CN103459942A - 曲面定日镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种曲面定日镜和用于定日镜的反射器框架，其被动地调节反射器的表观矢状和/或正切焦距。这种调节通过反射器的被动弯曲的方式来提供，该被动弯曲是由以下一个或多个原因导致：定日镜的一个或多个部件的重力诱导的弯曲；定日镜的材料的不同热膨胀；和/或定日镜的两个或更多个部件之间的相对移动。定日镜的谨慎设计使得能够在一整天中优化电力传输分布和/或反射影像的形状。

Description

曲面定日镜

技术领域

本发明涉及曲面定日镜（toroidal heliostat）。更具体地，本发明涉及被动调节焦距以降低散光效应（effects of astigmatism）的曲面定日镜。

背景技术

定日镜是一种通常位于固定位置的装置，其包括反射表面，用于将太阳能朝预定的固定目标反射。定日镜（或者更准确地说，定日镜的阵列）最常用在太阳能聚集设施中。

定日镜包括跟踪机构，其跟踪太阳的移动以将反射影像保持在目标上。为此，反射表面中心的法线必须大致将太阳、反射表面和目标之间形成的角平分。因此，太阳光在反射表面上的入射角随着一天和一年中的时间而变化。

定日镜的反射表面可为平面，但更普遍的是凹面以将所反射的太阳光线聚集至焦点，该焦点通常位于或邻近目标。例如，授予Blake的美国专利3,892,433号公开了一种系统，其包括球面镜阵列，将光线反射至热接收器，该热接收器产生过热蒸汽从而驱动蒸汽涡轮发电机。

在聚光定日镜中，散光导致反射影像的尺寸在一天中一直变化，尺寸随入射角（相对于法线）增加而变大。较大的影响降低了能量密度，并且如果影像大于目标中的孔，还会导致能量浪费和效率降低。相反，如果影像小于该孔，那么空的多余面积增加了释放到大气中的热损失。

Igel & Hughes (Igel, E. A., & Hughes, R. L. (1979) Optical analysis of solar facility heliostats. Solar Energy, 22, 283-295)已证实散光效应可通过使用非成像光学器件（即非对称反射器）而在一天中长时间段内被降至最低。

授予Moore的美国专利4,459,972号公开了一种凹面聚光反射器，其被形成为曲面的一部分，该曲面由在相互垂直平面内的两个不相等的曲率半径界定出。该曲面定日镜提供清晰的聚集影像，其能量分布和尺寸在整个运行日和运行年的变化小于球面镜。如果入射光线和反射光线之间的夹角形成的平面被保持得使其与镜面的交叉线在使用时基本固定，那么即降低了影像中的像差。

曲面定日镜不同于球面定日镜表现在它们对于每个不同的轴（通常称为正切（tangential）和矢状（sagittal）方向或轴）具有不同的焦距。独立地优化这些焦距的能力（即，通过调节曲率半径来实现）对于使得曲面定日镜比球面定日镜更有效很关键。

曲面定日镜形状接近理想抛物面形状，该理想抛物面形状是指其被构造后，目标被认为是与定日镜位置相交的大抛物面的焦点。曲面形状接近抛物面的曲率，正切轴与抛物面的焦轴对准，而矢状方向垂直于焦轴。

Chen等人(Chen, Y. T., Chong, K. K., Bligh, T. P., Chen, L. C., Yunus, J., Kannan, K. S., … Tan, K. K. (2001). Non-imaging, focusing heliostat.  Solar Energy, 71(3), 155-164)公开了一种曲面定日镜的变体，其中反射表面包括多个平面镜或方面（facet），构成假曲面。每行和每列反射镜可被单独转动以实现可变化的聚焦，从而当与自旋提升跟踪方法或旋转提升跟踪方法结合时减轻影像像差（与现有技术更常用的地平经纬仪或赤道仪定日镜安装形成对照）。但是，Chen等人的定日镜不仅需要用于绕两个轴旋转定日镜框架的装置，而且需要用于调节安装至框架的每行和每列反射镜的角度的装置，显著增加了该定日镜的复杂性和成本。

定日镜通常是太阳能聚集实施的最贵重部件。因此，期望提供一种定日镜，其具有改善的效率和/或降低的制造和维护成本，从而以较低成本产生电力。

发明目的

因此，本发明的一个目的在于提供一种定日镜和/或用于定日镜的反射器框架，其克服了或至少减轻了现有技术的一个或多个缺陷，或者至少向公众提供一种有用的选择。

本发明的进一步的目的将从以下描述中变得明显。

发明内容

根据本发明的第一个方面宽泛地说可为一种用于将入射太阳光反射至接收器的定日镜，该定日镜包括：

曲面反射器，其具有在正交的矢状和正切方向的预定的静态曲率，并且被设置成在矢状和正切方向中的至少一个中弯曲；

反射器框架，所述曲面反射器被安装在其上，反射器框架被设置成被动允许或诱导所述弯曲；以及

可转动安装机构，所述反射器框架被安装在其上，该安装机构具有与所述接收器对准的第一转动轴和大致与第一轴正交并能绕第一轴转动的第二转动轴；

其中在使用时所述被动弯曲独立地改变反射器在矢状和/或正切方向上的曲率以优化对于太阳光在反射器上的不同入射角的表观（apparent）矢状和/或横向焦距。

优选地，使用时的曲面反射器的弯曲是重力、热力和/或机械诱导的，并且取决于定日镜的至少一部分的对准和/或温度中的至少一个。

优选地，所述表观矢状和/或正切焦距被优化以符合预定的优化标准。

优选地，所述优化标准包括以下项目中的一个或多个：所需电力传输分布；和接收器孔的表观尺寸或形状。

优选地，所述表观矢状和/或正切焦距通过选择定日镜的合适几何形状和/或材料来优化，以提供所需的动态弯曲。

可转动安装装置优选包括转动转向驱动器和提升转向驱动器，前者被设置成安装在固定平台上被绕第一轴转动，后者被安装至转动转向驱动器并被设置成容纳反射器框架并绕第二轴转动。优选地，可转动安装装置进一步包括手动调节装置，用于手动将第一轴调节到期望的对准。手动调节装置优选包括一对环形楔，楔围绕栓体设置且能相对彼此转动，楔在它们相对表面上包括互锁环以防止彼此相对平移。

