一種太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡的制作方法
【專利摘要】一種太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其主要結(jié)構(gòu)是：一柔性材料制成的環(huán)形充氣囊；一柔性材料制成的反光薄膜固定在該環(huán)形充氣囊的圓環(huán)面上；一剛性材料制成的支撐桿，穿過(guò)反光薄膜的中心并與反光薄膜相固定；支撐桿位于反光薄膜面的焦點(diǎn)處安裝有光伏元件；環(huán)形充氣囊與支撐桿之間通過(guò)牽引繩相連接，調(diào)節(jié)牽引繩的長(zhǎng)度使反光薄膜形成圓錐反射面并調(diào)節(jié)并調(diào)節(jié)圓錐反射面頂角的角度，該圓錐反射面鍍有反光涂層；環(huán)形充氣囊處于充氣狀態(tài)時(shí)，將折疊狀態(tài)的反光薄膜擴(kuò)展開(kāi)。本發(fā)明的聚光鏡具有擴(kuò)展面積對(duì)折疊體積的比值大的特點(diǎn)，有利于火箭發(fā)射，可獲得超大聚光太陽(yáng)反射鏡，適用于太空太陽(yáng)能發(fā)電站和地面太陽(yáng)能發(fā)電站。
【專利說(shuō)明】—種太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，涉及一種利用氣壓記憶元件制備的可折疊的超大聚光鏡，更具體地涉及一種太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]建設(shè)太空太陽(yáng)能發(fā)電站的設(shè)想早在1968年就有人提出，但直到最近人類開(kāi)始真正將之付諸行動(dòng)。日本可謂此項(xiàng)目的先驅(qū)者之一，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)耗資210億美金，發(fā)電量能達(dá)到十億瓦特，能供29.4萬(wàn)個(gè)家庭使用。
[0003]太空中的陽(yáng)光強(qiáng)度要比地面大5-10倍。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)可提供恒定而沒(méi)有污染的能量，這與地面上斷斷續(xù)續(xù)、受云層遮蓋影響較大的太陽(yáng)能利用方式有很大區(qū)別，而且不會(huì)像燃料電廠那樣排放污染物，也不會(huì)像核電站那樣產(chǎn)生放射性廢料。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)之所以能成為一項(xiàng)革命性技術(shù)，就在于這種技術(shù)所改變的將是能源的整體格局。
[0004]自從二十世紀(jì)六十年代以來(lái)，人類就從科學(xué)角度論證了太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的可行性，而從太空軌道往地面發(fā)射微波的概念也證實(shí)是可行的。例如，用一系列太陽(yáng)能通訊衛(wèi)星就能夠夜以繼日地向地面接收站發(fā)射各種頻率的電磁波，以接通移動(dòng)電話或把電視信號(hào)中轉(zhuǎn)給天臺(tái)上的碟形天線。可是，能否把從太空上發(fā)射來(lái)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成可以進(jìn)入輸電網(wǎng)中的電能，則還沒(méi)有實(shí)例。
[0005]2011年，美國(guó)和日本兩國(guó)的科研人員已跨越了太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要門(mén)檻，他們?cè)谙耐膬勺嗑?0英里的海島上，成功實(shí)現(xiàn)了微波級(jí)能量的無(wú)線遠(yuǎn)距傳輸，這個(gè)距離相當(dāng)于從太空軌道傳送能量到地面所要穿透的大氣層厚度。
