一種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法，屬于機(jī)械制造領(lǐng)域，該鏡面由支撐機(jī)構(gòu)和多個花瓣片組成，每個花瓣片為扇形，在徑向具有拋物線曲率，在周向?yàn)閳A弧結(jié)構(gòu)，花瓣片安裝在支撐機(jī)構(gòu)上，并沿圓周方向均勻布置，支撐機(jī)構(gòu)包括頂端支撐環(huán)，多個中間支撐環(huán)，底端支撐環(huán)和徑向連接條，各個支撐環(huán)依次連接在徑向連接條上，該支撐機(jī)構(gòu)在空間形成離散的雙曲率拋物面。該方法包括以下步驟：確定花瓣片彎折后的位移值；確定支撐機(jī)構(gòu)的中間支撐環(huán)的數(shù)量和尺寸；確定徑向連接條的長度，并將徑向連接條與各個支撐環(huán)連接起來，使各個支撐環(huán)在空間形成離散的雙曲率拋物面；各花瓣片在多個中間支撐環(huán)位移約束下產(chǎn)生彎折變形，形成雙曲率拋物面。本發(fā)明能夠減小制造裝配難度，降低制造成本。
【專利說明】—種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械制造領(lǐng)域，特別涉及一種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]太陽能是一種可再生能源，具有絕對干凈、不受資源分布地域的限制、可在用電處就近發(fā)電、能源質(zhì)量高等特點(diǎn)。因此，對太陽能利用的研究和推廣，受到越來越多國家的重視。為了利用太陽能進(jìn)行光熱發(fā)電，就需要聚集太陽光，獲得高密度光能。通常利用太陽能聚光器聚集太陽光，并通過相關(guān)裝置轉(zhuǎn)化成電能。碟式太陽能聚光器將太陽光直接聚集到位于碟式鏡面焦點(diǎn)處的熱接收器上，能夠高倍聚焦太陽光，系統(tǒng)光學(xué)效率高、啟動損失??；分布靈活，對場地要求小，既可以采用分布式小規(guī)模發(fā)電，也可以組成系統(tǒng)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。因此碟式太陽能聚光器系統(tǒng)將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
[0003]碟式太陽能聚光器系統(tǒng)通常由聚光鏡、跟蹤機(jī)構(gòu)和熱接收器等組成。聚光鏡通常固定在主動跟蹤太陽運(yùn)動的跟蹤機(jī)構(gòu)上，從而實(shí)時跟蹤太陽，反射并聚焦太陽光到熱接收器上。為了使聚光鏡高效聚集太陽光，一般采用大型聚光鏡。因此，在設(shè)計制造高效大型碟式太陽能聚光器過程中不僅要考慮聚光鏡的巨大結(jié)構(gòu)尺寸，而且需要保證聚光鏡的精度。目前，大型碟式太陽能聚光鏡主要采用桁架與分塊結(jié)構(gòu)，雖然分塊式結(jié)構(gòu)可以用模塊化的小尺寸鏡體結(jié)構(gòu)組裝為大型聚光鏡，但是這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配難度較大，精度保障困難，聚光效率低，成本昂貴。因此，采用桁架與分塊結(jié)構(gòu)方法設(shè)計制造大型碟式太陽能聚光器存在一些技術(shù)難點(diǎn)，簡化大型碟式太陽能聚光器的結(jié)構(gòu)及制造方法是亟待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了改善桁架與分塊結(jié)構(gòu)方法的缺陷，提出了一種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法，本發(fā)明的聚光器鏡面形成雙曲率拋物面，能夠保證聚光效率，同時該方法能夠大大簡化設(shè)計制造過程，減小制造裝配難度，降低制造成本。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種大型碟式太陽能聚光器鏡面，其特征在于，該聚光器鏡面由支撐機(jī)構(gòu)和多個花瓣片組成，每個花瓣片為扇形，在徑向具有拋物線曲率，在周向?yàn)閳A弧結(jié)構(gòu)，花瓣片安裝在支撐機(jī)構(gòu)上，并沿圓周方向均勻布置，相鄰花瓣片之間留有縫隙，以此減小風(fēng)載荷對鏡面形狀的影響；所述支撐機(jī)構(gòu)包括頂端支撐環(huán)，多個中間支撐環(huán)，底端支撐環(huán)和徑向連接條；所述徑向連接條由沿周向均勻布置的多個長條狀結(jié)構(gòu)組成，所述頂端支撐環(huán)，中間支撐環(huán)和底端支撐環(huán)均為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，圓環(huán)半徑逐漸減小，依次連接在徑向連接條上，該支撐機(jī)構(gòu)在空間形成離散的雙曲率拋物面。
