CN101236287A - 定日镜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种定向投射太阳光的平面镜装置，即通常称为定日镜的装置，属于太阳能应用技术领域。该装置采用方位加仰角跟踪方式或自旋加仰角跟踪方式；包括平面镜、尺寸小到可以一次成型的框架、调整机构、安装在中心塔与定日镜装置之间的定位导向管、定位传感器以及控制系统。控制系统利用穿过定位导向管到达四象限光敏元件的镜面的反射光产生的信号进行控制和错误判断。采用本发明后，只要有阳光不管太阳运动到什么位置，定日镜装置的反射光总能投射到集热器内。由于使用定位导向管、定位传感器及DCS分散控制技术，从而可以使用小面积的镜面。降低了生产及安装调试难度，从而有效地降低了成本。

Description

定日镜装置
技术领域
本发明涉及一种定向投射太阳光的平面镜装置，即通常称为定日镜的装置，属于太阳能应用技术领域。
背景技术
作为可再生能源的太阳能有以下优点：它没有一般煤炭，石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净能源”；到处都可以得到太阳能，使用方便，安全，成本低廉，可以再生。而利用太阳能发电的各种方式中塔式太阳能热发电又有其明显的优势：聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；阵列中的定日镜数目越多，其聚光比越大，接收器的集热温度也就越高；能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效；接收器散热面积相对较小，因而可得到较高的光热转换效率。
塔式太阳能热发电的参数可与高温、高压火电站一致，这样不仅使太阳能热电站有较高的热效率，而且也容易获得配套设备。
定日镜是塔式太阳能热电站的关键部件之一，也是电站的主要投资部分，它占据电站的主要场地，其建造费用占整个电站造价的一半以上。创新出具有自主知识产权的定日镜技术，大幅降低其造价，对于推动塔式太阳能热电站技术走向成熟、走向商业化具有举足轻重的地位。
定日镜是一种由镜面(反射镜)、镜架(支撑结构)、跟踪传动机构及其控制系统等组成的聚光装置，用于跟踪接收并反射太阳光进入位于接收塔顶部的集热器内，是太阳能热电站的主要装置之一。为确保塔式太阳能热电站的正常、稳定、安全和高效运行，定日镜的整体性能应达到如下基本要求：定日镜反射率高、平整度误差小；机械强度高、能够抵御台风袭击；运行稳定；聚光定位精度高；可全天候工作；可大批量生产；易于安装和维护；工作寿命长。
在塔式太阳能热电站中，因为各个定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和距离，所以每个定日镜的跟踪都要进行单独的各不相同的两维控制，这就极大地增加了控制系统的复杂性和安装调试特别是光学调整的难度。极其复杂的控制系统造价高昂且数量巨大，为了减少控制系统设备的使用数量，人们将单个定日镜的面积做的较大，一般都在20M2以上。大面积的定日镜的整体性能要想达到上面所述的基本要求的话，不仅造价高昂(面积加大造价呈指数性激增)，而且难以大规模生产。
多年来塔式太阳能热发电一直困难重重，无法形成产业化，最大的障碍是定日镜装置成本较高、难以大批量模块化生产、安装调试和维护困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种定位精度高、易于安装和维护、造价低廉、可大批量生产的定日镜装置。由于该定日镜装置的控制系统造价低，可以将单个定日镜的面积做到10M2以下，这样一来相同采光面积的太阳能热电站的定日镜总造价得到大幅度降低，从而可以大幅度降低电站的建设费用。
为了解决以上技术问题，本发明的定日镜装置包括安装在框架上的一个平面镜或由多个平面镜拼接而成的镜面；采用方位加仰角跟踪方式即驱动镜面绕垂直地面轴线转动的方位角调整机构和绕水平轴线转动的仰角调整机构；或自旋加仰角跟踪方式即驱动镜面绕以镜面中心点与集热器上的靶心连线为轴线转动的自旋机构和绕水平轴线转动的仰角调整机构；安装在中心塔与定日镜装置之间的定位传感器；以及以定位传感器的信号为输入的控制上述调整机构运动的控制系统。