[0006]近年來(lái)，與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)有關(guān)的其他多種技術(shù)也取得了重大進(jìn)展。大約十年前，光電效率(即光能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換率)只有10%，而現(xiàn)在已經(jīng)能達(dá)到40 %。衛(wèi)星技術(shù)也得到了改進(jìn)，其中的全自動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及先進(jìn)的輕質(zhì)建材也取得了飛躍性的進(jìn)步。
[0007]被俘獲的太陽(yáng)能在衛(wèi)星上被轉(zhuǎn)換成含有能量的電磁波，即特定波段的微波。為傳送到地面，微波的理想頻率應(yīng)為2.45GH(千兆赫)或5.8GH，這兩個(gè)波段都處于紅外線與FM/AM無(wú)線電信號(hào)之間，最容易穿透大氣層，但在穿越大氣層過(guò)程中仍有部分能量損失(盡管目前還不知道確切的損耗率)。
[0008]微波能在空中形成一道無(wú)形的微波柱，直徑大約為一英里或兩三公里。地面上有依網(wǎng)格化排列的橢圓形天線，叫做網(wǎng)格天線，占地面積與微波柱相當(dāng)，專門(mén)接受微波能，轉(zhuǎn)換后即可送往傳統(tǒng)的輸電網(wǎng)。
[0009]太空太陽(yáng)能發(fā)電站的應(yīng)用:
[0010]09年6月，日本公布了其最新太空太陽(yáng)能發(fā)電站計(jì)劃。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)耗資210億美金，發(fā)電量能達(dá)到十億瓦特，能供29.4萬(wàn)個(gè)家庭使用。最近該項(xiàng)目又有了新進(jìn)展-三菱電機(jī)公司和石川島播磨重工業(yè)集團(tuán)已宣布加入，他們將在四年內(nèi)研制出太空中的電能不通過(guò)電纜，而是通過(guò)電束直接射回地面的新技術(shù)。
[0011]三菱電機(jī)公司和石川島播磨重工業(yè)集團(tuán)加入了一個(gè)共有15個(gè)國(guó)家的研究員組成的研究小組，這個(gè)研究計(jì)劃將面積達(dá)4平方公里的太空太陽(yáng)能發(fā)電站送入太空并使之正常工作。日本政府希望到2015年可以發(fā)射一枚安裝了太陽(yáng)能板的小型衛(wèi)星，以測(cè)試將電能通過(guò)電束傳回地球的有效性。
[0012]若想真正建成太空太陽(yáng)能發(fā)電站還有許多工作要做?，F(xiàn)在把太陽(yáng)能板送入太空的成本過(guò)于高昂，商業(yè)化運(yùn)作并不可行，所以需要想辦法降低運(yùn)輸成本。即使成本降低到可以接受的范圍內(nèi)，人們還需考慮怎樣使太空發(fā)電站免遭小型流星以及其他空間漂浮物的撞擊造成的損壞。
[0013]日本并不是唯一致力于發(fā)展空間太陽(yáng)能的國(guó)家。美國(guó)太平洋天然氣和電力公司和加州太陽(yáng)能公司也在共同致力于一項(xiàng)發(fā)電量達(dá)200兆瓦特的太空發(fā)電站項(xiàng)目，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)從2015年開(kāi)始，將持續(xù)15年。
[0014]國(guó)際上，建造太陽(yáng)能發(fā)電站過(guò)的方案中，都使用大面積光伏元件(如半導(dǎo)體光電池)。讓太陽(yáng)光直接照射這光伏元件表面。這樣發(fā)電站容量越大，則光伏元件用的就越多，這樣元件成本和發(fā)射升空成本必然很大。如果把太陽(yáng)光用匯聚反射鏡集中起來(lái)，就可以用面積小得多的光伏元件獲得同樣大的電能，這樣建造電站成本必然大大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于提供一種太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，以改進(jìn)公知技術(shù)中存在的缺陷。
[0016]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其主要結(jié)構(gòu)是:
[0017]一柔性材料制成的環(huán)形充氣囊；
[0018]一柔性材料制成的反光薄膜固定在該環(huán)形充氣囊的圓形面上；
[0019]一剛性材料制成的支撐桿，穿過(guò)反光薄膜的中心并與反光薄膜相固定；