作为选择，可转动安装装置包括转动转向驱动器，其被设置成安装在固定平台上并绕第一轴转动；以及缆绳致动的提升驱动器，其被安装至转动转向驱动器并被设置成绕第二轴倾斜反射器框架。提升驱动器优选被安装至提升驱动器支承结构体的远端，该结构体向反射器的前方伸出并在使用时对准接收器。可转动安装装置优选进一步包括动态平衡器，用于通过改变反射器倾斜时提升的变化来补偿缆绳致动的提升驱动器的缆绳长度变化。动态平衡器是可调节的，使得补偿缆绳长度变化的程度可被改变，并且缆绳的总长度导致在反射器倾斜时定日镜反射器的被动调节。

优选地，定日镜进一步包括机械限位器，以限制或抑制反射器或反射器框架的高幅度弯曲，从而抑制对定日镜的损坏。

优选地，机械限位器包括在反射器和安装机构之间的系链，允许被动弯曲所需的小的完全，但一直反射器的高幅度震动。

优选地，机械限位器被设置成限制或一直高幅度弯曲和/或基于反射器的对准诱导进一步的弯曲。

根据第二个方面，宽泛地说，本发明涉及用于支承定日镜的凹面曲面反射器的反射器框架，该反射器框架被设置成独立地允许或诱导曲面反射器在其正切和/或矢状方向上的被动弯曲，从而在使用时被动地改变反射器在所述方向的至少一个上的表观焦距。 

优选地，反射器框架包括：

至少一个第一框架构件，其对准第一方向；和

至少一个第二框架构架，其对准基本正交于第一方向的第二方向，该第二框架构件附接至第一框架构件，并且第一和/或第二框架构件被设置成附接至曲面反射器；

其中在使用时，第一和第二框架构件每个均独立地允许或诱导曲面反射器在各第一和/或第二方向上的有限的被动动态弯曲。

优选地，所述第一和/或第二框架构件是半刚性的且被设置成形成或诱导曲面反射器的相应弯曲，所述弯曲至少部分是由于第一或第二框架构件的各自重量和/或由于重力而施加在其上的曲面反射器的重量导致的，从而所述动态弯曲取决于反射器框架在使用过程中转动时的对准。

或者，所述第一和/第二框架构件可实质上是刚性的，并且所述反射器框架进一步包括安装装置，该安装装置被设置成支承曲面反射器，同时允许其弯曲，所述弯曲至少部分是由于曲面反射器的重量导致的，从而所述动态弯曲取决于反射器框架在使用过程中转动时的对准。

或者，或此外，所述弯曲可至少部分地是由于反射器框架和/或曲面反射器的材料之间的热胀差异导致的，从而所述动态弯曲取决于定日镜的至少一部分的温度。

或者，或此外，所述弯曲可至少部分地是由于反射器框架和定日镜之间在使用时的相对移动导致的。

优选地，使用时所述弯曲的方向和幅度基本上由第一和第二框架构件之间的附接位置来决定。

优选地，所述附接位置是预定的，用于基于太阳能场中的定日镜相对目标的已知位置来优化定日镜影像。

优选地，反射器框架进一步包括机械限位器以限制或抑制反射器或反射器框架的高幅度弯曲，从而防止定日镜损坏。

优选地，定日镜影像被优化以维持在曲面反射器的矢状和正切方向的基本恒定的表观焦距。

或者，定日镜影像可被优化用来获得期望的电力传输分布（power delivery profile）。

或者，定日镜影像可被优化用来匹配目标的孔的形状。

在第三个方面，宽泛地说，本发明涉及包含本发明第二个方面的反射器框架的定日镜。

优选地，所述定日镜进一步包括反射器，并且反射器的被动弯曲是由以下一个或多个诱导的：

定日镜的一个或多个部件的重力诱导的弯曲；

定日镜的材料的不同热膨胀；和/或

定日镜的两个或更多个部件之间的相对移动。

本发明的另外的方面（应当考虑所有其新颖的方面）将从以下描述中变得明显。

附图说明

现将参考附图通过实施例来描述本发明的多种实施方式。

图1是根据本发明的第一个实施方式的定日镜的概略图。

图2是曲面反射器的正切半径和矢状半径的线框图，其中：（a）立体图；（b）显示正切半径的侧视图；（c）显示矢状半径的端视图。

图3显示本发明的示例性实施方式的反射器框架，其具有：（a）较小的曲率半径；和（b）正切方向上较大的曲率半径。

图4显示本发明的示例性实施方式的反射器框架，其具有：（a）较小的曲率半径；和（b）矢状方向上较大的曲率半径。

图5是根据本发明的一个优选实施方式的反射器框架的部分切除的前立体图。

图6是图5的反射器框架的背面的立体图。

图7是用在本发明的定日镜中的优选跟踪机构的视图。

图8显示用于在安装定日镜期间手动对准第一（转动）轴以指向目标的优选的楔形对准系统的（a）侧视图；和（b）截面图。

图9图示了当处于水平位置时正切方向上的反射器框架和曲面反射器的弯曲：（a）第一种实施例构造，其中反射器的曲率增加；和（b）第二种实施例构造，其中反射器的曲率减小。

图10图示了当处于水平位置时矢状方向上的反射器框架和曲面反射器的弯曲：（a）第一种实施例构造，其中反射器的曲率增加；和（b）第二种实施例构造，其中反射器的曲率减小。

