提高，世界各国都在加大对清洁能源的研究使用力度。空间太阳能电站(SSPS，Space solarpower station)以其独特的优势吸引越来越多的国内外专家的研究。现在有不少的SSPS方案提出，但是近年来提出的曼金斯方案与二次对称聚光方案因其模块化和高聚光比的特征，及其可实现性而受到大家的广泛关注。

西安电子科技大学空间太阳能电站研究室提出了一种OMEGA-SSPS(Orb-shape Membrane Energy Gathering Array,OMEGA)方案，该方案是由聚光器、电池阵、导电系统及发射天线组成。曼金斯方案是模块化集合而成，但因其聚光器为酒杯状，因此各个模块在一天的时间内需要不断的调整，调整复杂，聚光光路复杂且不容易控制。二次对称聚光方案则是整体镜面需要旋转，这种大型空间旋转结构降低了整体结构的可靠性。新方案中聚光器为球形，其回转体特性及单向透光薄膜或对日镜面打开调整方法保证其在同步轨道运行的时候，不需要大规模旋转调整。另外曼金斯方案和二次对称聚光方案的发射天线与电池阵集合在一块，使用三明治或者梯形结构，对散热要求高。新方案中，电池阵和天线阵的分离会大大降低热问题，有利于提高电池的转换效率和天线的发射效率。

OMEGA-SSPS聚光器利用球面进行聚光，聚光部分收集能量，光线进入球内后，将聚集在中间的电池阵上。其回转体特性及单向透光薄膜或对日镜面打开调整方法保证整个结构在轨运行时不需要调整。但若使用整个球体聚光还有一定的缺陷：如上下边缘利用率低，热问题集中在中间的电池阵上。初始方案切掉上下两部分的原因即为边缘利用率低。当光线赤道平面方向照射到主反射体时，可视为在延中轴上对称的各点光强处处相等，因而相等的弧线长度，投影圆斜率绝对值大的地方接受到的能量多。由于在中轴边缘的部分，投影圆的弧线的斜率的绝对值小，所以越到上下边缘利用率越低，功质比越低，不利于降低发射成本。且在OMEGA-SSPS方案中，接受到的所有的能量都集中在中间的电池阵上，因现在光伏电池的限制，光伏转换效率在40％左右，不转换的能量一部分被反射，另一部分转换为热能集中在电池附近，这将影响电池阵附近的球内结构及球形框架结构，使得聚光器整体结构受热不均匀，降低了结构的可靠性，且增加了控制难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有OMEGA-SSPS方案中的不足，针对上下部分利用率低和热量集中这两个问题进行了改进，提供一种空间太阳能电站，使得聚光器表面的利用率增加，并提高功质比，从而减少构建成本。

本发明的技术方案是：一种空间太阳能电站，包括聚光器、太阳能电池阵、微波发射天线、牵引索以及传输电缆，所述聚光器由上、中、下三部分环状球面相接构成，其中中间球面的曲率半径大于上、下两边球面的曲率半径；太阳能电池阵在聚光器的上、中、下每部分的赤道位置上通过滑动副与其相连，并围绕着微波发射天线旋转；所述微波发射天线通过6根牵引索与聚光器的上、下边缘的外框相连；太阳能电池阵与微波发射天线通过导电结构以及传输电缆电连接。

上述聚光器的上、中、下各部分均由若干组六边形的单向透光薄膜和相对应的六边形的支撑框架组成；所述支撑框架为盘绕式支撑臂，单向透光薄膜通过设于膜边缘的短拉索悬挂在所述支撑框架上。

上述太阳能电池阵的太阳能电池为三结砷化镓电池。

上述太阳能电池阵的太阳能电池为三组级联的电池阵，各组太阳能电池分别通过滑动副对应连接于聚光器上、中、下各部分的中心环位置处，并围绕着微波发射天线中心轴旋转。

上述微波发射天线为有源相控阵天线。

上述传输电缆采用低温超导电缆。

上述导电结构包括导电内筒、导电外筒以及导电滚环；所述导电内筒与微波发射天线固定相连，导电外筒以转动副的形式连接于微波发射天线上并随着太阳能电池阵转动；导电外筒内壁和导电内筒外壁均设有环绕其周向的多个凹槽，导电外筒内壁上所设的凹槽与导电内筒外壁上所设的凹槽一一对应且相对，且每两个相对的凹槽之间设有导电滚环。

上述微波发射天线的天线阵面使用矩形微带天线单元组装拼接成整个天线阵面。

上述聚光器的上、下边缘的外框和牵引索的一端相连接，牵引索的另一端与导电内筒连接。

本发明的有益效果：1、该方案聚光器的光收集效率高，同时，该聚光器为垂直赤道的轴的轴对称回转体，光收集波动小；

2、该聚光器不需要转动；

3、传输电缆的长度比太阳帆方案大幅度降低；

4、大大提高光伏电池阵上电池的均匀性。利用几何知识可以得到光线入射角与聚焦在中心线上的关系为

公式中的a为垂直入射光线与球面切线的夹角，h为电池距聚光器底部的距离，由此可以得到每个电池的高度。新方案电池光线的入射角为：

a₁＝25.65，a₂＝34.34 (2)

计算得两种位置电池的高度范围为：中间段的电池工作范围为0.4453～0.5，边缘段的电池工作范围为0.3945～0.5。之前光功率不均匀分布在0～R内，由式(1)可知电池柱面的聚光不均匀，光功率表主要集中在电池上方，越到电池底部光功率越低且下降越快。现在减小了了范围，只取了上方的聚光效果，这将大大提高电池的均匀度。电池的温度可以通过增加电池柱面的宽度来降低。

