终的聚光器模型。
[0044] 第一步：初步形成聚光器结构的形状。
[0045] 具体实施中，电池阵选择三明治结构，电池阵在聚光系统中的位置确定，为了尽量 简化聚光器结构，上半部分结构选择能直接通过零折射材料板使光辐射到电池板上的形 状，初步选择横截面为圆弧的结构，选定一个坐标系，由三个关键点Pi、P 2、P3确定整个结构 的形状，具体结构及聚光原理如图1。在生成最初的截面为圆弧的旋转结构时，为了减小连 续时刻间的有效能量波动，圆弧端点确定，采用曲率较小的圆弧形状；设计的准则是在同样 使能量辐射到一定区域时，设计圆弧的弧度要尽量大，如图2。由图中可以看出，依据设计原 贝1J，减少了不同时刻的有效进光面积差异，就是减小了不同时刻能量收集功率的波动性。最 后，在实体建模软件Sol idWorks中初步建立聚光器，如图3。
[0046] 第二步：确定满足平均输入功率记为Pare的聚光器结构尺寸。
[0047] 实施仿真时，是将本发明的聚光器模型放置在地球静止轨道（GEO)上，一天中， 99%的时间聚光器能接收到太阳辐射，保持发射天线对地球定点发射传输能量，GEO上太阳 能量密度为P = 1358w/m2,对于地球接收平均能量2GW的情况下，综合考虑光-电、光-微 波、微波-直流电等的功率损耗，需要聚光器接收平均能量密度P ave= 8. 65GW。在Sol idWorks中，首先，初选三个关键点P1 (0, a)、P2 (b，0)、P3 (r，-h)的位置，初选b = 1500m，r = 500m，在第一步的设计原则的基础上，旋转由三个关键点所确定的两段圆弧，生成初始的三 维模型，为了避免经过上半部分的光被镜子遮挡，下半部分需要的反射镜面尺寸可以较小， 此时，可忽略镜面对于光的遮挡，在平均功率要求的基础上，逐步调整三个关键点的位置信 息，使聚光器结构满足平均功率的要求，具体的确定公式为：
[0049] 其中，η为24h内选择测量的时刻个数；
[0050] Si= S ; (a, b, r, h)，（i = 1，2,…，η)初始聚光器模型的每个时刻的有效进光面积， 在Sol idWorks中测量。
[0051] 由以上公式，可以唯一的确定此结构的三个关键点。最终确定的三个关键点的位 置信息为=P 1 (〇, 817. 9)、P2 (1600, 0)、P3 (500, -1519. 87)，数据单位为米（m)。选定 36 个时 亥|J，对于初步确定的结构的能量波动图如图4。此时结构24h的平均功率大约为9GW，考虑 到微调结构以及收集能量的损失，在一定的估计误差范围内认为满足功率设计8. 65GW的 要求，在此结构的基础上进行结构的微调。
[0052] 第三步：截面折线段等效圆弧。
[0053] 将截面圆弧形状进行直线段的划分，在本实例的实施过程中，考虑光线垂直向下 照射的时刻，此时能量辐射的区域只是结构体的上半部分，将光线经过的上半部分圆弧形 状分为10段等长的直线段折线形状，忽略中间尺寸较小的镜面的遮挡。聚光器的模型生 成结构过程如图5,图中不同的颜色只是为了区分通过不同结构面片，不代表不同的光波范 围，但在本实例中颜色越深材料板平面上接收到的能量密度越大。
[0054] 第四步：建立优化模型，优化结构尺寸。
[0055] 在MATLAB中运用光线追踪算法建立优化模型，用遗传算法优化出分10段时均匀 性较好时的结构，本发明实例仅考虑光线垂直向下入射时的能量收集，故只针对上半部分 优化，如图6,忽略中间反射镜的能量损失，同时图中给出一种镜子结构的划分方法，相邻 两层镜子交错分布。优化出聚光器结构的具体数据为：折线段长：前9段均为201. 8895m， 靠近中心的一段为55. 1618m，旋转体的数目为23个，此结构下，电池阵上的能量密度均匀 性指标为：〇. 2965,指标数字越小，均匀性越好，能量分布图如图7,此时电池上的平均聚光 比为：11. 0265,局部最大的聚光比为：19. 0642。
[0056] 结果分析：由优化结果可以看出，优化出的结构能完全收集此时刻辐射在聚光器 上的能量，均匀性较好，而且调整好的此部分结构固定，不需要控制，避免了在以往的方案 设计中的控制以及构型复杂的问题，因此，采用本发明的设计结构，整体结构简单，能够很 好的减少对聚光器系统的控制压力。
[0057] 对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的 改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
【主权项】