其特征在于：所述定日镜装置上有安装在框架上的一个平面镜或由多个平面镜拼接而成的反光效果等同于一个平面镜的镜面；所述框架的尺寸较小，小到可以一次成型，从而可以保证定日镜装置对镜面精度要求的简单而廉价的实现；所述定位传感器是由定位导向管和安装在定位导向管上的四象限光敏元件组成；所述定位传感器使用较长的定位导向管可以成为高精度定位传感器、使用较短的定位导向管可以成为低精度定位传感器；所述定位导向管为一空心的内壁饰消光材料的管子，定位导向管的一端安装一个中心有透射小孔的盖子，另一端安装四象限光敏元件，在一个定日镜装置中可以使用一只定位导向管，也可以根据需要使用几只轴线平行的捆绑在一起的不同长度的定位导向管而得到几个不同精度的定位传感器；所述定位传感器放置在镜面与集热器之间，探测的是镜面的反射光，能够全面真实地反映出定日镜装置的工作情况；所述控制系统采用DCS分散控制系统(Distributed Control System)方式，用微机作上位机，系统由终端机和上位机组成；所述终端机内有控制调整机构工作的控制电路，其由单片机及外围电路组成，负责定位信息处理及控制，具有分析判断及执行能力，可以将错误信息及采集到的各传感器数据通过总线发到上位机，或执行上位机发来的动作指令，控制驱动定日镜装置跟踪太阳；所述定日镜装置进入正常工作状态后，控制系统对穿过定位导向管到达四象限光敏元件的镜面的反射光产生的信号进行分析，可以判断出定日镜装置的工作状态是否正常。
采用本发明的以上技术方案后，只要有阳光不管太阳运动到什么位置，定日镜装置的反射光总能投射到的集热器内。由于使用定位导向管、定位传感器及DCS分散控制技术，降低了控制系统成本，从而可以使用小面积的镜面；由于定日镜装置使用小面积的镜面，最后形成在集热器上的太阳聚焦光斑尺寸也较小；由于使用的镜面是平面镜，故不会产生彗星形象差；由于使用的镜面是小面积的平面镜，降低了生产及安装调试难度，在得到所需尺寸的聚焦光斑尺寸情况下，对整个系统的精度要求就降低了，有效地降低了成本。
本发明不仅仅适用于塔式太阳能热发电，还适用于太阳能制冷、太阳能光伏发电、太阳能热水器、可产生水蒸器的太阳能集热器等一切需要收集太阳能的设施与场合。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例一的示意图。
图2为本发明实施例一的定日镜装置结构示意图。
图3为本发明实施例一的定位导向管组结构示意图。
图4为本发明实施例一的指向管及定位传感器组在整个定日镜装置上的位置示意图。
图5为定位传感器组的光敏元件部分结构图。
图6为本发明实施例二的示意图。
图7为本发明实施例二的定日镜装置结构示意图。
图8为本发明实施例二的定日镜装置镜面框架图。
图9为本发明实施例二的定日镜装置动臂图。
图10为本发明实施例二的定日镜装置定位导向管组图。
具体实施方式
实施例一
本实施例采用的是自旋加仰角跟踪方式示意如图1所示。由镜面3、仰角调整机构4、支架5、定位传感器组8等组成。镜面3是一片有足够的强度的平面镜。11为接收塔，12为地面，13为镜面3的仰角调整方向，14为镜面3的自旋调整方向。照射到集热器10靶心的反射光线7是太阳1发出的光线2照射到镜面3上的反射光线。6是镜面3的中垂线。定位传感器组8的中心线与指向管9的中心线平行。只要反射光线7能够穿过定位导向管到达定位传感器组8的四象限光敏元件的中心上，就可以保证镜面3的反射光斑与集热器10靶心重合。
定日镜结构如图2所示，自旋机构21，推动镜面16绕指向管25的轴线AB和太阳同步转动，使镜面16的中垂线一直保持在由太阳、镜面中心点、集热器上的靶心三点所定的平面内。仰角调整机构18，在驱动电机的带动下，推动支撑镜面16的框架17绕轴19的轴线CD转动，调整镜面16的仰角。安装时使指向管25的轴线通过接收塔顶部集热器的靶心。指向管25是空心的管子。定日镜装置进入正常工作状态后，镜面16绕指向管25的轴线AB以每小时15度角的速度和太阳同步转动。控制系统对穿过定位导向管24到达四象限光敏元件26的镜面16的反射光产生的信号进行分析，可以判断出定日镜装置的工作状态是否正常。安装时通过指向管25中心线目视瞄准或打一束通过指向管25的中心线朝向接收塔顶部集热器中心的激光的方法，先将指向管25调整并固定安装好，再安装镜面16，然后安装上定位导向管24，定日镜装置的镜面16的中心点可以不在定位导向管的中心线上，容许有较大的偏离距离，所以整个定日镜装置的安装方便易行。
指向管25、定位导向管24及定位传感器组的光敏元件部分30的位置示意如图3所示，定位导向管组是有两个或更多的定位导向管与指向管25平行固定在一起组成。
指向管25及定位导向管24在整个定日镜装置上的位置示意如图4所示。
定位传感器组的光敏元件部分结构如图5所示，主要由四象限光敏元件26、定位凸台27及外壳28等组成。当定日镜出现偏差时照射到四象限光敏元件上的光斑出现位移，使得四象限光敏元件的信号失去平衡。四象限光敏元件的信号驱动定日镜装置转动，使得定日镜装置准确的定位。当定日镜出现大角度偏差时，低精度定位传感器可以获得信号，使得定日镜装置基本定位。定日镜装置基本定位后就进入了高精度定位传感器的探测范围。
控制系统采用DCS分散控制系统(Distributed Control System)方式，用微机作上位机，系统由终端机和上位机组成。每个定日镜装置含有一个终端机。终端机内有控制调整机构工作的控制电路，由单片机及外围电路组成，负责定位信息处理及控制，具有分析判断及执行能力，将错误信息及采集到的各传感器数据通过总线发到上位机，或执行上位机发来的动作指令，控制驱动定日镜装置跟踪太阳。
实施例二
