所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)。水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種位于水下的，利用幾何光學(xué)原理聚光并通過(guò)光伏電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能的，為水下作業(yè)裝置提供能量的補(bǔ)給系統(tǒng)，屬于新能源應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海洋是生命的搖籃，約占地球表面積的三分之二，不但包含了大量的資源，而且對(duì)全球的氣候及環(huán)境有重大影響。近年來(lái)，隨著對(duì)海洋研究的深入，人們對(duì)水下的探索也逐漸深入，水下工作裝置日益增多，因此水下工作裝置的能量來(lái)源以及能量補(bǔ)給得到了人們的關(guān)注和研究。同時(shí)，在能源短缺的今天，人們不斷地開(kāi)發(fā)新能源，受限于陸地面積，人們開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用海洋面積，并不斷地探索海水中蘊(yùn)含的能量，其中包括海水的溫差能、海洋動(dòng)能、潮汐能以及海面上豐富的太陽(yáng)能等。因此，我們意識(shí)到可以直接利用自然能量為水下工作裝置提供能源。

溫差能和海洋動(dòng)能的利用需要較為復(fù)雜的裝置，溫差能的利用還需要相應(yīng)的工質(zhì)作為載體來(lái)完成，潮汐能的利用則受到時(shí)間和空間的限制。相對(duì)而言，隨著太陽(yáng)能利用的普及，其技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。由于聚光光伏的高效率、低成本，該技術(shù)已被廣泛研究并得到了一定的應(yīng)用，但大多聚光光伏電站都建于陸面上，需占用較大的土地面積，且由于空氣浮塵的影響需要經(jīng)常清潔，另外電池板溫度過(guò)高也將影響其轉(zhuǎn)換效率。為了解決這些問(wèn)題，并考慮水下作業(yè)裝置的能量需求問(wèn)題，我們提出了水下太陽(yáng)能聚光發(fā)電的概念，利用幾何光學(xué)原理設(shè)計(jì)了水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器，并結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)換為可以被直接利用的電能。

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谏钊胙芯抗饩€傳播原理以及光利用的同時(shí)，已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注水下光能的利用。目前，水下光線被應(yīng)用在水下工作裝置的通信技術(shù)以及水下成像等技術(shù)上，其中水下聚光主要用于光通信技術(shù)，這表明人們開(kāi)始意識(shí)到水下光線利用的可行性和必要性，通過(guò)研究將其應(yīng)用于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。因此本文提出了水下聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用充氣式柔性聚光器將太陽(yáng)光匯聚到光伏板上，將其轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存，儲(chǔ)存的電能用來(lái)為水下工作裝置充電。

綜上所述，本文提出了水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)。水下充氣式柔性聚光器具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)利用幾何光學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，位于水下，能夠緩解陸地面積緊缺的問(wèn)題，防止海風(fēng)海浪對(duì)裝置性能的干擾，消除風(fēng)沙對(duì)聚光效果的影響；(2)聚光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用便捷，且柔性設(shè)計(jì)使其方便攜帶；(3)匯聚后的光線也可以通過(guò)與其它裝置的耦合進(jìn)行其它水下作業(yè)，例如聚光捕魚(yú)、深海照明等。此外，水下柔性聚光器與光伏發(fā)電系統(tǒng)耦合使用，將其聚光后的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到的電能儲(chǔ)存在蓄電池中為水下工作裝置提供能量來(lái)源。這不僅充分利用了海面上充足的太陽(yáng)能，還為水下工作裝置，例如潛航器、小型潛艇等，提供了續(xù)航能源，使其更好地完成水下作業(yè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，為了合理的利用海面上的能源解決水下作業(yè)裝置的能量補(bǔ)給問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種可以收納在水下作業(yè)裝置上的水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于幾何聚光原理，采用聚光光伏技術(shù)將光能轉(zhuǎn)換為電能為水下作業(yè)裝置提供能量補(bǔ)給。充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器采用柔性透明薄膜作為入光和出光面，內(nèi)部為氣體介質(zhì)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體介質(zhì)的壓力控制薄膜的曲面參數(shù)，進(jìn)而使得太陽(yáng)能電池組恰好位于聚光器的焦平面上。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)預(yù)估水下作業(yè)裝置的能源需求量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整裝置規(guī)模大小以及根據(jù)不同地區(qū)的光照條件對(duì)裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的應(yīng)用模式。