1. 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，其特征在于，首先，由 太阳能收集装置放置轨道、输入总功率和平均输入功率的要求，确定太阳能收集装置的整 体尺寸、结构形状W及电池阵的放置位置；其次，运用光线追踪算法，W均匀性为指标对太 阳能收集装置的进行分块优化和微调，最终得到均匀性较好的太阳能收集装置。2. 根据权利要求1所述基于零折射率材料的聚光式太阳能收集装置的设计方法，其特 征在于，其具体包括如下步骤： S1，确定太阳能收集装置的初步形状； 52, 确定满足平均输入功率记为P。、。要求的太阳能收集装置的结构尺寸； 53, 对太阳能收集装置进行分块微调，确定用来等效圆弧形状的截面折线段形状； 54, 采用遗传算法、光线追踪算法建立优化模型，优化太阳能收集装置的结构尺寸，对 太阳能收集装置的均匀性进行优化，最终得到均匀性较好的太阳能收集装置。3. 根据权利要求2所述的基于零折射率材料的聚光式太阳能收集装置的设计方法，其 特征在于：所述步骤S1中的具体过程如下： 运用材料薄板控制太阳光的福射方向，综合考虑每个时刻的进光功率和材料薄板的特 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太阳能收集装置；通过改变 圆弧的曲率和圆屯、来改变经过太阳能收集装置的光福射区域；然后通过实体建模软件建立 初始太阳能收集装置的模型；其中实体建模过程为：首先在所选坐标系中，在二维上的圆 弧截面形状上确定Ξ个初始关键点，记为Pi(0,a)、P2化，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，由圆弧连接此Ξ个初始关键点，圆弧的曲率根据出射光 线要照射到电池阵上来确定；其次旋转此二维截面形状生成Ξ维太阳能收集装置的初始形 状。4. 根据权利要求3所述的基于零折射率材料的聚光式太阳能收集装置的设计方法，其 特征在于：所述步骤S2具体包括过程如下： 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Si=Si(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Ρ。?，确定满足要求的聚光器的结构尺寸，即确定关键点 Pi(0,a)、Ρ2化，0)、Ρ3(r，-h)的信息；其中确定公式为：5. 根据权利要求4所述的基于零折射率材料的聚光式太阳能收集装置的设计方法，其 特征在于：所述步骤S3的过程如下： 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（Xj，yj)，（j= 1，2,…，脚和直线段斜率Kj(j= 1，2,…，脚改变通过零折射 率材料板的光线最终照射在电池阵上的区域位置；在Ξ维上，W经缔交叉方式确定每个平 面片的分布和连接；其具体确定过程如下： 截面折线段的确定方式：WP2为起点，W每个折线段的段长D，、斜率K,(j= 1，2,…，脚 逐步叠加确定线段的下一个端点，第j条直线的端点为：其中，ak=a;rctan化k) 生成折线段的端点可W完全在圆弧上，也可WW圆弧位置为基准，对端点位置进行微 调；该微调的准则是：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，W均匀性优化为指标；将折线段延展为平面片，即生成Ξ维实体的旋转体；将旋转体 绕步骤S1中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，形 成整体封闭的、平面片组合的太阳能收集装置，旋转体的个数nt可由旋转角度theta确定： rit= 2π/theta。6.根据权利要求5所述的基于零折射率材料的聚光式太阳能收集装置的设计方法，其 特征在于：所述步骤S4的过程如下： 在所述的优化模型中，斜率K，、段长D,(j= 1，2,…，脚、旋转角度theta作为优化变量； 即可唯一确定整个太阳能收集装置的因素；在保证照射到电池阵上的总能量的前提下，均 匀性W电池阵上每处能量密度值的均方根误差来衡量；对于截面斜率为K,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： P in= P ·(cosα J)2 其中，日.j=arctan化.j) 通过所有面片的光福射能量密度的叠加，便得到电池阵上的能量密度分布。
【专利摘要】本发明公开了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，其过程如下：首先，由太阳能收集装置放置轨道、输入总功率和平均输入功率的要求，确定太阳能收集装置的整体尺寸、结构形状以及电池阵的放置位置；其次，运用光线追踪算法，以电池阵上能量密度的分布均匀性为指标对太阳能收集装置的进行分块优化和微调，最终得到均匀性较好的太阳能收集装置。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。
【IPC分类】H01L31/18, H01L31/054
【公开号】CN105244413
【申请号】CN201510671941
【发明人】黄进, 楚雪梅, 范健宇, 段竹竹
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年10月13日