图11图示了本发明的反射器的另一种实施方式，其中（a）第一种实施例构造，其中反射器的曲率增加；和（b）第二种实施例构造，其中反射器的曲率减小。

图12显示了本发明的定日镜的另一种实施方式，其包括机械限制器，（a）第一种实施例对准方式；和（b）第二种实施例对准方式。

图13是本发明的定日镜的又一种实施方式的视图，其包括替代性的安装/跟踪机构。

图14显示（a）图13的定日镜的另一种对准方式；和（b）图13和图14（a）的实施方式的变化形式的详细视图，其包括简单的机械动态平衡器。

图15显示了本发明的定日镜在一天中的表观正切和矢状焦距（实线）以及现有技术的曲面定日镜的表观正切和矢状焦距（虚线）。

图16显示本发明的定日镜的另一实施方式，其包括拉伸的膜反射器方面，用于替代性的安装/跟踪机构。

具体实施方式

在整篇描述中，类似的附图标记被用来标记在不同实施方式中的类似特征。

用在整篇描述中的术语“曲面”意指大致呈曲面的凹面反射表面。即，反射器表面的曲率在正交的矢状和正切方向上优选是圆弧，但可以不是完全的圆弧。由于反射器中的瑕疵、近似（approximation）和/或弯曲，表面弯曲例如可为不连续的、分段线性的或抛物线的。可能是任何这种变化形式，而不超出本发明的范围。

当在下文提及“焦距”时，其应被解释为是指相关的表观焦距（即反射光线的性质），这不同于反射器的相关曲率。

术语“被动”是指定日镜的正常使用过程中产生的曲面反射器的表观焦距的任何调节，这与由某些“主动”装置（例如驱动器）引起的调节相反。

本发明的曲面定日镜示意性地图示在图1中。定日镜1大体包括曲面反射器10（从背面看的，反射器的凹面曲面形状不明显）、支承反射器的反射器框架11、被设置用来转动反射器和框架以跟踪太阳移动的可转动安装或追踪机构12（将在下文详述）以及支柱或平台13，所述支柱或平台13为反射器框架11的转动提供足够的间距，并且，理想地，基本不遮挡对太阳的视线，随着太阳在一天和各季节期间移动，基本上没有阴影投影到反射器10上。

反射表面10的曲面形状图示在图2中。具体地，图2（a）显示了两个不相等的曲率轴，它们一般被称为正切半径/方向20（图2（b）中以侧面显示）和矢状半径/方向21（图2（c）中以侧面显示。曲率在该图中被夸大以清楚地图示出反射器的曲面形状。

在本发明优选的实施方式中，安装有曲面反射器的反射器框架11包括在第一方向对准的多个第一框架构件，和在第二方向上对准的一对第二框架构件，该第二方向例如大致与图1所示的第一方向正交。第一框架构件优选以总体上平面排布方式提供，第二框架构件也已大体上平面排布方式提供，各个平面大致平行。即，曲面反射器10优选被安装至第一框架构件，而每个第一框架构件又被安装至大致正交的第二框架构件。

根据本发明的该示例性实施方式的第一和第二框架构件基本上是半刚性的且有弹性的。

曲面反射器10优选包括安装至第一框架构件的反射表面，使得该反射表面遵循由反射器框架界定出的静态曲率（static curvature）。反射器的实际曲率优选尽可能地接近理想的平滑曲面形状，但可为近似形状。会发生的一些效应有支撑件之间的波纹/松垂（rippling/sagging）和边缘周围的“瓶盖（bottle top）”效应。这些优选通过适当地选择反射膜的机械性质（例如玻璃厚度）来尽可能地控制。

如图3（a）-4（b）示例性地显示，多个第一框架构件优选包括多个平行的细长支承肋材30，每个具有沿其在第一方向上的长度的凹面形状。该凹面形状界定出安装在其上的曲面反射器的第一方向的静态曲率，如图3（a）和图3（b）所示，其显示了分别具有较大和较小曲率（或较小和较大曲率半径）的两个示例性肋材30。

参考图4（a）和图4（b），其显示从另一角度看的反射器框架的示例性实施方式，支承肋材30共同界定曲面反射器在第二方向上的曲率，在各图中显示了示例性肋材30具有较大和较小曲率。

根据反射器框架11的这个实施方式，支承肋材30每个被附接至一对平行的细长底座承载物31，该对承载物31构成第二框架构件。因此，底座承载物优选在第二方向上对准，该第二方向基本正交于所示的支承肋材30。

图5和图6分别显示了本发明的反射器框架11的优选实施方式的前视立体图和后视立体图（曲面反射器10在图5中以部分被切除的形式显示）。

如可从这些图中看出的，支承肋材30优选具有大体为“C”形的截面，包括多个沿其长度的分散的安装点50，用于附接至曲面反射器10。

反射器框架11优选还具有一对底座横向构件60，其在底座承载物31之间延伸，以允许反射器框架被安装至跟踪机构12。横向构件60优选被提供在与底座承载物31相同的平面上。

支承肋材30和底座承载物31之间以及底座承载物31与底座横向构件60之间的精确附接位置，或者更具体地说，一对底座承载物31与底座横向构件60之间的间隔按如下方式谨慎选择。

参考图7，其详细地显示了跟踪机构12的示例性实施方式。跟踪机构12包括用于绕正交轴转动反射器（未示出）的装置。在图示的实施方式中，转动装置包括第一转向驱动器70（可称为转动转向驱动器），其被安装至平台13并被设置成绕第一轴16转动。跟踪机构优选还包括手动调节装置74，使得第一或转动轴16能够被手动调节到期望的对准位置。

在该实施方式中，安装至第一转向驱动器70的是吊杆或支承构件71，该吊杆可由第一转向驱动器70驱动而绕第一轴16转动。安装至支承构件71的是第二转向驱动器72（可被称为提升转向驱动器），其被设置成绕第二轴17转动反射器框架。支承构件优选包括在支承构件71内的芯轴73。反射器框架11的底座横向构件60（未在图7中显示）优选被设置成被安装至芯轴的从支承构件71内伸出的相对两端，因而反射器框架（以及反射器）在使用时能够绕第一和第二轴转动）。支承构件71（用作吊杆或轭）的长度可容易被改变以装配在底座横向构件60之间，优选对准第一方向且相对曲面反射器10和反射器框架11大致位于中心位置。支撑构件71的任何弯曲优选不对曲面反射器10的曲率产生影响。