[0020]環(huán)形充氣囊與支撐桿之間通過(guò)牽引繩相連接，調(diào)節(jié)牽引繩的長(zhǎng)度使反光薄膜形成圓錐反射面并調(diào)節(jié)圓錐反射面頂角的角度，該圓錐反射面鍍有反光涂層；
[0021]支撐桿位于反光薄膜的圓錐反射面的焦點(diǎn)處安裝有光伏元件；
[0022]環(huán)形充氣囊處于充氣狀態(tài)時(shí)，將折疊狀態(tài)的反光薄膜擴(kuò)展開(kāi)。
[0023]所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，環(huán)形充氣囊的柔性材料是用橡膠或塑料制成；或用動(dòng)物纖維、植物纖維、化學(xué)纖維、碳纖維制成的氣密織物。
[0024]所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，反光薄膜的柔性材料是橡膠、塑料或織物。
[0025]所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，反光薄膜上鍍的反光涂層是金、銀、鋁中的一種或多層介質(zhì)膜層。
[0026]所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，支撐桿的剛性材料是鎂鋁合金、不銹鋼、鈦合金或硬質(zhì)塑料。
[0027]所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，牽引繩是尼龍、植物纖維、動(dòng)物纖維或碳纖維制成的繩索或鏈條。
[0028]所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，光伏元件是半導(dǎo)體光電池，包括:單晶硅薄膜光電池、多晶硅薄膜光電池、非晶硅薄膜光電池、銅銦鎵硒薄膜光電池或鎵砷光電池。
[0029]由于本發(fā)明的環(huán)形充氣囊和反光薄膜所用材料的特點(diǎn)是:[0030]1、柔性好以獲得好的折疊性；
[0031]2、結(jié)實(shí)且抗紫外輻射性好；
[0032]3、重量輕。
[0033]因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:獲得擴(kuò)展后的面積與折疊后的體積的比值最大。也就是說(shuō)與已經(jīng)報(bào)道的國(guó)外設(shè)想的太陽(yáng)能電站相比較，本發(fā)明的接收光面積與折疊后體積的比值最大；此外，本發(fā)明的接收光面積與折疊后質(zhì)量的比值也最大。這些對(duì)于用火箭發(fā)射是非常必要的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1是本發(fā)明的太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡擴(kuò)展后的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中主要標(biāo)記符號(hào)說(shuō)明:
[0035]I環(huán)形充氣囊；2反光薄膜；3支撐桿；4光伏元件；5夾板；6牽引繩；7固定連接件?！揪唧w實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明所采用的反光元件是薄膜型，打開(kāi)方式是用壓縮氣體撐開(kāi)一個(gè)和反光薄膜邊緣黏貼在一起的環(huán)形充氣囊。該環(huán)形充氣囊像一條自行車(chē)內(nèi)胎，當(dāng)內(nèi)部沖入一定壓強(qiáng)的氣體后，就一定會(huì)擴(kuò)展成一個(gè)圓環(huán)，與充氣前被折疊的狀態(tài)無(wú)關(guān)。圓形氣囊擴(kuò)展開(kāi)來(lái)之后，黏貼在圓形面上的反光薄膜也由折疊狀態(tài)擴(kuò)展成圓形型反光鏡。
[0037]下面結(jié)合圖1進(jìn)行說(shuō)明。