[0007]所述頂端支撐環(huán)和底端支撐環(huán)上分別有頂端限位凹槽和底端限位凹槽，用于固定花瓣片的兩端。
[0008]所述的多個中間支撐環(huán)由外向內(nèi)半徑依次縮小，所述花瓣片與各中間支撐環(huán)接觸，各花瓣片在中間支撐環(huán)位移約束下產(chǎn)生彎折變形，形成雙曲率拋物面。
[0009]本發(fā)明還提出一種上述大型碟式太陽能聚光器鏡面的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0010]I)根據(jù)給定雙曲率拋物面的參數(shù)確定支撐機(jī)構(gòu)的頂端支撐環(huán)、底端支撐環(huán)的直徑，徑向連接條數(shù)量以及每個花瓣片的尺寸，每個花瓣片在彎折前為一個平面扇形薄片；
[0011]2)確定所述花瓣片彎折后的位移值:設(shè)花瓣片彎折后為具有雙曲率的拋物面扇形；根據(jù)花瓣片上各個點(diǎn)彎折前后對應(yīng)坐標(biāo)的變化得到彎折后各個點(diǎn)的位移值；
[0012]3)確定支撐機(jī)構(gòu)的中間支撐環(huán)的數(shù)量和尺寸:根據(jù)花瓣片上各個點(diǎn)彎折后的位移值，在彎折前的花瓣片上選取一系列點(diǎn)作為位移約束點(diǎn)，將該點(diǎn)在彎折后的位移值作為中間支撐環(huán)施加的位移約束，對彎折過程仿真，得到彎折后的花瓣片的形狀，從仿真結(jié)果中提取彎折后的花瓣片的形狀曲線，對提取的形狀曲線采用垂直入射光進(jìn)行光路模擬，計算花瓣片彎折后的聚光效率；通過對位移約束點(diǎn)進(jìn)行不同的組合，得到使得聚光效率最大的位移約束點(diǎn)組合，由該位移約束點(diǎn)組合中的位移約束點(diǎn)數(shù)量和位置確定支撐機(jī)構(gòu)的中間支撐環(huán)的數(shù)量和尺寸；
[0013]4)根據(jù)各支撐環(huán)的尺寸確定徑向連接條的長度，使徑向連接條能夠?qū)㈨敹酥苇h(huán)，底端支撐環(huán)和多個中間支撐環(huán)連接起來，并使各個支撐環(huán)在空間形成離散的雙曲率拋物面；
[0014]5)將多個花瓣片沿支撐機(jī)構(gòu)的圓周方向均勻布置，相鄰花瓣片之間留有縫隙，各個花瓣片的頂端和底端分別固定在頂端支撐環(huán)和底端支撐環(huán)上，并在多個中間支撐環(huán)位移約束下產(chǎn)生彎折變形，形成雙曲率拋物面。
[0015]本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是:
[0016]本發(fā)明采用花瓣片的方式形成碟式太陽能聚光器鏡面，并利用外部支撐的方式對碟式太陽能聚光器的花瓣片進(jìn)行彎折變形，形成雙曲率拋物面；通過對花瓣片位移約束進(jìn)行理論分析和仿真計算，并對在不同位移約束點(diǎn)施加位移約束后的變形情況進(jìn)行比較，確定支撐機(jī)構(gòu)的中間支撐環(huán)的數(shù)量和尺寸，使得花瓣片盡量接近理想的雙曲率拋物面。
[0017]本發(fā)明能夠大大簡化制造過程，減小制造裝配難度，并能夠保證聚光器鏡面的聚光效率，降低制造成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例大型碟式太陽能聚光器鏡面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的支撐機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的支撐機(jī)構(gòu)的頂端支撐環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的支撐機(jī)構(gòu)的底端支撐環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的花瓣片彎折前的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中的花瓣片彎折后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖中:1_支撐機(jī)構(gòu)、2-花瓣片、11-頂端支撐環(huán)、12-中間支撐環(huán)、13-徑向連接條、14-底端支撐環(huán)、111-頂端限位凹槽、141-底端限位凹槽。