图7的跟踪机构12的手动调节装置74和转向驱动器允许跟踪机构的转动轴16被适当地对准从而实现自旋提升跟踪方法。手动调节装置74优选包括如图8详细显示的两个环状楔。楔81和82被设置在栓体83上并相对彼此转动以改变柱上板84（与栓体83一体）与跟踪机构安装板85之间的角度。优选地，在两个楔的相对表面上具有互锁环86，以防止转动时发生平移并阻止它们在将它们分离开的平面内滑动。楔优选在外侧具有角度标记87，因而当转动轴16被正确对准后，楔的角度可从外侧读取并被用来确定定日镜的机械限位以及其他参数。当楔81和82转动至相同点时，获得了柱上板84与跟踪机构安装板85之间的最大角度。当两个楔彼此呈180度定向时，柱上板84与安装板85优选是平行的。

使用时，曲面反射器10将被跟踪机构12转动以在一整天中持续朝目标或接收器14（通常为塔中的孔）反射阳光。这样，垂直于反射器中心的假想线会实质上平分太阳15、反射器10和目标14之间形成的角度。因此，阳光在反射表面上的入射角度在一整天中变化。

曲面反射器10在第一和第二方向上的曲率很大程度上决定了曲面反射器10分别在相应正切和矢状方向上的焦距。但是，曲面反射器的精确表观焦距也取决于光线在反射器上的入射角。因为入射角随着太阳在天空中移动而在一天内不断变化，因而对于给定正切和矢状曲率反射器的表观正切和矢状焦距也不断变化。焦距的这些变化导致目标上的反射影像的尺寸和形状的相应改变。

理想的抛物面反射器的形状（定日镜仅是其一小部分），实质上半抛物面凹面反射器（其主轴对准太阳并在其焦点处具有目标或接收器）的形状，在一天中明显改变，以将目标保持在其焦点，同时与定日镜位置相交。在任何给定的时间点，理想的抛物面反射器表面与理想的曲面表面的差距非常小。因为两种理想表面在一天中不同时间都改变形状，实际的定日镜的镜面或反射器也必须调节其曲率以维持高度聚集和最小的散光。如下文进一步详细描述的，本发明的曲面定日镜具有可变的反射器形状，以至少在一个实施方式中实现在尽可能长的操作期间内的高度聚集。

主动调节反射器的曲率以补偿入射角变化，使得定日镜的能量聚集比在相对具有固定曲率的曲面反射器的定日镜更长的操作时间内被最大化。更高的聚集比导致能量递送至接收器具有更高的效率和更大的灵活性。主动修改曲率的缺陷在于额外的零件成本（例如致动器和控制电路）、维护以及实现主动曲率调节所需的能量。

本发明提供一种定日镜和/或相关部件，该相关部件被动调节反射器曲率以提供改善的性能和效率，而不产生执行主动曲率调节的零件的额外成本。

如上所述，反射器框架11的第一和第二框架构件（支承肋材30和底座承载物31）实质上是半刚性且有弹性的。即，第一和第二框架构件具有足够的刚性以支承曲面反射器10，但允许在某些情况下沿其长度具有至少一定程度的弯曲。特别地，在本发明的一个优选实施方式中，弯曲的程度和方向取决于反射器框架的对准或定向（在使用时是变化的）。这可通过谨慎选择定日镜的物理性质来控制，例如一对底座承载物31和一对底座横向构件60之间的刚性和/或间隔、支撑肋材30的数量、刚性和/或间隔、与跟踪机构73的连接性质和/或反射器方面的物理性质。

例如，参考图9（a）和图9（b），其显示了两种可能的构造。在图9（a）中，底座承载物31之间的间隔（因而底座横向构件60的长度）相对较宽。如图所示，在反射器框架的水平定向时，如箭头所示，这将导致反射器10的正切方向的曲率增加。底座承载物31的相对宽的间隔导致支承肋材30在其间形成悬空的跨度。在图9（b）中，其显示了底座承载物31的窄得多的间隔。这导致支承肋材30的相对两端以悬臂的形式架在底座承载物31上，使得它们在反射器框架的水平定向中向下弯曲（与图9（a）形成对比）。在两种情况中，弯曲程度也取决于支承肋材30在底座承载物31上的弯曲强度。将意识到的是，通过改变底座承载物31之间的间隔可以获得对于给定材料的在正切方向的所需弯曲水平。

参考图10（a）和图10（b），其显示了两种底座横向构件60间距的示例性构造。如图10（a）所示，相对宽的间隔导致曲面反射器在矢状方向上的曲率增加，因为反射器框架在中央区域向下弯曲（当反射器框架在如图所示的水平定向时），而图10（b）的较窄间隔导致曲率降低，因为底座承载物的悬臂状末端相对中央部分向下弯曲。支承构件71的长度可被改变以匹配如图所示的横向构件60的间隔。

将意识到的是，当反射器在定日镜的操作期间改变其定向时，矢状和正切方向上的弯曲随着力（重力、热学力或机械力）和它们的方向而变化。例如，向下施加的重力导致反射器的正切和矢状弯曲，这取决于定日镜的仰角（即定向）。当定日镜基本上水平时，因为反射器框架和曲面反射器的重量的原因，弯曲基本上如图5和图6所示那样。另一方面，当定日镜基本上垂直时，反射器框架和/或曲面反射器的弹性导致反射器回复至静态曲率。

在本发明的替代性实施方式中，具有足够刚度和刚性从而基本上自承的曲面反射器10可被预成形至所需的静态曲率。参考图11，本实施方式的曲面反射器101被预成形至所期望的静态曲率，并且可支承其自身重量而无需支承肋结构。反射器101可简单地通过多个安装装置或安装构件110（被提供在反射器框架11上）而被支承在反射器框架上。

