基于零折射率材料的聚光式太阳能收集装置的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空间太阳能聚光器制造技术领域，尤其涉及利用零折射材料设计空间 太阳能聚光器结构的方法，该太阳能聚光器用于空间太阳能电站中进行收集太阳光能量， 该太阳能聚光器的整个结构和对其控制都相对简单，可以提高空间太阳能能量收集的效 率。
【背景技术】
[0002] 太阳能是一种新型的可再生绿色能源，加上地球资源紧张、环境污染严重等问题， 如果能对太阳能高效利用可有效减轻资源及环境压力。由于地球接收到的太阳能只有太空 中太阳辐射能量的1/10 _ 1/5,而且由于大气的剥离，能量密度也大为降低，因此，建立能充 分利用太空太阳能资源的太阳能电站（SSPS)是解决资源和环境问题的有效途径。
[0003] 随着微波技术、激光技术、太阳能电池发电效率、微波转化效率等相关空间技术的 发展，未来空间太阳能电站的建立有了良好的基础。在整个空间电站系统中，发电站的总体 质量、能量收集、转换和传输等是重要的影响因素，聚光器作为系统的能量收集转换的重要 组成部分，其材料的选择及其结构设计对能量收集效率及整个系统的优劣影响巨大，在保 证满足能量收集总量、平均能量的要求，并接收稳定光照辐射的基础上，如何使聚光器的结 构简单、怎样简化对其的控制成为聚光器结构设计主要考虑的两个问题。好的聚光器结构 能较好的简化整个系统，具体设计过程中主要考虑的两个问题：一是尽量减少光照角度对 能量收集的影响；二是尽量减少结构中的组件运动及定位，简化对其的控制。
[0004] 目前国际上主要的概念设计中能量收集的主要方法有：
[0005] (1)非聚光太阳能收集方法，具体是用展开太阳能电池阵始终对日定向，采用旋转 机构维持电池阵的定日，而不会随太阳的辐射角度影响能量收集，这种聚光器系统的结构 配置相对简单，便于实现功率扩展，但能量传输到转换微波装置需要大量的电缆，功率损耗 较大；另外大的功率需求也需要高功率的旋转机构，整个装置的运动控制实现不易，需要减 小运动组件的大小。如1979SPS基准系统，太阳帆塔概念（SPS Tower SPS)等，采用非聚光 式太阳能收集方法，发射天线保持定向地球。
[0006] (2)聚光太阳能收集方法，主要是用聚光系统对太阳能收集，通过反射、透射等方 法使太阳光照射到电池表面，同时采用高效率的电池板，一方面满足能量密度的要求，不至 于损坏或者浪费电池板，另一方面也很大的缩小了电池阵的面积；在发射天线方面，一般采 用能量收集、转换、发射天线集成式，例如三明治结构、梯级模块等，与非聚光式太阳能收集 方法相比，这样避免了长距离电力传输，减少了传输损耗，保证发射天线始终对日的同时， 也避免使用高功率的旋转机构。但这种方法就会使聚光系统的构型和控制非常复杂，功 率也不易扩展，在高聚光比的要求下，散热也会成为问题。如任意相控阵空间太阳能电站 (SPS-ALPHA)方案。
[0007] 在现有的各种方案中，非聚光式收集方法都有大功率损耗和需要高功率旋转机构 的缺陷，而聚光式收集方法虽然相对于前者来说，系统整体优化了，但复杂的构型和控制仍 然是一大难题。最新整体系统较好的方案采用了模块化和轻型化的思想，减小了对控制的 压力，但对数量大的小组件的定向控制实现也不易。
[0008] 零折射率材料是一种新纳米结构，能完全操控光的传播，零折射率材料能实现特 定入射角度段、特定电磁波频率段的全透射或者低损耗透射。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于零折射率材料的聚光式太阳能收 集装置的设计方法，该聚光式太阳能收集装置由在光波范围内可以实现全角度入射的零折 射率材料制成，采用固定结构，具有简化的聚光器结构，在一定程度上减少了控制压力。 [0010] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：首先，由聚光器放置轨道、输入总 功率和平均输入功率的要求，确定聚光器结构的整体尺寸和聚光结构以及电池阵的放置位 置；其次，对聚光结构分块微调，每块结构材料采用零折射率材料，运用光线追踪算法，以均 匀性为指标对结构进行优化和微调，最终得到均匀性较好的聚光器结构。其步骤是：
[0011] 第一步：初步建立聚光器（太阳能收集装置）结构。
[0012] 对于一定尺寸的聚光器需要提高其收集能量的效率，运用材料薄板能控制太阳光 的辐射方向，综合考虑每个时刻的进光效率、对聚光器的控制等问题，加上零折射率材料薄 板的特性，初步选择截面形状为圆弧的旋转体形成的对称结构来形成聚光器。通过改变圆 弧的曲率和圆心来改变经过其的光辐射区域。然后通过实体建模软件建立初始聚光器模 型，具体方法是：首先在二维上的圆弧截面形状，初始关键点有三个，在所选坐标系中，记为 P1(C), a)、P2 (b, 0)、P3 (r, -h)，r为圆盘形电池阵的半径，h是电池阵的高度位置信息，由圆弧 连接三个初始关键点，由于材料出射光线垂直于材料表面，则圆弧的斜率的确定便根据出 射光线要照射到电池阵上；其次旋转此二维截面形状生成三维聚光器的初始形状。