【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明提出的大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下:
[0026]本發(fā)明碟式太陽能聚光器鏡面實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖1所示，該實(shí)施例的碟式太陽能聚光器鏡面由支撐機(jī)構(gòu)I和花瓣片2組成，該實(shí)施例中鏡面的雙曲率拋物面焦距為f =200mm，所述花瓣片2為六個，每個花瓣片2為扇形，在徑向具有拋物線曲率，在周向?yàn)閳A弧結(jié)構(gòu)，六個花瓣片2安裝在支撐機(jī)構(gòu)I上，并沿圓周方向均勻布置，每個花瓣片所占的圓心角為50°，相鄰花瓣片2之間留有圓心角為10°的縫隙，以此減小風(fēng)載荷對鏡面形狀的影響，花瓣片采用的材料為彈簧鋼，并在彈簧鋼表面用反光材料鍍膜增加鏡面反光性能。如圖
2、3和4所示，所述支撐機(jī)構(gòu)I包括頂端支撐環(huán)11，中間支撐環(huán)12，底端支撐環(huán)14和徑向連接條13，支撐機(jī)構(gòu)I采用鋼型材料作為支撐結(jié)構(gòu)；所述徑向連接條13由沿圓周方向均勻布置的多個長條狀結(jié)構(gòu)組成，所述頂端支撐環(huán)11，中間支撐環(huán)12和底端支撐環(huán)14均為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，圓環(huán)半徑逐漸減小，并依次連接在徑向連接條13上，其中頂端支撐環(huán)11的半徑為500mm,即聚光器鏡面的開口半徑為500mm,底端支撐環(huán)14的半徑為80mm ;如圖3和4所示，所述頂端支撐環(huán)11和底端支撐環(huán)14上分別有頂端限位凹槽111和底端限位凹槽141，用于固定花瓣片2的兩端，所述中間支撐環(huán)12由四個圓環(huán)構(gòu)成，圓環(huán)半徑由外向內(nèi)依次為400mm、325mm、225mm和10mm ;所述頂端支撐環(huán)11，底端支撐環(huán)14和中間支撐環(huán)12的高度位置由其半徑和雙曲率拋物面方程確定，使各個支撐環(huán)在空間形成離散的雙曲率拋物面，所述花瓣片2與中間支撐環(huán)12接觸，各花瓣片2受到中間支撐環(huán)12給予的位移約束，進(jìn)行彎折變形，形成雙曲率拋物面。
[0027]本發(fā)明提出的上述大型碟式聚光器鏡面的制造方法的【具體實(shí)施方式】，包括以下步驟:
[0028]I)根據(jù)給定雙曲率拋物面的參數(shù)確定支撐機(jī)構(gòu)I的頂端支撐環(huán)11直徑X_，底端支撐14環(huán)直徑Xmin，徑向連接條13數(shù)量n，花瓣片2的數(shù)量與徑向連接條13的數(shù)量相同，每個花瓣片2在彎折前為一個平面扇形薄片，彎折前的花瓣片2的圓心角為α，厚度為h ；
[0029]2)確定所述花瓣片2彎折后的位移，具體實(shí)現(xiàn)過程如下:
[0030]如圖5和6所示，設(shè)花瓣片2彎折后為具有雙曲率的拋物面扇形，花瓣片采用的材料為彈簧鋼，并在彈簧鋼表面用反光材料鍍膜增加鏡面反光性能；由于本方法中通過支撐機(jī)構(gòu)I給定位移約束使花瓣片2彎折，因此，需要計算花瓣片2彎折后的位移值。如圖5所示，彎折前的花瓣片2扇形的圓心角為α，在其中一條半徑上建立坐標(biāo)系0-S，坐標(biāo)原點(diǎn)位于扇形圓心處；在該花瓣片2上,對于以O(shè)為圓心的任意一條圓弧AB,圓弧半徑為s,則圓弧AB的長度為:
[0031]h.a
[0032]該圓弧上任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)都可以用圓弧半徑s和相應(yīng)的圓心角Θ來表示，記為P(s, Θ)。
