CN102985764B - 反射镜模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种菲涅尔太阳能集热器系统的反射镜模块（1），该反射镜模块包括多个相互平行地枢转安装于一个承载板（6）上的反射镜元件（5），该反射镜元件将日光聚焦在一个抬高地安装于该反射镜模块（1）上的接收器单元（2）上。该反射镜元件（5）至少沿其纵切面枢转安装在该承载板（6）上。
Description
本发明涉及一种菲涅尔太阳能集热器系统的反射镜模块，该反射镜模块包括多个相互平行地枢转安装于一个承载板上的反射镜元件，该反射镜元件将日光聚焦在一个抬高地安装于该反射镜模块上的接收器单元上。
说明—现有技术
菲涅尔太阳能集热器系统通常用在热电站里发电。然而，菲涅尔太阳能集热器系统还可以在水淡化工厂里用于生产工业用热，或者通过斯特林（Sterling）发动机或在光伏电站里发电。
菲涅尔太阳能集热器系统在本领域闻名已久。这些系统的特征在于大量被拉伸的大多数是平面或轻微曲面的反射镜，这些反射镜各自捆束日光并将日光指向一个线性接收器。为此目的制造了反射镜以绕其纵轴跟踪太阳。一般来说，数个反射镜组合起来形成一个组，且它们通过连杆耦合以便被同一个驱动移动。
US-A-3861379中描述了此类菲涅尔太阳能集热器系统，该系统包括数个耦合起来的由一个驱动控制的平面反射镜。
US-A-5542409中公开了一种菲涅尔太阳能集热器系统，该系统将依次轴向排列的多个反射镜对齐，以此通过一个齿轮机构及一个连接杆跟踪太阳的方位。
EP-A-1754942中描述了一种用于菲涅尔太阳能集热器系统的支撑结构，该系统具有多个枢转的耦合起来的反射镜以及直接设置在该接收器上方的多个副反射镜。
EPA2088384中描述了一种具有调整机构的太阳能发电厂，该发电厂中的反射镜元件长达100米，宽在10厘米至25厘米之间，并且枢转安装于一个承载板上。
在所有这四份文档中，该枢转反射镜元件两端均分别受到了支撑。
问题说明
已知的工业用菲涅尔太阳能集热器系统的一个本质问题在于就地安装时对每个单独的反射镜的精确调整。这些反射镜机械地耦合在一起以便它们能通过同一个集体驱动跟踪太阳的轨迹。为了能够达到较好的光学效率，单独的反射镜元件必须以高度的调整精度耦合在一起。由于菲涅尔太阳能集热器系统的常规反射镜元件的尺寸问题，组装必须在现场进行，对耦合的精密调整有时很难完成或者需要很长的时间及很多的人力才能完成。调整不够精确的反射镜严重降低工厂的效率。
一个进一步的问题是由反射镜的宽度导致的光学效率的降低。这个问题导致需要提供一个副反射镜，副反射镜虽然第一次会反射那些错过了接收器的光线，并且第二次的时候将它们捆束并指向接收器，但正是因为这个第二次反射降低了系统的效率。其原因是因为反射镜比接收器电子管宽的事实。缩小反射镜的宽度能够通过主反射镜上的一次简单反射增加日光对接收器的直接入射产出，但需要拥有大量反射镜。通常，较窄的平行反射镜也会引起承载体横截面的缩小，从而导致其刚度的降低。对于一个常数最大弯曲度而言，这种刚度的降低使端部受到支撑的反射镜元件需要缩短，这再次增加了系统成本。另一个可能性是使承载体相对一个较小的反射镜宽度更强，但这会再次引起系统成本的增加。对于这两个变体，我们可以说就地装配宽度较小数量较多的反射镜元件会增加组装成本且因此显著降低工厂的运行效率。
相比其他集中型太阳能集热器系统（比如线性抛物柱面镜集热器系统），菲涅尔太阳能集热器系统受到风的影响更小。当然，即使对于菲涅尔太阳能集热器系统而言，反射镜的支撑方法以及耦合系统及相关制动器的结构的稳度和强度，基本上都是由影响反射镜元件的风力确定的。对风攻区的进一步缩小会使耦合系统及相关制动器更小，这可能会降低反射镜模块的总成本。
菲涅尔太阳能集热器系统用于生产蒸汽，且除用于发电的发电厂之外，还能在业界用来作为生产工业用蒸汽的替代系统。在这方面，使用存储及生产工厂的现有屋顶表面作为安装场所是有益的。通常，常规系统由安装在钢质载体上且受到钢梁系统支撑的多个玻璃反射镜组成。此类系统总体上非常重。为了最小限度地加固现有建筑支撑结构，权宜之计是开发一种低总重的菲涅尔太阳能集热器系统。此外，较轻的系统简化了整个产品生命周期期间的处理，尤其是运输及其现场组装期间的处理。
