[发明专利]一种功率密度可调的薄膜反射聚光式空间太阳能聚能站

说明书

技术领域

本发明属于空间太阳能领域，特别是涉及一种基于大口径薄膜聚焦反射镜结构的空间太阳能聚能站，可实现对发射光束功率密度的连续调节。

背景技术

上世纪90年代以来，随着世界能源供需矛盾和环境保护问题日益突出，能源短缺问题成为了世界各国经济发展的瓶颈。为此，几十年来，美、日、欧、俄等国以及中国的科学家都在着力研究可供人类大规模开发的绿色可再生能源，并最终把希望聚焦于空间太阳能。地面太阳能的利用面临如下两个难题：1）到达地球表面的太阳能不稳定。受地球自转、公转影响，白天有、夜晚无；中午强、早晚弱；晴天强、阴天弱；夏季强、冬季弱；接收到的太阳能强度波动很大。不利于大规模工业化开发。2）到达地球表面的太阳能辐射强度较小。地球外层空间的太阳能单位面积辐射强度为1366W/m^2。地表晴天正午太阳能辐射强度（晴天正午），只有外层空间的1/10到1/30，如北美地区晴天日照下太阳辐射强度为125W/m^2-375W/m^2。

为了能实现对太阳能的综合利用和开发，以美国和日本为主的发达国家已经投入大量人员开展广泛的空间太阳能电站技术研究。与40年前相比，太阳能发电效率、微波转化效率以及相关的航天技术取得了很大进步，为未来空间太阳能电站的发展奠定了很好的基础。目前美、日、欧已经提出几十种概念，按照太阳能收集方式可以分为聚光式和非聚光式两类，按在轨运行方式又可以分为平台式和分布式两类。空间电站总体构型方案目前主要分为两大类，①以美国为代表的聚光式方案；②以日本为非聚光式方案。

非聚光式方案的主要思想是在太空建立空间太阳能电站将太阳能聚集发射到太阳能电池阵面，并转换成电能，再将电能变成无线能量传输到地面，地面接收无线能量后在转换成电能接入电网。

聚光式方案主要思想是利用光学系统将太阳能聚集于太阳能电池阵，利用空间的稳定光照条件发电，并通过无线能量传输的形式向地面接收系统进行大功率的能量传输，接收系统将传输能量转化为电能，利用地面的输电设施将电能接入地面电网，实现连续的空间太阳能供电。

现有的空间太阳能电站模型无论是聚光式还是非聚光式模型，都面临诸多技术难题：第一，太阳能转换效率。目前我国实用性单晶硅电池效率只有15%，多晶硅电池为10%，非晶硅电池6%。砷化镓电池的实验室效率可达21%，批量生产可达18%。加上存在多次能量转化，使得太阳能转换效率很难达到工业化生产电力的目的，因而空间太阳能转换成地面可利用的电能效率不是很理想。第二，建设成本以及发射成本。1千瓦光伏电池板目前市场价为7000—10000元人民币，而在太空反射1千瓦太阳能的反射镜面成本不足100元，相差几十、上百倍，而且质量要小几倍，这样巨型的空间太阳能电站结构体积和质量基本在万吨级，发射成本相对较高，带来的经济效益不明显。第三，在轨组装及维护。星上用于电力传输的线缆错综复杂使得在轨组装也比较繁琐，整个发射到商业运行需要较长时间，对整个航天器的可靠性和稳定性要求高。从长期管理维护看，技术环节越少可能发生的故障点就越少，而这样复杂庞大的航天器结构势必会给建设维护带来麻烦。

发明专利“自旋稳定的薄膜反射镜及在太空的应用”（专利号CN1341536A）公开了一种可在太空中依靠自旋稳定的薄膜反射镜，该方案介绍了利用薄膜凹面反射镜作为空间太阳能电站能量收集转化装置，形成系泊式太阳能电站，但是仅限于满足航天器的功率需求，没有提供向地面输送能量的具体方法和设备方案。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种功率密度可调的薄膜反射聚光式空间太阳能聚能站。

本发明的技术解决方案是：一种功率密度可调的薄膜反射聚光式空间太阳能聚能站，包括航天器平台、光学系统和光路调节机构；所述的光学系统包括主聚光镜、副聚光镜和平面反射镜；主聚光镜和副聚光镜反向布置且光轴重合，通过光路调节机构调整主聚光镜和副聚光镜之间的法向距离，改变输出光束的功率密度；通过光路调节机构调整平面反射镜的角度，进而改变输出光束的方向；太阳光经主聚光境聚光反射至副聚光镜，由副聚光镜将反射的光线进行二次聚光后反射至平面反射镜，由平面反射镜将光束反射至目标；所述的航天器平台包括桁架支撑结构、调姿控轨系统和自主信息管理系统。