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能聚光器及其光伏發(fā)電系統(tǒng)。水下充氣式柔性太陽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，而且對全球的氣候及環(huán)境有重大影響。近年來，隨著對海洋研究的深入，人們對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源以及能量補給得到了人們的關(guān)注和研究。同時，在能源短缺的今天，人們不斷地開發(fā)新能源，受限于陸地面積，人們開始開發(fā)利用海洋面積，并不斷地探索海水中蘊含的能量，其中包括海水的溫差能、海洋動能、潮汐能以及海面上豐富的太陽能等。因此，我們意識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)作為載體來完成，潮汐能的利用則受到時間和空間的限制。相對而言，隨著太陽能利用的普及，其技術(shù)已經(jīng)相對成熟。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，另外電池板溫度過高也將影響其轉(zhuǎn)換效率。為了解決這些問題，并考慮水下作業(yè)裝置的能量需求問題，我們提出了水下太陽能聚光發(fā)電的概念，利用幾何光學(xué)原理設(shè)計了水下充氣式柔性太陽能聚光器，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，人們在深入研究光線傳播原理以及光利用的同時，已經(jīng)開始關(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)，這表明人們開始意識到水下光線利用的可行性和必要性，通過研究將其應(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光匯聚到光伏板上，將其轉(zhuǎn)化為電能并儲存，儲存的電能用來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：(1)利用幾何光學(xué)原理進行設(shè)計，位于水下，能夠緩解陸地面積緊缺的問題，防止海風海浪對裝置性能的干擾，消除風沙對聚光效果的影響；(2)聚光器結(jié)構(gòu)簡單，使用便捷，且柔性設(shè)計使其方便攜帶；(3)匯聚后的光線也可以通過與其它裝置的耦合進行其它水下作業(yè)，例如聚光捕魚、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行轉(zhuǎn)化，得到的電能儲存在蓄電池中為水下工作裝置提供能量來源。這不僅充分利用了海面上充足的太陽能，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)裝置的能量補給問題，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)裝置提供能量補給。充氣式柔性太陽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)，通過調(diào)節(jié)氣體介質(zhì)的壓力控制薄膜的曲面參數(shù)，進而使得太陽能電池組恰好位于聚光器的焦平面上。在實際應(yīng)用中，可以通過預(yù)估水下作業(yè)裝置的能源需求量，適當?shù)卣{(diào)整裝置規(guī)模大小以及根據(jù)不同地區(qū)的光照條件對裝置進行適當?shù)恼{(diào)整，以達到最優(yōu)的應(yīng)用模式。

水下充氣式柔性太陽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能聚光器、太陽能電池組、控制平臺以及升降繩，其中充氣式柔性太陽能聚光器由支架、柔性透明薄膜、連通孔、閥門以及其內(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縫黏貼，并保證所有接觸點受力均勻，連通孔剛性連接在支架的側(cè)面，并在連通孔上設(shè)計閥門。裝置工作時，打開閥門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)，通過控制臺控制其收放并調(diào)節(jié)聚光器的位置。太陽能電池組由旋轉(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_內(nèi)包括有蓄電池、逆變器、升降繩箱以及控制臺等部件，各部件間通過電路或集成電路板連接，控制臺中設(shè)計安裝ecu實現(xiàn)整套系統(tǒng)的正常運行。

工作原理：水下充氣式柔性太陽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，當水下作業(yè)裝置能量不足時，通過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)開始工作。工作過程中裝置位于水下，支架支撐整個聚光器的外形結(jié)構(gòu)，通過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，此時聚光器的形狀類似于凹透鏡。由于其內(nèi)部氣體介質(zhì)的折射率小于海水的折射率，因此當光線透過聚光器時發(fā)生匯聚，實現(xiàn)柔性聚光器的聚光功能。通過升降繩的控制使得聚光器的焦平面剛好處于太陽能電池組的平面上，匯聚后的光線被接收并轉(zhuǎn)換為電能。此時，太陽能電池組位于水下作業(yè)裝置的上表面，并通過內(nèi)部的蓄電池儲電、逆變器轉(zhuǎn)換、控制平臺控制使得產(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)裝置的能量來源問題，使其更好的完成工作，對于一些隱秘性裝置而言，也具有較好的保護作用，因為在水下充電相較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與其它裝置的耦合進行其它的水下作業(yè)，例如聚光捕魚、深海照明等。