[0038]本發(fā)明的環(huán)形充氣囊1，由柔性好、氣密性好的材料制成(如橡膠或塑料，或用動(dòng)物纖維、植物纖維、化學(xué)纖維、碳纖維制成的氣密織物)。未充氣時(shí)環(huán)形充氣囊I處于折疊狀態(tài)，充氣時(shí)擴(kuò)展成一個(gè)大圓環(huán)。反光薄膜2由柔性好、機(jī)械強(qiáng)度好材料制成(如橡膠、塑料、各種纖維織物等)，黏貼在環(huán)形充氣囊I的圓形面上。反光薄膜2的中心處用二塊夾板5與支撐桿3固定在一起。支撐桿3由質(zhì)輕的剛性材料(如鎂鋁合金、金屬、高強(qiáng)度塑料、碳纖維等)制成，環(huán)形充氣囊I與支撐桿3之間通過(guò)若干根牽引繩6連接。牽引繩6的數(shù)量根據(jù)環(huán)形充氣囊I的大小而決定，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)牽引繩的長(zhǎng)度使反光薄膜形成圓錐反射面并調(diào)節(jié)圓錐反射面的頂角的角度。在支撐桿3位于圓錐反射面的焦點(diǎn)處安裝有光伏元件4，本發(fā)明的光伏元件4是公知技術(shù)，比如單晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、非晶硅薄膜電池或銅銦鎵硒薄膜電池等。牽引繩6是用輕質(zhì)，斷裂極限拉力大的材料制成，如植物纖、動(dòng)物纖維、化學(xué)纖維、碳纖維等制成的繩，用以連接、固定氣囊和支撐桿。本發(fā)明的聚光鏡通過(guò)固定連接件7與連接至需要固定的物體上。
[0039]火箭發(fā)射時(shí)，本發(fā)明的聚光鏡處于折疊狀態(tài)，以減少所占空間體積。升空并到達(dá)預(yù)定位置后，去掉束縛并向環(huán)形充氣囊內(nèi)充氣，使環(huán)形充氣囊擴(kuò)展成一個(gè)大圓環(huán)，環(huán)形充氣囊上的圓形面上黏貼的反光薄膜擴(kuò)展成一個(gè)大反光鏡，通過(guò)調(diào)節(jié)牽引繩的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)圓錐反射鏡的頂角，以獲得最佳聚光效率。太陽(yáng)光射到圓錐反射鏡上再反射到光伏元件。光伏元件把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> [0040]實(shí)施例1
[0041]如圖1所示。其中環(huán)形充氣囊I由柔性好，氣密性好的橡膠材料制成。環(huán)形充氣囊的內(nèi)徑為4厘米，擴(kuò)展后的圓形面的直徑為2米。[0042]反光薄膜2由柔性，機(jī)械強(qiáng)度好塑料薄膜材料制成，反光薄膜2黏貼在環(huán)形充氣囊I的圓形面上。
[0043]支撐桿3由外徑5厘米的輕質(zhì)的剛性材料鎂鋁合金管制成，管壁厚度5毫米，與反光薄膜中心部位通過(guò)螺栓及二塊直徑8厘米的鋁制小片平板5固定在一起。
[0044]通過(guò)尼龍牽引繩6與環(huán)形充氣囊I連接，并調(diào)節(jié)尼龍牽引繩6的長(zhǎng)度，使反光薄膜2形成圓錐反射面，在反光薄膜2上的圓錐反射面上用鍍膜方法涂高效銀反光涂層。
[0045]支撐桿3的一端通過(guò)鎂鋁合金固定連接件7與支架固定在一起。
[0046]娃光電池光伏兀件4安裝在支撐標(biāo)3位于圓錐反射面的焦點(diǎn)上。
[0047]本實(shí)施例的裝置可以很好的折疊，充氣后很快擴(kuò)展成直徑2米的反光鏡。折疊重量10千克，體積0.015立方米。聚光效率為88%。
[0048]實(shí)施例2
[0049]如圖1所示。環(huán)形充氣囊I由柔性好，氣密性好的尼龍材料制成。環(huán)形充氣囊的內(nèi)徑為6厘米，擴(kuò)展后圓形面的直徑為8米。
[0050]反光薄膜2由柔性，機(jī)械強(qiáng)度好塑料薄膜材料制成，其上用鍍膜方法涂高效鋁反光層，反光薄膜2黏貼在環(huán)形充氣囊I的圓面上。
[0051]支撐桿3由外徑5厘米的輕質(zhì)的剛性材料鎂鋁合金管制成，管壁厚度5毫米，支撐桿3與反光薄膜2中心部位，通過(guò)螺栓及二塊直徑8厘米的鋁制小片夾板5固定在一起。通過(guò)尼龍牽引繩6與環(huán)形充氣囊I連接。支撐桿3的一端通過(guò)鎂鋁合金固定連接件7與支架固定在一起。
[0052]硅光電池光伏元件4安裝在支撐標(biāo)3位于圓錐反射面的焦點(diǎn)上。
[0053]本實(shí)施例的裝置可以很好的折疊，充氣后很快擴(kuò)展成直徑8米的反設(shè)聚光鏡。折疊體積重量56.2千克，體積0.21立方米。聚光效率為90%。