5、对比OMEGA-SSPS球面聚光系统与新方案聚光系统的参数(以1540m的主反射面半径，春秋分日设计为例)如表1所示。由表可以看出该方案较原始方案有很大的功质比的提升，聚光器功质比增加了11.47％。该方案不仅使聚光镜的口径面增大，而且降低了总面积，这将使未来发射的成本大大降低。

表1 OMEGA-SSPS球面聚光系统与新方案聚光系统的参数对比

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的球面聚光的工作原理图；

图3是聚光器的主反射面构型生成图的示意图；

图4是图1中的球状结构拓扑示意图；

图5是图4中的聚光器每个六边形模块示意图；

图6是图1中的导电结构示意图；

图7是图1中的微波发射天线模块化设计示意图；

图8是图1中微波发射天线与聚光器连接结构示意图。

附图标记说明：101-聚光器，102-太阳能电池阵，103-微波发射天线，104-传输电缆，105-导电结构，106-牵引索，501-支撑框架，502-单向透光薄膜，601-导电内筒，602-导电外筒，603-凹槽，604-导电滚环，701-外框。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了一种空间太阳能电站，包括聚光器101、太阳能电池阵102、微波发射天线103、牵引索106以及传输电缆104，所述聚光器101为保证光收集率和聚光效率，其结构由上、中、下三部分环状球面相接构成，其中中间球面的曲率半径大于上、下两边球面的曲率半径，以增加功质比。在地球静止轨道GEO上，太阳能电池阵102在聚光器101的上、中、下每部分中心环位置处(即赤道位置处)通过滑动副与其相连，并围绕着微波发射天线103旋转；所述微波发射天线103通过6根牵引索106与聚光器101的上、下边缘的外框701相连，以保持天线阵面指向地球。太阳能电池阵102与微波发射天线103通过导电结构105以及传输电缆104电连接。聚光器101将太阳光汇聚到太阳能电池阵102上，太阳能电池阵102进行光电转换并产生直流电，直流电通过传输电缆104传输到导电结构105，然后再传输到微波发射天线103，通过微波发射天线103将微波发射出去。

所述聚光器101的上、中、下各部分均由若干组六边形的单向透光薄膜502和相对应的六边形的支撑框架501组成；所述支撑框架501为盘绕式支撑臂，单向透光薄膜502通过设于膜边缘的短拉索悬挂在所述支撑框架501上。参照图2，球面聚光原理，光线从外面入射最后落在0～R/2的范围内。参照图3，OMEGA-SSPS模型是以O点为圆心R为半径画弧至处，然后绕中心y轴旋转一周得到聚光器101的主反射面构型。改进的新方案是先以中心点O为圆心画弧至y坐标为处，再以为圆心O₂，O₂A为半径，画弧至y坐标为处，得到新的圆弧，然后再绕中心y轴旋转一周得到新的主反射面构型。参照图4，聚光器101是由若干六边形拼接而成，单个球面的拓扑结构如图所示。参照图5，聚光器的每个六边形由盘绕式支撑臂和单向透光薄膜组成。

所述太阳能电池阵102的太阳能电池为三结砷化镓电池。

所述太阳能电池阵102的太阳能电池为三组级联的电池阵，各组太阳能电池分别通过滑动副对应连接于聚光器101上、中、下各部分的中心环位置处，并围绕着微波发射天线103中心轴旋转。

所述微波发射天线103为有源相控阵天线，包括振荡器、移相器和放大器；可以将直流电转换为微波，并由功率分配到天线阵面，天线阵面将微波发射出去。

所述传输电缆104采用低温超导电缆。

参照图6，所述导电结构105包括导电内筒601、导电外筒602以及导电滚环604；所述导电内筒601与微波发射天线103固定相连，导电外筒602以转动副的形式连接于微波发射天线103上并随着太阳能电池阵102转动；导电外筒602内壁和导电内筒601外壁均设有环绕其周向的多个用以定位导电滚环604的凹槽603，导电外筒602内壁上所设的凹槽603与导电内筒601外壁上所设的凹槽603一一对应且相对，且每两个相对的凹槽603之间设有导电滚环604，导电滚环604在凹槽603间滚动。所述传输电缆104优选采用低温超导电缆。

参照图7，所述微波发射天线103的天线阵面使用矩形微带天线单元组装拼接成整个天线阵面，其采用的是模块化设计，优选使用六边形天线单元组装拼接成整个天线阵面。

参照图8，所述聚光器101的上、下边缘的外框701和牵引索106的一端相连接，牵引索106的另一端与导电内筒601连接。

本发明的工作原理如下：

在地球静止轨道GEO上，聚光器101将太阳光汇聚到太阳能电池阵102上，太阳能电池阵102随着每日时间的变化在二维平面上进行旋转以跟踪球面反射的太阳光，太阳能电池阵102进行光电转换并产生直流电，直流电通过传输电缆104传输至导电结构105后，直流电最终传输到微波发射天线103，经微波发射天线103上的振荡器、移相器和放大器将直流电转换为微波，由功率分配到天线阵面，然后天线阵面将微波发射到地面。微波发射天线103通过6根牵引索106与聚光器101相连，以保持天线阵面指向地球。

综上所述，本发明的球形聚光空间太阳能电站具有光收集效率高，天线与聚光器的连接结构质量低，传输电缆短的特点，并在一定程度上降低散热系统的设计难度，提高电池表面的光均匀性。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。