有益效果：

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

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

(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，實現(xiàn)不同焦距的聚光，可根據(jù)不同的使用條件進行調(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)裝置的能量補給，能夠解決水下工作裝置工作時間短、能量補給困難的問題，且對特殊場合應(yīng)用的潛航器等有較好的隱蔽性，具有較強的實用性和應(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，并采用太陽能電池板實現(xiàn)聚光光伏發(fā)電；且通過在在水下作業(yè)裝置的內(nèi)部添加逆變器等部件，直接對水下作業(yè)裝置進行充電。該裝置可以作為小型聚光發(fā)電裝置，通過折疊攜帶，隨時為私人或小型潛艇等補充能源；也可以進行規(guī)模性應(yīng)用，設(shè)計為發(fā)電站為水下作業(yè)裝置進行能源補給。另外，聚光器匯聚的光線可以直接作為水下光源進行應(yīng)用。水下充氣式柔性太陽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能，也為水下工作裝置的能源補給提供了新的方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖2為本發(fā)明聚光器的聚光原理圖；

圖3為本發(fā)明充氣式柔性太陽能聚光器的實施例圖；

圖4為本發(fā)明控制平臺的結(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-太陽入射光；3-充氣式柔性太陽能聚光器；4-升降繩；5-太陽能電池組；6-控制平臺；7-水下作業(yè)裝置；8-閥門；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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

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能聚光器、太陽能電池組、升降繩和控制平臺，其中充氣式柔性太陽能聚光器由連通管、閥門、柔性透明薄膜、支架以及其內(nèi)部的氣體介質(zhì)組成。太陽光照射海面，光線透過海水到達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，光線在通過聚光器時折射匯聚，并由位于其焦平面上的太陽能電池組接收，將光能轉(zhuǎn)換為電能。電能儲存在控制平臺內(nèi)部，在水下作業(yè)裝置能量供給不足時為其提供電能，解決水下潛航器、潛艇等動力不足的問題。

如附圖2所示，為水下充氣式柔性太陽能聚光器的原理圖。從圖中可以看出光線通過聚光器后發(fā)生匯聚，這主要是因為充氣式柔性太陽能聚光器內(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，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)進入海水中時不發(fā)生折射。因此平行光透過該聚光器后折射匯聚，形成焦斑。將太陽能電池板的位置設(shè)計在聚光器的焦平面上，使其達到最優(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能聚光器的實施例圖。將充氣式柔性太陽能聚光器的周側(cè)和出光面均設(shè)計為支撐結(jié)構(gòu)，將整個聚光器的設(shè)計過程簡化，即只將聚光器的入光面設(shè)計為柔性透明薄膜，根據(jù)理論計算，也能達到較好的聚光效果。與本發(fā)明提出的充氣式柔性太陽能聚光器相同，在支架的周側(cè)布置連通管和閥門，通過閥門控制聚光器內(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)明中控制平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖?？刂破脚_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調(diào)節(jié)升降繩控制聚光器與太陽能電池組的距離；第二部分是太陽能電池組供電的控制，在控制平臺內(nèi)部設(shè)計有蓄電池、逆變器等，用于儲存電能并將其轉(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進行控制。另外，在控制平臺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能聚光器和太陽能電池組。如圖中所示，非工作狀態(tài)下聚光器內(nèi)無氣體介質(zhì)，可直接放置在收納箱內(nèi)；電池組通過控制旋轉(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能聚光器可以根據(jù)不同的需求設(shè)計為圓環(huán)狀或者條狀，匯聚后的光線均由太陽能電池組接收轉(zhuǎn)換，并在供電平臺內(nèi)儲存并得到水下作業(yè)裝置可以直接利用的能源。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。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、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。