水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器、太陽(yáng)能電池組、控制平臺(tái)以及升降繩，其中充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器由支架、柔性透明薄膜、連通孔、閥門(mén)以及其內(nèi)部的氣體介質(zhì)組成。各部分的連接關(guān)系如下，柔性透明薄膜與支架無(wú)縫黏貼，并保證所有接觸點(diǎn)受力均勻，連通孔剛性連接在支架的側(cè)面，并在連通孔上設(shè)計(jì)閥門(mén)。裝置工作時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)為聚光器充氣后形成水下聚光器；升降繩用于調(diào)節(jié)聚光器與水下作業(yè)裝置的相對(duì)位置，并始終將其牽拉在水下作業(yè)裝置的上方。升降繩收納在升降繩箱內(nèi)，通過(guò)控制臺(tái)控制其收放并調(diào)節(jié)聚光器的位置。太陽(yáng)能電池組由旋轉(zhuǎn)支撐架支撐在水下作業(yè)裝置的上表面，水平布置，保證其處于聚光器的焦平面上且在水下可以正常工作?？刂破脚_(tái)內(nèi)包括有蓄電池、逆變器、升降繩箱以及控制臺(tái)等部件，各部件間通過(guò)電路或集成電路板連接，控制臺(tái)中設(shè)計(jì)安裝ecu實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

工作原理：水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)收納在水下作業(yè)裝置內(nèi)部，當(dāng)水下作業(yè)裝置能量不足時(shí)，通過(guò)控制升降繩將聚光器釋放并為其充氣，使聚光器和光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)始工作。工作過(guò)程中裝置位于水下，支架支撐整個(gè)聚光器的外形結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制充氣量使聚光器內(nèi)外形成壓力差，柔性透明薄膜形成具有一定曲度的曲面，此時(shí)聚光器的形狀類(lèi)似于凹透鏡。由于其內(nèi)部氣體介質(zhì)的折射率小于海水的折射率，因此當(dāng)光線透過(guò)聚光器時(shí)發(fā)生匯聚，實(shí)現(xiàn)柔性聚光器的聚光功能。通過(guò)升降繩的控制使得聚光器的焦平面剛好處于太陽(yáng)能電池組的平面上，匯聚后的光線被接收并轉(zhuǎn)換為電能。此時(shí)，太陽(yáng)能電池組位于水下作業(yè)裝置的上表面，并通過(guò)內(nèi)部的蓄電池儲(chǔ)電、逆變器轉(zhuǎn)換、控制平臺(tái)控制使得產(chǎn)生的電能滿足水下作業(yè)裝置的用電需求。這不僅能夠解決水下作業(yè)裝置的能量來(lái)源問(wèn)題，使其更好的完成工作，對(duì)于一些隱秘性裝置而言，也具有較好的保護(hù)作用，因?yàn)樵谒鲁潆娤噍^于水面充電更加隱蔽且不易被發(fā)現(xiàn)。另外，聚集后的光線也可以通過(guò)與其它裝置的耦合進(jìn)行其它的水下作業(yè)，例如聚光捕魚(yú)、深海照明等。

有益效果：

(1)當(dāng)海面上有充足的太陽(yáng)輻射時(shí)，能夠利用進(jìn)入海水中的太陽(yáng)光進(jìn)行聚光光伏發(fā)電，滿足海洋潛航器的用能需求。

(2)整個(gè)裝置置于水下，節(jié)省了土地占用面積，同時(shí)裝置位于水下還能夠避免海面上風(fēng)浪的影響，也消除了陸上風(fēng)沙等對(duì)聚光器的侵蝕。

(3)柔性聚光器可以改變充氣量調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力，從而形成不同彎的度曲面，實(shí)現(xiàn)不同焦距的聚光，可根據(jù)不同的使用條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。且聚光面是柔性材料，在聚光器不工作的狀態(tài)下可以將內(nèi)部氣體放出，折疊收納入水下作業(yè)裝置中，安全便捷。

(4)該裝置主要用于水下作業(yè)裝置的能量補(bǔ)給，能夠解決水下工作裝置工作時(shí)間短、能量補(bǔ)給困難的問(wèn)題，且對(duì)特殊場(chǎng)合應(yīng)用的潛航器等有較好的隱蔽性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和應(yīng)用前景。

本發(fā)明綜合利用聚光光伏原理和水下光線應(yīng)用技術(shù)，提出水下聚光的概念，利用聚光器的內(nèi)外壓差使柔性薄膜產(chǎn)生變形形成柔性聚光器，并采用太陽(yáng)能電池板實(shí)現(xiàn)聚光光伏發(fā)電；且通過(guò)在在水下作業(yè)裝置的內(nèi)部添加逆變器等部件，直接對(duì)水下作業(yè)裝置進(jìn)行充電。該裝置可以作為小型聚光發(fā)電裝置，通過(guò)折疊攜帶，隨時(shí)為私人或小型潛艇等補(bǔ)充能源；也可以進(jìn)行規(guī)模性應(yīng)用，設(shè)計(jì)為發(fā)電站為水下作業(yè)裝置進(jìn)行能源補(bǔ)給。另外，聚光器匯聚的光線可以直接作為水下光源進(jìn)行應(yīng)用。水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅有效的利用了海面上充足的太陽(yáng)能，也為水下工作裝置的能源補(bǔ)給提供了新的方法。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖2為本發(fā)明聚光器的聚光原理圖；