在图11的实施方式中，曲面反射器中诱导的动态弯曲优选基本上独立于底座本身（如有）中的弯曲。即，四个连接点优选不诱导反射器的任何显著弯曲，而是提供固定的安装点， 10相对这些固定安装点弯曲。此时，第一和第二框架构件优选仅包括一对底座横向构件60和一对底座承载物31。如图11（a）和图11（b）所示的两种可能的构造中，反射器的方向和在正切方向上的弯曲程度取决于底座承载物31的间隔，该间隔又由横向构件60的长度决定。在如图所示的反射器框架的水平定向时，图11（a）所示的底座承载物31的相对宽的间距导致如箭头所示的曲率增加。图11（b）显示较窄的间距，导致曲面反射器10在安装构件110上的较大悬挂，导致两端向下弯曲以及曲率减小。根据该实施方式，至少曲面反射器10是基本上半刚性且具有弹性的，以实现所需的动态弯曲，但反射器框架也可以是半刚性的。

本领域技术人员将意识到，曲面反射器10的曲率减小导致反射器在该放下的焦距增加。相反，曲率增加导致产生较短的焦距。因为反射器10被安装在跟踪机构12上并在其上转动以追寻太阳的移动，因而其定向随着太阳的高度而变化。

本发明的被动调节定日镜可能需要在弯曲上需要机械限位器，因而偶尔的高风力不会导致定日镜破坏。这些机械限位器可允许镜面在正常操作下进行被动调节，但限制或抑制高幅度的弯曲。

参考图12（a），机械限位器系统的一个示例性实施方式涉及在反射器10和跟踪机构12之间添加作为机械限位器的柔性连接件120形式的系链（tether）。柔性连接件可包括例如支柱（strut）或线材。连接件120允许正常被动调节所需的小的弯曲，但抑制反射器的高幅度的弯曲，特别是振动或振荡。因此，通过改变镜面安装构件110和底座承载物60的间距并改变柔性连接件120的长度和/或连接位置，可实现反射器10的静态和动态性质的优化。

柔性连接件120可替代性地或额外地被用来诱导反射器的进一步弯曲。例如，当图12（a）的定日镜被如图12（b）所示重新定向时，柔性连接件120可变得被拉伸，因而诱导如箭头所示的额外弯曲。因此，改变仰角导致反射器10的曲率增加。

定日镜的动态移动的机械限制和/或改变可通过许多不同方式实现，并且通常特征在于镜面的移动部分与定日镜反射器、跟踪机构或柱上的另一位置（移动或非移动）之间的连接。这些连接也可利用其它手段来实现，例如线材、支架、稳定器或平衡物。

镜面被动调节性质的优化涉及重力、热力和/或机械诱导的反射器10的弯曲的一种或多种的特征化。焦距的被动调节可在正切方向和矢状方向独立地被优化。因此，反射器框架的和任何机械限位器或连接件的构造或尺寸可被谨慎地选择并且对阵列中的每个定日镜都独立定制，以将反射影像聚焦在接收器上，并随着阳光入射角在一天中的变化而聚焦。为简单起见，可以将定日镜组成具有类似的被动调节性质的阵列，使得该阵列中的底座承载物31、底座导轨30和机械限位器120的独特组合的总数降至最小。

对于曲面定日镜，优选地，跟踪机构12使用被称为“自旋提升跟踪方法”的方法操作。即，反射器应当能绕对准目标的中心的第一轴16（反射器可围绕该轴“自旋”）转动，并且能绕第二轴17转动，第二轴17基本上与第一轴16正交并能绕其转动（从而允许“提升”调节）。使用自旋提升跟踪方法，反射器轴（即垂直于反射器中心的假想线）保持对准在由太阳、反射器和接收器之间角度构成的平面内。

在本发明的另一实施方式中，“自旋提升跟踪方法”被用在如图13所示的包含缆绳致动提升驱动器系统的另一跟踪机构中。提升驱动器是一种缆绳驱动器系统130，其位于在反射器10前方的结构体133上，并且安装在转动转向驱动器70的前部。提升驱动器支承结构体133从反射器10的两个镜面方面之间的缝隙中伸出，并沿正切方向定向。提升运动经连接至连接点132的缆绳131被传递至镜面。提升驱动器将缆绳从一侧转移至另一侧，导致镜面倾斜或绕枢轴134（位于转动驱动器70的前方）自由转动。缆绳131的长度决定了镜面方面在正切方向的静态和动态曲率。将提升驱动器支承结构体133的顶部沿提升枢轴136连接至镜面的额外的缆绳135决定了镜面在矢状方向上的静态和动态曲率。缆绳130和135可替代性地包括链、绳、线等等。

在该实施方式中，根据自旋提升跟踪机构的规则，提升驱动器支承结构体133对准转动轴并直接指向目标。因此，提升驱动器和支承结构体的投影始终基本落入两个镜面方面之间的空间内。因此，镜面表面的效率因为提升驱动单元的阴影或阻挡而降低的效率会非常有限。

参考图14（a），提升驱动器系统的该实施方式的几何形状具有下述性质，即镜面连接点132和提升驱动器130之间的线材131的长度随仰角（反射器10与提升驱动器支承结构体133之间的角度）显著变化。需要补偿定日镜正常操作的线材的长度变化以及反射器在正切方向上的被动调节。

线材131长度变化的补偿可利用简单的机械动态平衡器实现。参考图14（b），该简单的机械动态平衡器优选利用安装至反射器的短垂直臂140和额外的平衡器线材141构成，该平衡器线材穿过与主提升驱动器线材131相连的双滑轮块体142。被动调节的程度通过将平衡器线材141的终端定位在沿臂140的合适孔143中，或者通过改变平衡器线材141的长度，而被选择。当镜面移动时，双滑轮块体沿椭圆路径移动，因而施加至提升致动的校正是可调节的。