解决方案/发明
基于现有技术，本发明以开发一种预制的高精度反射镜模块的需求为基础，其移动部件包括一个小型风攻区，且其特征在于其直接聚焦在接收器电子管上的高光学效率，以及其重量较轻、较易组装。
根据本发明，本需求是通过将反射镜元件至少沿纵切面枢转安装于承载板上来实现的。
有利的实施方案及进一步的开发是这些子权利要求的主题。
特别是，反射镜元件至少大致沿其整体长度枢转安装于承载板上。
由于根据本发明的安装，可以制造重量减轻且材料投入降低的反射镜元件。通过本发明，支撑功能被固定刚性承载板执行，即将日光通过枢转反射镜元件反射到接收器单元上的功能。根据本发明的功能的分离使得建造以狭窄的方式跟踪太阳的枢转反射镜元件成为可能，而使它们轴向延伸一长段距离并且重量极轻。根据本发明，通过使用至少一个薄膜铰链进一步实现了对每个反射镜元件的枢转安装，在一个优选实施方案中，该薄膜铰链沿着反射镜元件的大部分长度延伸，并且因此一直提供适当的支撑及对齐。
承载板本身优选轻型结构，它除了反射镜元件之外还承载着用于跟踪太阳的连接单元及驱动。单独的反射镜元件的调整，连接单元的附装及驱动的组装可以因此由工厂里的机器在最好的条件下完成，在这样的工厂里可以执行良好的质量控制。这确保了一个实用且高精密度的完整反射镜模块的交付，其基本不需要与现场接收器单元之间对齐。
然后可以选择反射镜元件的宽度，使它至多相当于接收器单元的直径，尤其小于接收器单元的直径，并且因此所有反射的日光不需任何副反射镜直接命中接收器单元。这从整体上增强了系统的光学效率。此外，狭窄的宽度意味着移动部件的风攻表面很小，从而使得在实现过程中材料投入低且驱动单元小巧。除制造期间及运输期间的成本节约，组装也变得更为简单。
由于此极轻且节约材料的结构，菲涅尔太阳能集热器系统的优选安装地点是屋顶平台表面。由于该承载板，与屋顶的连接可以在那些屋顶表面下存在支撑剖面及加固物的地方，有选择地实现。
根据本发明，边条可能出现在反射镜模块的外部并实现几项功能。一方面边条向外部的反射镜元件提供一层附加风罩，另一方面，由于其高度，它们能够使反射镜模块互相叠加起来而不让反射镜元件触碰到彼此。边条最好配备有把手及突耳，以便组装过程中更方便操作，并且配有多个槽道用于接收清洗架。此外提供的集成销及相应的凹槽可以防止反射镜模块在存储或运输期间相互堆叠的情况下出现滑动。
说明书
下面将参照示例性原理图介绍本发明，其中
图1展示了一个菲涅尔太阳能集热器系统，
图2a及2b展示了反射镜模块的各种对齐方法，
图3展示了一个交错的菲涅尔太阳能集热器系统，
图4展示了反射镜元件，
图5展示了反射镜元件横截面的变体，
图6展示了耦合在一起的多个反射镜元件，
图7展示了带边条的堆叠反射镜模块，以及
图8展示了横截面是三角形的反射镜元件的制造步骤。
图1中的菲涅尔太阳能集热器系统主要由根据本发明的反射镜模块1组成，反射镜模块1将入射日光聚焦到接收器单元2上，接收器单元2放置在反射镜模块1之上数米的高度。根据本发明，接收器单元2能够通过连杆3及钢丝绳4附装，以此种方式装起来的接收器单元即使在刮风和日光照射的时候一般也能结实地固定在原位。根据本发明，反射镜模块1由反射镜元件5组成，反射镜元件5大致沿其整体长度但至少分段地枢转安装在一个承载板6上。承载板6通过固定在地面上的支架7安装，与接收器单元2精确对齐。根据现有技术的一个替代实施方案，承载板6可以安装在一个支撑系统上，而不是单独的支架7上。承载板6是轻型结构，并且可以是用泡沫芯层建造的复合板、蜂窝芯材板或是任何其他形式，但同样需要重量轻并且非常坚硬。但关于材料的热膨胀，这应与反射镜元件5的材料类似。
反射镜模块的尺寸一般适配成适合标准的运输工具，但原则上也可以包括适合各自应用的其他尺寸。由于如集装箱或卡车的标准运输工具，这通常使得反射镜模块1被拉伸成例如大约3米x大约12米的矩形。然而，对于某些应用，选择其他尺寸更加方便。单独的反射镜模块1之后可以沿着接收器单元2放置，无论是如图2a所示的平行的方式，还是如图2b所示的与载体板6的纵向相垂直的方式。然而反射镜元件5的位置总是使它们与接收器单元2平行延伸。根据所需的密度及接收单元2的高度，在两个实施方案中均可安置数个相互平行的反射镜模块1。