圖3為本發(fā)明充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器的實(shí)施例圖；

圖4為本發(fā)明控制平臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖5為本發(fā)明的圓環(huán)狀立體結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明的條狀立體結(jié)構(gòu)圖。

其中，1-海水；2-太陽(yáng)入射光；3-充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器；4-升降繩；5-太陽(yáng)能電池組；6-控制平臺(tái)；7-水下作業(yè)裝置；8-閥門(mén)；9-連通管；10-柔性透明薄膜；11-支架；12-氣體介質(zhì)；13-收納箱；14-旋轉(zhuǎn)支撐架。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

如附圖1所示，本發(fā)明提供了一種水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器、太陽(yáng)能電池組、升降繩和控制平臺(tái)，其中充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器由連通管、閥門(mén)、柔性透明薄膜、支架以及其內(nèi)部的氣體介質(zhì)組成。太陽(yáng)光照射海面，光線透過(guò)海水到達(dá)柔性聚光器的入光面，由于內(nèi)部氣體介質(zhì)與海水的折射率不同，光線在通過(guò)聚光器時(shí)折射匯聚，并由位于其焦平面上的太陽(yáng)能電池組接收，將光能轉(zhuǎn)換為電能。電能儲(chǔ)存在控制平臺(tái)內(nèi)部，在水下作業(yè)裝置能量供給不足時(shí)為其提供電能，解決水下潛航器、潛艇等動(dòng)力不足的問(wèn)題。

如附圖2所示，為水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器的原理圖。從圖中可以看出光線通過(guò)聚光器后發(fā)生匯聚，這主要是因?yàn)槌錃馐饺嵝蕴?yáng)能聚光器內(nèi)部的氣體介質(zhì)折射率n2小于海水的折射率n1，即從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)時(shí)，光線發(fā)生折射，且出射角i2大于入射角i1，由于入光面為內(nèi)凹曲面，光線折射后發(fā)生匯聚。在聚光器的出光面上，光線近似垂直出射，即光線從氣體介質(zhì)進(jìn)入海水中時(shí)不發(fā)生折射。因此平行光透過(guò)該聚光器后折射匯聚，形成焦斑。將太陽(yáng)能電池板的位置設(shè)計(jì)在聚光器的焦平面上，使其達(dá)到最優(yōu)的光電轉(zhuǎn)換效率。

如圖3所示，為本發(fā)明中充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器的實(shí)施例圖。將充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器的周側(cè)和出光面均設(shè)計(jì)為支撐結(jié)構(gòu)，將整個(gè)聚光器的設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)化，即只將聚光器的入光面設(shè)計(jì)為柔性透明薄膜，根據(jù)理論計(jì)算，也能達(dá)到較好的聚光效果。與本發(fā)明提出的充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器相同，在支架的周側(cè)布置連通管和閥門(mén)，通過(guò)閥門(mén)控制聚光器內(nèi)部的氣體介質(zhì)質(zhì)量，從而控制聚光器入光面的幾何曲度，改善聚光效果。

如圖4所示，為本發(fā)明中控制平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖?？刂破脚_(tái)主要包括了兩部分的控制，第一部分是聚光器的控制，為聚光器充入適量的氣體并通過(guò)調(diào)節(jié)升降繩控制聚光器與太陽(yáng)能電池組的距離；第二部分是太陽(yáng)能電池組供電的控制，在控制平臺(tái)內(nèi)部設(shè)計(jì)有蓄電池、逆變器等，用于儲(chǔ)存電能并將其轉(zhuǎn)換為裝置能夠直接利用的電能。兩部分的控制均由控制臺(tái)進(jìn)行控制。另外，在控制平臺(tái)的上部空間布置有收納箱，用于收納非工作狀態(tài)下的充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器和太陽(yáng)能電池組。如圖中所示，非工作狀態(tài)下聚光器內(nèi)無(wú)氣體介質(zhì)，可直接放置在收納箱內(nèi)；電池組通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)支撐架旋轉(zhuǎn)使電池板折疊收納。

如圖5和圖6所示，為水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖。水下充氣式柔性太陽(yáng)能聚光器可以根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)為圓環(huán)狀或者條狀，匯聚后的光線均由太陽(yáng)能電池組接收轉(zhuǎn)換，并在供電平臺(tái)內(nèi)儲(chǔ)存并得到水下作業(yè)裝置可以直接利用的能源。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。