其他动态平衡器构造也是可能的，并且可被使用，而不超出本发明的范围。反射器的正切和矢状曲率的必要动态调节通常随阳光在反射器上的入射角变化。当使用自旋提升跟踪机制时，光线入射角基本等于反射器的仰角（目标矢量和垂直于反射器中心的假想矢量之间的夹角）。因此，提升驱动器130相对于反射器的位置也可被用来调节矢状曲率。连接件136的性质决定了反射器在使用时转动时线材135的有效长度。或者，简单动态平衡器系统（例如图14（b）所示的椭圆长度校正平衡器）也可被施加至转动运动以经由图13所示的线材135诱导在矢状方向上的被动弯曲。矢状方向的动态平衡器也可利用柱顶部和转动驱动器输出（或者安装至转动驱动器的前板和后板）之间的相对运动。该相对运动被用来诱导线材135的长度改变。

在本发明的另一实施方式中，定日镜的曲面反射器10和/或反射器框架可被设置成基于温度被动调节反射器10的焦距，而非基于反射器框架的定向和重量。

通常，环境温度和来自太阳的辐射热在一天的中间（太阳在其顶峰时）处于它们的最高值。在一天开始和/或结束时，环境温度和定日镜的温度将稍低些。方便的是，这些极限值趋向于对应在反射器（相对于法线）上的最小和最大入射角。或者，季节间的温度变化可被用来设置“基线”聚焦（即，补偿太阳在一年中的路径的变化），该“基线”聚焦可与上述机械（重力）弯曲相结合以调节焦距和补偿太阳在一天中的移动。

利用定日镜的部件的不同热胀性质，可诱导反射器的曲率变化。这可通过将反射表面粘附或粘贴至具有不同热胀系数的背衬来实现，或者通过利用支承结构体中根据温度诱导底座弯曲的材料来实现。

在之前的实施方式中，反射器10在正切和矢状方向的弯曲可通过谨慎设计定日镜的尺寸和材料而被控制，从而改变曲率和优化反射影像。在特别的实施方式中，在一天的某些时间，太阳能阵列中的一个或多个定日镜可被设置成部分遮蔽或阻挡在或来自邻近定日镜的光线，从而热膨胀以更可预计的方式发生。

图15显示了本发明的定日镜的有效正切和矢状焦距（实线），以及现有技术中相当的曲面定日镜的相应焦距（虚线）。可见，在本发明中散光效应被显著降低，并且焦距在白天的大部分时间内被维持得基本恒定（约34m）。相比较而言，常规曲面定日镜的焦距是抛物线的，当太阳在天空移动时，随入射角显著变化。

本发明的另一优点在于，其提供了优化模糊形状（obscure shape）接收器孔的影像尺寸的另外的参数。这对于阵列中未处于接收器孔正前方的所有偏离中心的定日镜都是个问题。定日镜到接收器的斜的入射角意味着表观孔是不规则形状（例如不规则四边形或梯形，而非矩形），带来了不能有效收集反射光线的问题。利用被动焦距调节，通过优化动态变化的焦距来产生被孔收集的合适形状的定日镜影像，即容易适应这些不规则的表观孔形状。

在本发明的任何实施方式中，期望在反射器框架或跟踪机构中具有这样的部件和/或尺寸，其能够容易地被改变以获得阵列中每个定日镜的所需水平的弯曲，而不需要对定日镜的基本设计或实体结构作出显著改变。以上关于图3-6、8、9所描述的实施例通过提供一种特定结构而实现该目标，在该结构中底座承载物31和底座横向构件60之间的间隔以及曲面反射器的静态曲率可被改变以获得期望的静态和动态曲率以及弯曲。以上关于图12、13、14所描述的实施例通过提供系链或连接件来实现此目的，该系链或连接件的长度、刚性或连接位置可被改变以获得所需的静态和/或动态曲率以及弯曲。

因此，根据另一方面，本发明涉及一种设计被设置用于本文所述的被动调节的曲面定日镜的方法。定日镜影像的模拟和优化对于定日镜表面曲率的优化是核心的。散光、像差和太阳射线角发散的效应都在反射影像的尺寸和形状方面起到部分作用。另外，表观孔某种程度上决定了优化标准。

定日镜表面曲率的优化优选涉及测试（通过模拟）从大量不同表面获得的影响，并根据优化标准选择最好的那个。这涉及表面的静态和动态性质的优化。

该模拟优选涉及使用光线跟踪和/或分析和数值技术以预测在一天和一年中的不同时间来自定日镜反射器的影响的形状。优化是通过测试不同定日镜反射器表面构造的性能（即，不同静态和动态矢状和正切曲率半径）以及选择最符合优化标准的一个参数组来实现。

太阳能阵列中每个定日镜的优化过程的输出优选包括：1）矢状和正切方向的静态焦距（当处于竖直/垂直定向时，定日镜反射器与这些焦距相符）；和2）矢状和正切方向的动态弯曲读数（优选当定日镜在平台/水平定向时以每个弯曲的中心的弯曲毫米数的形式表示）。

确定了最佳反射器表面的静态和动态参数后，定日镜底座和跟踪机构中的可变部件和/或尺寸被设计成匹配这些规格。该设计的动态方面的构造选择基于结构弯曲计算值以及定日镜曲率的实验测量值（随框架的定向和/或温度而改变）。定日镜底座/反射器构造被选择用来匹配通过模拟和优化得到的理想情况。

定日镜根据优化标准被优化，该优化标准可能包括例如所需的电力传输分布和/或接收器孔的表观尺寸/形状。这意味着，定日镜可不必然总是被优化以维持恒定的光学焦距。这种标准的组合可被组合在一个组中，该组定义出期望的定日镜性能。