正如已知的菲涅尔太阳能收集器系统，如图3所示的接收器单元2也可被设置成在一个定义的距离彼此平行地延伸，而设置在两个接收器单元2之间的反射镜元件5的一部分与一个接收器单元1相关联，而另一部分与另一个接收器单元2相关联。由于反射镜元件5交替地与左侧和右侧的接收器单元2相关联，效率得到了提升，因为单独的反射镜在彼此之间造成的阴影并不会更少。这种已知的优化安排也可以通过使用根据本发明的本反射镜模块1实现。
图4展示了如何根据本发明将反射镜元件5通过薄膜铰链8安装在承载板6上。这些薄膜铰链8或者穿过几段反射镜元件5的长度延伸或者穿过反射镜元件5的整个或大部分的长度延伸，且它们被安装在承载板6上以便它们不能弯曲通过承载板6或只能与承载板6一起弯曲。所产生的尺寸稳定性确保了反射镜模块1的高光学效率。因此，反射镜元件5包括一个支撑元件11，该支撑元件由一个脚元件9及一个反射镜支撑部12组成，通过薄膜铰链8灵活地相互连接。在反射镜支撑部12的顶部是一个镜面10，特别由一个旋光好的反射涂层、一个反射箔或一个薄板玻璃反射镜组成。在本发明的一个实施方案中，反射镜元件5的支撑元件11由一个塑料剖面组成，以使薄膜铰链8及脚元件9与反射镜支撑部12形成一个单个的组件。该支撑元件11可用一个薄膜铰链8及一个脚元件9沿反射镜元件5的整个长度设置在载体板6上，或者可以配备分段脚元件9加上分段薄膜铰链8或是一个沿支撑元件的长度延伸的一个单个的脚元件9。该薄膜铰链8可以设置在该反射镜元件5的下部，或位于该承载板6的附近，或该反射镜元件5的中部或下部，但它必须允许该反射镜元件5至少倾斜一个角度以便一整天的日光都会指向该接收器单元2。该倾斜角度不仅取决于该菲涅尔太阳能集热器系统的几何学，还取决于该接收器单元2对该指南针四个方向的对齐，但一般说来应该允许一个90°左右的值。为预防天气的影响，如果该镜面10能够被枢转在一个垂直位置之外，那么一个倾斜角度超过90°的实施方案是很有意义的。反射镜元件5的宽度范围从数毫米到100毫米，相当于接收器单元2的直径，特别的是反射镜10或反射镜元件5的宽度至多相当于接收器单元2的直径。反射镜元件5的长度取决于导致反射镜元件5超过反射镜模块1的整个长度的反射镜模块1的放置及尺寸。所得到的长度可以是例如3米到12米。
如图5所示，反射镜元件5的反射镜支撑部12及12a至12e的不同的横截面形状取决于薄膜铰链8的位置及反射镜元件5的大小，并且应包括一个非常高的扭转阻力。这确保了在发生倾斜运动时，镜面10在整个宽度上保持尺寸稳定。反射镜支撑部12a具有一个T形的剖面，反射镜支撑部12b的横截面形状是三角形，反射镜支撑部12c的横截面形状是L形。反射镜支撑部12d是T形的,有一个薄膜铰链8躺在镜面10的附近。反射镜支撑部12c与脚元件9一起在横截面上形成一个X。脚元件9与承载板6之间的连接可通过一个槽舌系统实现，或是通过胶合、铆接或螺丝接合，或本领域所定义的任何其他类型的连接实现。
线性反射镜元件5的跟踪优选如本领域定义的方式实现，即借助一个如图6中所示的简化形式的连接单元13将线性反射镜元件彼此耦合。连接单元13将所有或一组反射镜模块1的反射镜元件5与一个驱动14连接，由于对小型反射镜元件5产生影响的风力较弱，该驱动可以保持较小的体积。连接单元13及驱动14可被放置在各自反射镜模块1的边缘，甚至中心的位置。利用凹槽或通过把驱动14从侧面穿过去，该驱动14可以安装在载体板6的中心或是载体板6的底面。为确保一致性，以及太阳能集热器系统拥有良好的光学效率，反射镜元件5与连接单元13之间的连接点的位置应该被选择为确保从薄膜铰链8的轴线有尽可能多的距离，因而有很大的杠杆作用。有利的是，驱动14可以实现为一个具有自锁轴的电子线性驱动，或者它可以包括任何其他类型的驱动，如气动或液压驱动，或者它可以是一个直接驱动或一个使用齿轮机构的驱动。由于安装反射镜元件5、连接单元13及驱动14到承载板6，一个完整的可直接使用的便携式反射镜模块1产生了，其可在工厂中，特别是在机器人的帮助下制造。反射镜模块1的光学精度的质量检测因此也可以在制造期间及制造完成后立即执行，以便在现场安装过程中的对齐仅限于对反射镜模块1的精确定位。调整反射镜元件5本身或带有驱动14的连接单元13是没有必要的，此事实简化并加速了整个太阳能系统的安装。