[0033]假設(shè)在彎折過程中，圓弧AB的位置和長度不變，即s和^不變。如圖6所示，彎折后的花瓣片2的形狀為理想的雙曲率拋物面，在彎折后的花瓣片2上建立坐標(biāo)系0-ΧΖ，坐標(biāo)原點(diǎn)位于花瓣片2的端點(diǎn)處，花瓣片2在坐標(biāo)系O-XZ中的拋物線方程為:
[0034]

【權(quán)利要求】
1.一種大型碟式太陽能聚光器鏡面，其特征在于，該聚光器鏡面由支撐機(jī)構(gòu)和多個花瓣片組成，每個花瓣片為扇形，在徑向具有拋物線曲率，在周向?yàn)閳A弧結(jié)構(gòu)，花瓣片安裝在支撐機(jī)構(gòu)上，并沿圓周方向均勻布置，相鄰花瓣片之間留有縫隙，以此減小風(fēng)載荷引起的鏡面變形；所述支撐機(jī)構(gòu)包括頂端支撐環(huán)，多個中間支撐環(huán)，底端支撐環(huán)和徑向連接條；所述徑向連接條由沿周向均勻布置的多個長條狀結(jié)構(gòu)組成，所述頂端支撐環(huán)，中間支撐環(huán)和底端支撐環(huán)均為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，圓環(huán)半徑逐漸減小，依次連接在徑向連接條上，該支撐機(jī)構(gòu)在空間形成離散的雙曲率拋物面。
2.如權(quán)利要求1所述的支撐機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述頂端支撐環(huán)和底端支撐環(huán)上分別有頂端限位凹槽和底端限位凹槽，用于固定花瓣片的兩端。
3.如權(quán)利要求1所述的支撐機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述的多個中間支撐環(huán)由外向內(nèi)半徑依次縮小，所述花瓣片與各中間支撐環(huán)接觸，各花瓣片在中間支撐環(huán)位移約束下產(chǎn)生彎折變形，形成雙曲率拋物面。
4.一種制造如權(quán)利要求1所述的大型碟式太陽能聚光器鏡面的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)根據(jù)給定雙曲率拋物面的參數(shù)確定支撐機(jī)構(gòu)的頂端支撐環(huán)、底端支撐環(huán)的直徑，徑向連接條數(shù)量以及每個花瓣片的尺寸，每個花瓣片在彎折前為一個平面扇形薄片； 2)確定所述花瓣片彎折后的位移值:設(shè)花瓣片彎折后為具有雙曲率的拋物面扇形；根據(jù)花瓣片上各個點(diǎn)彎折前后對應(yīng)坐標(biāo)的變化得到彎折后各個點(diǎn)的位移值； 3)確定支撐機(jī)構(gòu)的中間支撐環(huán)的數(shù)量和尺寸:根據(jù)花瓣片上各個點(diǎn)彎折后的位移值，在彎折前的花瓣片上選取一系列點(diǎn)作為位移約束點(diǎn)，將該點(diǎn)在彎折后的位移值作為中間支撐環(huán)施加的位移約束，對彎折過程仿真，得到彎折后的花瓣片的形狀，從仿真結(jié)果中提取彎折后的花瓣片的形狀曲線，對提取的形狀曲線采用垂直入射光進(jìn)行光路模擬，計算花瓣片彎折后的聚光效率；通過對位移約束點(diǎn)進(jìn)行不同的組合，得到使得聚光效率最大的位移約束點(diǎn)組合，由該位移約束點(diǎn)組合中的位移約束點(diǎn)數(shù)量和位置確定支撐機(jī)構(gòu)的中間支撐環(huán)的數(shù)量和尺寸； 4)根據(jù)各支撐環(huán)的尺寸確定徑向連接條的長度，使徑向連接條能夠?qū)㈨敹酥苇h(huán)，底端支撐環(huán)和多個中間支撐環(huán)連接起來，并使各個支撐環(huán)在空間形成離散的雙曲率拋物面； 5)將多個花瓣片沿支撐機(jī)構(gòu)的圓周方向均勻布置，相鄰花瓣片之間留有縫隙，各個花瓣片的頂端和底端分別固定在頂端支撐環(huán)和底端支撐環(huán)上，并在多個中間支撐環(huán)位移約束下產(chǎn)生彎折變形,形成雙曲率拋物面。
【文檔編號】G02B7/185GK104133287SQ201410368302
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】吳軍, 陳曉磊, 吳明碩, 王立平, 李鐵民 申請人:清華大學(xué)