例如，在前种情况下，如果需要定日镜优先于其他时间而在清晨发电，那么定日镜曲率将仅被优化以适应早晨。因此，所需的电力分布并不必然对应于在一天中保持在正切方向或矢状方向上的基本 的表观焦距。在后一种情况下，如果表观孔是不常见形状（例如薄矩形），那么优化将被用来产生配合该孔的影像。一天中的某些时间会容许长的影像，但其他时间则不容许。

虽然本发明以参考几个示例性实施方式进行描述，但要从前述描述中意识到的是，可能有很多修改或改变而被背离本发明的范围。非穷举性的一系列进一步变化将在以下通过实施例描述。

在图示的优选实施方式中，曲面反射器10包括单个连续反射表面，在正切和矢状方向上都平滑地弯曲。但是，曲面反射器10也可由多个方面构成。一般而言，单个连续的平滑方面是最有效的。但是，由于材料加工限制，使用并排的多组薄的、单轴方面（即在一个方向（例如矢状方向）弯曲，而在另一个方向是平坦的）可能更简单。这些单轴方面的平台方向可被倾斜以近似于第二方向的曲率。在该实施方式中，每个底座肋材30基本上界定出一个单轴曲率。

在本发明的这个是实施方式中，每个反射器方面和支承肋材30可被粘合至复合材料。因此，反射器由多个倾斜的并排设置的单轴弯曲元件/方面构成，以近似于曲面定日镜曲率。方面的静态曲率的替代可通过改变施加在反射器方面膜的边缘的张力来进行。该膜随后动态地符合为膜提供支承结构体的底座的被动弯曲。

在另一替代性的反射器实施方式中，反射器可由设置在网格中的多个平面方面构成，并且每个都在正切和矢状方向上呈一定角度以近似于曲面形状。因此，对于给定的面积，近似的精确性取决于网格中的平面方面的数量。

在图11所示的发明的实施方式的变化形式中，安装构件110并不被限制于仅在底座的四个角落提供。如果包括多个支承体，底座曲率将开始影响反射器曲率。通过相对支承点弯曲反射器片材实现动态操作。但是，安装装置的合适类型和数量可根据反射器片材的强度和刚度以及与片材结合的连接件（例如胶水或胶带、螺栓等）的特定要求而改变。

在另一实施方式中，反射器可由拉伸的膜反射器制成。例如，本发明的替代性实施方式被显示在图16中，其中反射器的方面由四个三角形拉伸的膜160构成，该膜160跨在镜面角落132和136与提升支点134之间。反射器底座的角落在点132和136处施加至膜方面160的张力可被用来保持膜张力（membrane taught）。被动调节可如以上关于图13所述的相同方式实现。

膜方面160被沿矢状方向连续地连接至矢状框架构件161，使得矢状框架构件的曲率被转移至膜160。静态和动态矢状曲率可通过改变提升驱动器支承结构体133的顶部与连接点136之间的线材135的张力来改变。膜方面主要从连接点132被拉紧并在正切方向形成大致平坦的面板。正切曲率可通过改变连接提升驱动器和镜面的垂直相对角落的线材131上的张力而被动和动态地被改变。

膜反射器在风力导致它们弯曲或像帆一样飘动时具有很差的准确性。为保证基于膜的镜面的生存性和耐久性，当定日镜在高风力或暴风雨期间不使用时，膜可被绕矢状框架构件161被卷起。

在另一实施方式中，本发明的被动弯曲反射器可与利用优选的自旋提升发之外的任何跟踪方法的安装机构结合。本发明的被动弯曲概念也可与曲面反射器之外的其他几何构造的反射器一起使用，例如球形和/或平面定日镜反射器。

在本发明的其他可能变化形式中，第一和第二框架构件不必然需要是直的或具有C形截面，并且转向驱动器并不限于具有电动机和蜗轮。

还要意识到的是，本发明可以任何不同形式提供。例如，本发明可以完整定日镜或自行组装形式提供，其包括定日镜的所有所需部件，或可供应这些部件的各种组合，特别是曲面反射器、跟踪机构和/或支柱。或者，本发明可被设计和/或提供成与由第三方供应的其他部件（例如反射器）一起使用的反射器框架形式。

宽泛地说，本发明还涉及设计定日镜的反射器框架的方法，至少包括模拟定日镜和获得反射器框架尺寸的步骤以获得基于反射器框架的定向和/或温度的期望的正切和矢状焦距的被动调节。

从以上可看出，本发明提供了一种定日镜，其提供了现有技术所没有的优点，表现在在一天当中维持基本上恒定的焦距和/或维持期望的影像形状。这改善了效率，而不产生主动改变焦距所需的额外部件的成本。本发明的优选实施方式提供了定日镜设计，其可被容易地改造以符合各种优化标准，而不用修改基本设计，使得设计、制造和/安装成本降低。

除非本文另有明确说明，在本说明书中，词语“包括”等要被解释为包含而非排除或穷举，也就是说，应解释为“包括，但不限于”。

虽然本发明已参考可能的实施方式进行描述，但要理解的是可对本发明作出修改或改进而被背离本发明的范围。宽泛地说，本发明还涉及在本发明的说明书中单独或共同提及或表示的零件、元件和特征，包括所述零件、元件或特征的两个或更多个的任何或所有组合形式。而且，当提及具有已知等同物的特定部件或本发明整体时，这些等同物就如同单独阐述一样被合并至本文中。

说明书中关于现有技术的任何讨论不应被认为是承认该现有技术是众所周知的或构成本领域常规一般知识的一部分。

Claims (29)

1.一种用于反射入射阳光至接收器的定日镜，所述定日镜包括：

曲面反射器，其具有在正交的矢状和正切方向的预定静态曲率，并且被设置成在矢状和正切方向的至少一个中弯曲；

反射器框架，所述曲面反射器被安装在其上，所述反射器框架被设置成被动允许或诱导所述弯曲；以及

可转动安装机构，所述反射器框架被安装在其上，所述安装机构具有被设置成对准接收器的第一转动轴和基本正交于第一转动轴并绕第一转动轴转动的第二轴；

其中，在使用时，所述被动弯曲独立地改变反射器在矢状和/或正切方向的曲率，从而优化对于太阳光在反射器上的不同入射角的表观矢状和/或正切焦距。

2.根据权利要求1所述的定日镜，其中使用时曲面反射器的弯曲是重力、热力和/或机械诱导的，并且取决于以下项目中的至少一个：定日镜的对准和/或定日镜的至少一部分的温度。