根据本发明使用安装在承载板6上的固定元件15，实现了将反射镜模块1固定在支撑7上，从而一方面允许了简单快速装配，另一方面确保了高调整精度。
虽然由于狭窄的反射镜元件5导致风对移动部件的影响非常小，线性反射镜元件5的外部风攻表面仍可被如图7所示的边条16覆盖着。此外，在储存或运输过程中数个反射镜模块1堆叠起来时这些边条16可对反射镜元件5行使保护功能。根据本发明，这是这样实现的，边条16进一步在向上或向下的方向上延伸一个大于反射镜元件5或载体板6可能的弯曲通过的量，用于静态负载，甚至在运输过程中的动态负载。如果数个反射镜模块1彼此堆叠，仅将边条16置于彼此的上面，使反射镜模块1的任何其他部分不会彼此接触。附装到边条16或小突起上的销17以及在边条16另一边缘上的与它们相应的凹槽18，允许精确定位相互堆叠起来的单独的反射镜模块1，此外，还防止滑动及因此对其产生的损坏。此外，突耳19也可以设置在边条16里，用于接收使用各种起重工具抬起反射镜模块1的起重吊索或钩。集成在边条16上的把手20大大简化了堆叠及组装过程中的手动辅助定位。
反射镜元件5的清洗可以由一个可通过反射镜模块1移动的清洗架实现。为此，可以在带有一个槽道21的反射镜元件5之间的两个或多个点上设置一个相应的距离，该槽道21被设置在承载板6里，用于接收及引导一个清洗架。或者，也可以在载体板6的边缘上形成该槽道。在另一种设计中，该槽道21可以被实现为横向设置的边条16的一个组成部分。在这两种情况下，该槽道可以被设计成一个导轨或剖面引导。为了保护反射镜元件5不仅不受风还不受其他天气条件的影响，也可以在每个反射镜模块1上设置一个玻璃或塑料制成的透光性遮盖物。
图8示意性地展示了根据本发明所述的带有三角反射镜支撑部12b的反射镜元件5的制造方法，该支撑部由一个板22制成，该板由塑料、或者纤维增强塑料、或者特别是被硬化剂硬化的纸板组成。在定义的时间间隔内，该板22被设置了数个平行延伸的扭结23，其中一些扭结23以后会充当薄膜铰链8。因此，该材料一方面必须是尺寸稳定的，另一方面该扭结23还必须柔韧且抗风化。扭结后，各个部分被分别朝期望的方向转动，并且该板22同时被从侧面推到一起。如此形成的牙形横截面被更近地推在一起从而获得所需的横截面。这样做的效果是形成多个带有反射镜支撑部12、脚元件9及薄膜铰链8的相互连接的支撑元件11。然后通过附装，优选通过将其胶合到一个现成的复合板上，或胶合到一个顶部仍然打开的复合板上，这样的结构可以与反射镜元件5组装，以形成所需的轻型承载板6。根据本申请，被实现为一个反射涂层、薄膜或玻璃反射镜的镜面10可以在此制造步骤之前或之后应用。
参考符号列表
1反射镜模块
2接收器单元
3连杆
4钢丝绳
5反射镜元件
6承载板
7支架
8薄膜铰链
9脚元件
10镜面
11支撑元件
12反射镜支撑部
12a–e反射镜支撑部
13连接单元
14驱动
15固定元件
16边条
17销
18凹槽
19突耳
20把手
21槽道
22板
23扭结
Claims (21)
1.一种菲涅尔太阳能集热器系统的反射镜模块(1)，该反射镜模块包括多个相互平行地枢转安装于一个承载板(6)上的反射镜元件(5)，该反射镜元件将日光聚焦在一个抬高地安装于该反射镜模块(1)上的接收器单元(2)上，
其特征在于，该反射镜元件(5)至少沿所述承载板和所述反射镜元件的纵切面枢转安装在该承载板(6)上。
2.根据权利要求1所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该反射镜元件(5)至少大致沿其整体长度枢转安装于该承载板(6)上。
3.根据权利要求1所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该反射镜元件(5)的枢转安装被实现为一个薄膜铰链(8)。
4.根据权利要求3所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该反射镜元件(5)包括一个支撑元件(11)，该支撑元件(11)由一个反射镜支撑部(12、12a至12e)及一个可以与该承载板(6)连接的脚元件(9)组成，其中该反射镜支撑部(12、12a至12e)通过至少一个集成的该薄膜铰链(8)与该脚元件(9)相连。