[0013] 第二步：在24h内选择η个时刻，通过测量初始聚光器模型的每个时刻的有效进光 面积S i = S i (a, b, r, h)，（i = 1，2,…，η)，根据聚光器所在轨道的能量密度P，计算输入总 功率和平均输入功率，平均输入功率记为Pare，确定满足要求的聚光器的结构尺寸，即确定 关键点P 1 (〇, a)、P2 (b，0)、P3 (r，-h)的信息。确定公式为：
[0015] 第三步：由于整体曲面会造成电池阵上的均匀性较差，在确定好的截面圆弧的基 础上，将圆弧划分，转化为N条直线的连接，通过控制每条线段的端点位置（ X]，y])，（j = 1，2,…，N)和直线段斜率Kj (j = 1，2,…，N)改变通过光线最终照射在电池阵上的区域位 置。在三维上，以经炜交叉方式确定每个平面片的分布和连接。具体确定过程如下：
[0016] 截面折线段的确定方式：以P2为起点，以每个折线段的段长!),、斜率Kjj = 1，2,…，N)逐步叠加确定线段的下一个端点，第j条直线的端点为：
[0017]
[0018] 其中，a k= arctan(Kk)
[0019] 生成折线段的端点可以完全在圆弧上，也可以以圆弧位置为基准，对端点位置进 行微调，微调的准则是：尽量让出射光线照射到已选择尺寸的电池阵上。在端点数目的选择 方面，由于最终以均匀性优化为指标，划分折线段的数目偏多时均匀性较好，但也并不是越 多越好。
[0020] 将折线段延展为平面片，可以把这称作是一个旋转体，在三维上是将旋转体绕初 始结构的对称轴旋转，在旋转方向上成封闭结构，再将多余的部分裁掉，这样就形成整体封 闭的、平面片组合的聚光器结构，旋转体的个数\可由旋转角度theta确定：
[0021] nt= 2 π /theta
[0022] 如果结构体确定，由于透过零折射率材料出射光线垂直于出射表面的性质，经过 每个面片的光线照射到电池阵上的区域也就唯一确定。在本发明聚光结构的上半部分，仅 需要材料薄板的作用即可照射到电池阵上，下半部分经过材料薄板之后经过处于结构中心 的一次镜面反射照射到电池阵上。
[0023] 第四步：对建立好的模型进行优化。采用遗传算法、光线追踪算法等建立聚光系统 的优化模型，对系统的均匀性进行优化，最终得到均匀性较好的聚光器结构。
[0024] 在以上的优化模型中，斜率Kp段长DjG = 1，2，···，Ν)、旋转角度theta作为优化 变量即可唯一确定整个聚光结构。在保证照射到电池阵上的总能量的前提下，均匀性以电 池阵上每处能量密度的均方根误差来衡量。对于截面斜率为&的平面片，在能量密度为P 的空间轨道放置时，经过材料面片的作用，最终照射到电池阵上的能量密度为：
[0025] p in= p · (cos α .)2
[0026] 其中，α 〗=arctan(K )
[0027] 通过所有面片的能量密度的叠加，便得到电池阵上的能量密度分布。
[0028] 本发明相对于现有技术具有如下优点：
[0029] 1、利用零折射率材料的特性，简化了聚光器的结构，提高了能量收集的效率；
[0030] 2、整体结构固定，对于所有的光照时刻仅需调节尺寸较小且数量不多的镜面即可 实现控制，减小了控制方面的压力。
【附图说明】
[0031] 图1具体结构及聚光原理图
[0032] 图2设计原则说明图
[0033] 图3初步聚光器结构图
[0034] 图4不同时刻的能量波动图
[0035] 图5初始聚光器结构生成过程解析图
[0036] 图6分段10实例聚光器结构图
[0037] 图7实例电池阵收集能量密度分布图。
[0038] 附图中标记的含义如下：
[0039] 01-零折射率材料板；01-1-依据设计原则截面形状；01-2-不依据设计原则截面 形状；02-反射镜；03-支架结构；04-电池阵面；05-发射天线面；a-遮挡作用；b-镜面反射 作用
【具体实施方式】
[0040] 以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方 案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实 施例。
[0041 ] 如图1至图7所示，本发明用到的模型有：
[0042] (1)在实体建模软件Sol idWorks中建立初始聚光器模型；
[0043] (2)在数学类软件（MATALB)中建立优化模型以及形成最