3.根据权利要求1或2所述的定日镜，其中所述表观矢状和/正切焦距被优化以符合预定优化标准。

4.根据权利要求3所述的定日镜，其中所述优化标准包括以下项目中的一个或多个：所需的电力传输分布；和接收器的孔的表观尺寸或形状。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的定日镜，其中所述表观矢状和/或正切焦距通过选择定日镜的合适几何形状和/或材料而被优化以提供所需的动态弯曲。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的定日镜，其中可转动安装装置包括转动转向驱动器，其被设置成安装至固定平台并绕第一轴转动；和提升转向驱动器，其被安装至转动转向驱动器并被设置成容纳反射器框架并绕第二轴转动。

7.根据权利要求1至5的任一项所述的定日镜，其中可转动安装装置包括转动转向驱动器，其被设置成安装至固定平台并绕第一轴转动；和缆绳致动提升驱动器，其被安装至转动转向驱动器并被设置成绕第二轴倾斜反射器框架。

8.根据权利要求7所述的定日镜，其中提升驱动器被安装至提升驱动器支承结构体的远端，该结构体向反射器的前方伸出并在使用时对准接收器。

9.根据权利要求7或8所述的定日镜，其中可转动安装装置进一步包括动态平衡器，该动态平衡器补偿缆绳致动提升驱动器在反射器倾斜时缆绳的长度变化，其中动态平衡器能够调节，从而缆绳长度变化的补偿使得能够诱导定日镜反射器的不同程度的被动弯曲。

10.根据权利要求1至9的任一项所述的定日镜，其中可转动安装装置进一步包括手动调节装置，用于手动将第一轴调节至期望的对准。

11.根据权利要求10所述的定日镜，其中手动调节装置包括一对环形楔，环形楔绕栓体提供并能相对彼此转动，楔在它们的相对表面上包括互锁环以防止它们相对平移。

12.根据权利要求1至11的任一项所述的定日镜，所述定日镜进一步包括机械限位器，用于限制或抑制反射器或反射器框架的高幅度弯曲，从而防止定日镜损坏。

13.根据权利要求12所述的定日镜，其中机械限位器包括位于反射器和安装机构之间的系链，允许被动弯曲所需的小弯曲，但阻止反射器的高幅度震动。

14.根据权利要求12或13所述的定日镜，其中机械限位器也被设置成基于反射器的弯曲诱导进一步的弯曲。

15.一种用于支承定日镜的凹面曲面反射器的反射器框架，所述反射器框架被设置成独立地允许或诱导曲面反射器在其正切和/或矢状方向的动态被动弯曲，以在使用时被动改变反射器在所述方向的至少一个中的表观焦距。

16.根据权利要求15所述的反射器框架，所述反射器框架进一步包括：

至少一个第一框架构件，其对准第一方向；和

至少一个第二框架构件，其对准第二方向，第二方向基本正交于第一方向，第二框架构件被附接至第一框架构件，并且第一和/或第二框架构件被设置成附接至曲面反射器；

其中，在使用时，第一和第二框架构件每个均独立地允许或诱导曲面反射器在第一和/或第二方向上的有限动态被动弯曲。

17.根据权利要求16所述的反射器框架，其中在使用时所述弯曲的方向和幅度基本由第一和第二框架构件之间的附接位置来决定。

18.根据权利要求17所述的反射器框架，其中所述附接位置是预定的，用来基于太阳能场中的定日镜相对目标的已知位置来优化定日镜反射的影像。

19.根据权利要求16至18的任一项所述的反射器框架，其中所述第一和/或第二框架构件是半刚性的，并且被设置成形成和诱导曲面反射器的相应弯曲。

20.根据权利要求16至19的任一项所述的反射器框架，所述反射器框架进一步包括安装装置，该安装装置被设置成支承曲面反射器，同时允许其弯曲。

21.根据权利要求15至20的任一项所述的反射器框架，其中所述弯曲至少部分地是由因重力而产生的反射器框架和/或曲面反射器的重量而引起的，从而所述动态弯曲取决于反射器框架在使用过程中转动时的对准。

22.根据权利要求15至21的任一项所述的反射器框架，其中所述弯曲至少部分地是由于反射器框架和/或曲面反射器之间的材料的不同热膨胀引起的，从而所述动态弯曲取决于定日镜的至少一部分的温度。

23.根据权利要求15至22的任一项所述的反射器框架，其中所述弯曲至少部分地是由于反射器框架和定日镜之间在使用时的相对移动引起的。

24.根据权利要求15至23的任一项所述的反射器框架，所述反射器框架进一步包括机械限位器，用来限制或抑制反射器或反射器框架的高幅度弯曲，从而防止定日镜损坏。

25.根据权利要求15至24的任一项所述的反射器框架，所述反射器框架被优化以维持在曲面反射器的矢状和正切方向上的基本恒定的表观焦距。

26.根据权利要求15至24的任一项所述的反射器框架，所述反射器框架被优化以获得期望的电力传输分布。

27.根据权利要求15至24的任一项所述的反射器框架，所述反射器框架被优化使得在使用时定日镜反射的图像基本匹配目标的孔的形状。

28.包含权利要求15至27的任一项所述的反射器框架的定日镜。

29.根据权利要求28所述的定日镜，其进一步包括反射器，其中反射器的被动弯曲是由以下一个或多个诱导的：

定日镜的一个或多个部件的重力诱导的弯曲；

定日镜的材料的不同热膨胀；和/或

定日镜的两个或更多个部件之间的相对移动。

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