5.根据权利要求1至4之一所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该支撑元件(11)是一个由塑料组成的型材，其中该反射镜支撑部(12、12a至12e)包括一个T形、L形或三角形的横截面。
6.根据权利要求4所述的反射镜模块(1)，其特征在于，在该支撑元件(11)面向太阳的一侧应用一个镜面(10)。
7.根据权利要求6所述的反射镜模块(1)，其特征在于，所述镜面(10)实现为一个反射涂层、胶合反射箔或玻璃反射镜。
8.根据权利要求6或7所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该镜面(10)包括一个至多相当于该接收器单元(2)直径的宽度。
9.根据权利要求1至3之一所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该承载板(6)被实现为一个轻型结构。
10.根据权利要求1至3之一所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该承载板(6)被实现为一个材料复合板或一个蜂窝芯材板。
11.根据权利要求1至3之一所述的反射镜模块(1)，其特征在于，枢转的所述反射镜元件(5)通过至少一个连接单元(13)机械地耦合成几组或全部耦合在一起且通过该至少一个连接单元(13)来借助驱动(14)追踪太阳。
12.根据权利要求11所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该反射镜元件(5)被排列成与该承载板(6)的纵向侧平行或垂直对齐，并且与该连接单元(13)及该驱动(14)一起形成一个可以通过标准运输工具运输的预制单元。
13.根据权利要求1至3之一所述的反射镜模块(1)，其特征在于，在该反射镜元件(5)之间的承载板(6)上或在承载板(6)的边缘上至少两个位置处形成一个缝隙，作为清洗架的槽道(21)。
14.根据权利要求1至3之一所述的反射镜模块(1)，其特征在于，可以在该反射镜元件(5)的上方附装一个额外的玻璃或塑料制成的透光覆盖物，用于保护该反射镜元件(5)免受不利天气条件的影响。
15.根据权利要求1至3之一所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该承载板(6)包括位于支架(7)上的固定元件(15)，用于快速附装及后续精密调整。
16.根据权利要求1至3之一所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该承载板(6)在其至少两个侧面包括一个边条(16)，凸出于该反射镜元件(5)。
17.根据权利要求16所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该边条(16)的上缘或下缘包括多个销(17)或小突起及相应的凹槽(18)，以使数个反射镜模块(1)可以相互堆叠且不会滑动。
18.根据权利要求16所述的反射镜模块(1)，其特征在于，突耳(19)及把手(20)设置在该边条(16)上，使起重工具能够被附装上以供运输及组装之用，并使辅助手动定位成为可能。
19.根据权利要求16所述的反射镜模块(1)，其特征在于，该边条(16)包括多个用于接收一个清洗架的槽道(21)。
20.一种用于制造根据权利要求1所述的反射镜模块(1)的方法，该反射镜模块(1)具有根据权利要求5所述的三角形横截面的反射镜支撑部(12b)，其特征在于，按照定义的间隔设置一个板(22)，数个扭结(23)平行延伸，使得通过折叠及一起挤压，形成连接在一起的包括集成的薄膜铰链(8)及脚元件(9)的横截面是三角形的反射镜支撑部(12b)，其中用这种方法形成的该反射镜元件(5)配备有镜面(10)并且附装在一个承载板(6)上。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，该板(22)由塑料、增强塑料或被硬化剂硬化的纸板组成。
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