[0054]實(shí)施例3
[0055]如圖1所示。環(huán)形充氣囊I由柔性好，氣密性好的碳纖維織物材料制成，環(huán)形充氣囊的內(nèi)徑為8厘米，擴(kuò)展后的圓形面的直徑為16米。
[0056]反光薄膜2由柔性，機(jī)械強(qiáng)度好塑料薄膜材料制成，其上用鍍膜方法涂高效金反光涂層，黏貼在環(huán)形充氣囊I的圓形面上。
[0057]支撐桿3由外徑5厘米的輕質(zhì)的剛性材料不銹鋼管制成，管壁厚度5毫米，支撐桿3與反光薄膜2中心部位通過(guò)螺栓及二塊直徑8厘米的鋁制小夾板5固定在一起，通過(guò)碳纖維牽引繩6與環(huán)形充氣囊I連接。支撐桿3的一端通過(guò)不銹鋼固定連接件7與支架固定在一起。硅光電池光伏元件4安裝在支撐標(biāo)3位于圓錐反射面的焦點(diǎn)上。
[0058]本實(shí)施例的裝置可以很好的折疊，充氣后很快擴(kuò)展成直徑16米的反設(shè)聚光鏡。折疊重量206千克，體積1.1立方米。聚光效率為90%。
[0059]本發(fā)明采用柔性材料制成的環(huán)形充氣囊是很好的壓力記憶元件。用可折疊的柔性材料制成環(huán)形充氣囊，在內(nèi)部為低氣壓時(shí)是可以折疊的，從而獲得較小的體積。而在內(nèi)部充高氣壓時(shí)就擴(kuò)展成一個(gè)圓形環(huán)和圓形環(huán)的圓形面。在圓形面上固定反光薄膜，再加必要的支撐與牽引，就獲得超大聚光太陽(yáng)反射鏡。這樣的聚光反射鏡，具有擴(kuò)展面積對(duì)折疊體積的比值大的特點(diǎn)。可以用于太空太陽(yáng)能發(fā)電站和地面太陽(yáng)能發(fā)電站。
【權(quán)利要求】
1.一種太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其主要結(jié)構(gòu)是: 一柔性材料制成的環(huán)形充氣囊； 一柔性材料制成的反光薄膜固定在該環(huán)形充氣囊的圓環(huán)面上； 一剛性材料制成的支撐桿，穿過(guò)反光薄膜的中心并與反光薄膜相固定； 環(huán)形充氣囊與支撐桿之間通過(guò)牽引繩相連接，調(diào)節(jié)牽引繩的長(zhǎng)度使反光薄膜形成圓錐反射面并調(diào)節(jié)圓錐反射面頂角的角度，該圓錐反射面鍍有反光涂層； 支撐桿位于反光薄膜的圓錐反射面的焦點(diǎn)處安裝有光伏元件； 環(huán)形充氣囊處于充氣狀態(tài)時(shí)，將折疊狀態(tài)的反光薄膜擴(kuò)展開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，環(huán)形充氣囊的柔性材料是用橡膠或塑料薄膜制成；或用動(dòng)物纖維、植物纖維、化學(xué)纖維、碳纖維制成的氣密織物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，反光薄膜的柔性材料是橡膠、塑料或織物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，反光薄膜上鍍的反光涂層是金、銀、鋁中的一種或多層介質(zhì)膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，支撐桿的剛性材料是鎂鋁合金、不銹鋼、鈦合金或硬質(zhì)塑料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，牽引繩是尼龍、植物纖維、動(dòng)物纖維或碳纖維制成的繩索或鏈條。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述太空太陽(yáng)能電站用的聚光鏡，其中，光伏元件是半導(dǎo)體光電池，包括:單晶硅薄膜光電池、多晶硅薄膜光電池、非晶硅薄膜光電池或銅銦鎵硒薄膜光電池或鎵砷薄膜光電池。
【文檔編號(hào)】H02S40/22GK103780201SQ201210417199
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月26日
【發(fā)明者】周岳亮, 石洪菲, 王燦, 何萌, 呂惠賓, 楊國(guó)楨 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所