本实施例定日镜装置示意如图6所示，采用方位加仰角跟踪方式。由镜面3、仰角调整机构4、支架5、定位传感器组8、定位传感器组支架9等组成。11为接收塔，12为地面，13为镜面3的仰角调整方向，14为镜面3的方位调整方向。照射到集热器10靶心的反射光线7是太阳1发出的光线2照射到镜面3上的反射光线。6是镜面3的中垂线。定位传感器组8的中心线与镜面3的中心点和集热器10靶心的连线重合。只要反射光线7能够穿过定位导向管到达定位传感器组8，就可以保证镜面3的反射光斑与集热器10靶心重合。
定日镜结构如图7所示。由镜面1、框架2、动臂3、支架4、方位角调整机构11、12、仰角调整机构13、14、定位传感器组5、定位传感器组支架7等组成。镜面1是一片有足够的强度的平面玻璃镜。镜面1固定安装在框架2上。方位角调整机构由丝杠11、螺母12等组成。丝杠11的一端与动臂3连接，螺母12的支撑座与支架4上的连接件6连接，在驱动电机的带动下，丝杠11在螺母12内转动，推动动臂3绕轴线AB转动，调整镜面1的方位角。仰角调整机构由丝杠13、螺母14等组成。丝杠13的一端与支撑镜面1的框架2连接，螺母14的支撑座与动臂3上的连接件连接，在驱动电机的带动下，丝杠13在螺母14内转动，推动支撑镜面1的框架2绕轴线CD转动，调整镜面1的仰角。定位传感器组5安装在定位传感器组支架7上，定位传感器组支架7上有调整机构。在安装时调整定位导向管，使定位导向管的轴线与镜面中心点和集热器上的靶心连线平行并使它们之间的距离尽量小。
框架2如图8所示。CD为仰角调整时的轴线。
动臂3如图9所示。AB为方位角调整时的轴线，CD为仰角调整时的轴线。
定位导向管组如图10所示。定位导向管组是有两个或更多的定位导向管15平行固定在一起组成。
控制系统与实施例一基本相同。

Claims (11)

1.一种定日镜装置，包括安装在框架上的一个平面镜或由多个平面镜拼接而成的镜面；采用方位加仰角跟踪方式即驱动镜面绕垂直地面轴线转动的方位角调整机构和绕水平轴线转动的仰角调整机构；或自旋加仰角跟踪方式即驱动镜面绕以镜面中心点与集热器上的靶心连线为轴线转动的自旋机构和绕水平轴线转动的仰角调整机构；安装在中心塔与定日镜装置之间的定位导向管、定位传感器；以及以定位传感器的信号为输入的控制上述调整机构运动的控制系统。其特征在于：所述定日镜装置上有安装在框架上的一个平面镜或由多个平面镜拼接而成的反光效果等同于一个平面镜的镜面。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述框架的尺寸较小，小到可以一次成型，从而可以保证定日镜装置对镜面精度要求的简单而廉价的实现。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述定位传感器是由定位导向管和安装在定位导向管上的四象限光敏元件组成。
4.根据权利要求3所述装置，其特征在于：所述定位传感器使用较长的定位导向管可以成为高精度定位传感器、使用较短的定位导向管可以成为低精度定位传感器。
5.根据权利要求3所述装置，其特征在于：所述定位导向管为一空心的内壁饰消光材料的管子，定位导向管的一端安装一个中心有透射小孔的盖子，另一端安装四象限光敏元件。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于：在一个定日镜装置中可以使用一只定位导向管，也可以根据需要使用几只轴线平行的捆绑在一起的不同长度的定位导向管而得到几个不同精度的定位传感器。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述定位传感器放置在镜面与集热器之间，探测的是镜面的反射光，能够全面真实地反映出定日镜装置的工作情况。
8.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述控制系统采用DCS分散控制系统(Distributed Control System)方式，用微机作上位机，系统由终端机和上位机组成。
9.根据权利要求8所述装置，其特征在于：所述终端机内有控制调整机构工作的控制电路，其由单片机及外围电路组成，负责定位信息处理及控制，具有分析判断及执行能力，可以将错误信息及采集到的各传感器数据通过总线发到上位机，或执行上位机发来的动作指令，控制驱动定日镜装置跟踪太阳。
10.根据权利要求1所述装置，其特征在于：所述定日镜装置进入正常工作状态后，控制系统对穿过定位导向管到达四象限光敏元件的镜面的反射光产生的信号进行分析，可以判断出定日镜装置的工作状态是否正常。
11.根据权利要求1所述装置，其特征在于：不仅仅适用于塔式太阳能热发电，还适用于太阳能制冷、太阳能光伏发电、太阳能热水器、可产生水蒸器的太阳能集热器等一切需要收集太阳能的设施与场合。
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