CN104133287A - 一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法，属于机械制造领域，该镜面由支撑机构和多个花瓣片组成，每个花瓣片为扇形，在径向具有抛物线曲率，在周向为圆弧结构，花瓣片安装在支撑机构上，并沿圆周方向均匀布置，支撑机构包括顶端支撑环，多个中间支撑环，底端支撑环和径向连接条，各个支撑环依次连接在径向连接条上，该支撑机构在空间形成离散的双曲率抛物面。该方法包括以下步骤：确定花瓣片弯折后的位移值；确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸；确定径向连接条的长度，并将径向连接条与各个支撑环连接起来，使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面；各花瓣片在多个中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。本发明能够减小制造装配难度，降低制造成本。

Description

一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，特别涉及一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法。

背景技术

太阳能是一种可再生能源，具有绝对干净、不受资源分布地域的限制、可在用电处就近发电、能源质量高等特点。因此，对太阳能利用的研究和推广，受到越来越多国家的重视。为了利用太阳能进行光热发电，就需要聚集太阳光，获得高密度光能。通常利用太阳能聚光器聚集太阳光，并通过相关装置转化成电能。碟式太阳能聚光器将太阳光直接聚集到位于碟式镜面焦点处的热接收器上，能够高倍聚焦太阳光，系统光学效率高、启动损失小；分布灵活，对场地要求小，既可以采用分布式小规模发电，也可以组成系统大规模并网发电。因此碟式太阳能聚光器系统将具有广阔的推广应用前景。

碟式太阳能聚光器系统通常由聚光镜、跟踪机构和热接收器等组成。聚光镜通常固定在主动跟踪太阳运动的跟踪机构上，从而实时跟踪太阳，反射并聚焦太阳光到热接收器上。为了使聚光镜高效聚集太阳光，一般采用大型聚光镜。因此，在设计制造高效大型碟式太阳能聚光器过程中不仅要考虑聚光镜的巨大结构尺寸，而且需要保证聚光镜的精度。目前，大型碟式太阳能聚光镜主要采用桁架与分块结构，虽然分块式结构可以用模块化的小尺寸镜体结构组装为大型聚光镜，但是这种方法结构复杂，装配难度较大，精度保障困难，聚光效率低，成本昂贵。因此，采用桁架与分块结构方法设计制造大型碟式太阳能聚光器存在一些技术难点，简化大型碟式太阳能聚光器的结构及制造方法是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了改善桁架与分块结构方法的缺陷，提出了一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法，本发明的聚光器镜面形成双曲率抛物面，能够保证聚光效率，同时该方法能够大大简化设计制造过程，减小制造装配难度，降低制造成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大型碟式太阳能聚光器镜面，其特征在于，该聚光器镜面由支撑机构和多个花瓣片组成，每个花瓣片为扇形，在径向具有抛物线曲率，在周向为圆弧结构，花瓣片安装在支撑机构上，并沿圆周方向均匀布置，相邻花瓣片之间留有缝隙，以此减小风载荷对镜面形状的影响；所述支撑机构包括顶端支撑环，多个中间支撑环，底端支撑环和径向连接条；所述径向连接条由沿周向均匀布置的多个长条状结构组成，所述顶端支撑环，中间支撑环和底端支撑环均为圆环状结构，圆环半径逐渐减小，依次连接在径向连接条上，该支撑机构在空间形成离散的双曲率抛物面。

所述顶端支撑环和底端支撑环上分别有顶端限位凹槽和底端限位凹槽，用于固定花瓣片的两端。

所述的多个中间支撑环由外向内半径依次缩小，所述花瓣片与各中间支撑环接触，各花瓣片在中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。

本发明还提出一种上述大型碟式太阳能聚光器镜面的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据给定双曲率抛物面的参数确定支撑机构的顶端支撑环、底端支撑环的直径，径向连接条数量以及每个花瓣片的尺寸，每个花瓣片在弯折前为一个平面扇形薄片；

2)确定所述花瓣片弯折后的位移值：设花瓣片弯折后为具有双曲率的抛物面扇形；根据花瓣片上各个点弯折前后对应坐标的变化得到弯折后各个点的位移值；

3)确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸：根据花瓣片上各个点弯折后的位移值，在弯折前的花瓣片上选取一系列点作为位移约束点，将该点在弯折后的位移值作为中间支撑环施加的位移约束，对弯折过程仿真，得到弯折后的花瓣片的形状，从仿真结果中提取弯折后的花瓣片的形状曲线，对提取的形状曲线采用垂直入射光进行光路模拟，计算花瓣片弯折后的聚光效率；通过对位移约束点进行不同的组合，得到使得聚光效率最大的位移约束点组合，由该位移约束点组合中的位移约束点数量和位置确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸；

4)根据各支撑环的尺寸确定径向连接条的长度，使径向连接条能够将顶端支撑环，底端支撑环和多个中间支撑环连接起来，并使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面；

5)将多个花瓣片沿支撑机构的圆周方向均匀布置，相邻花瓣片之间留有缝隙，各个花瓣片的顶端和底端分别固定在顶端支撑环和底端支撑环上，并在多个中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。

本发明的特点及有益效果是：

本发明采用花瓣片的方式形成碟式太阳能聚光器镜面，并利用外部支撑的方式对碟式太阳能聚光器的花瓣片进行弯折变形，形成双曲率抛物面；通过对花瓣片位移约束进行理论分析和仿真计算，并对在不同位移约束点施加位移约束后的变形情况进行比较，确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸，使得花瓣片尽量接近理想的双曲率抛物面。

本发明能够大大简化制造过程，减小制造装配难度，并能够保证聚光器镜面的聚光效率，降低制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例大型碟式太阳能聚光器镜面的结构示意图；

图2是本发明实施例中的支撑机构的整体结构示意图；

图3是本发明实施例中的支撑机构的顶端支撑环结构示意图；

图4是本发明实施例中的支撑机构的底端支撑环结构示意图；

图5是本发明实施例中的花瓣片弯折前的结构示意图；

图6是本发明实施例中的花瓣片弯折后的结构示意图；

图中：1-支撑机构、2-花瓣片、11-顶端支撑环、12-中间支撑环、13-径向连接条、14-底端支撑环、111-顶端限位凹槽、141-底端限位凹槽。

具体实施方式

本发明提出的大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明碟式太阳能聚光器镜面实施例结构如图1所示，该实施例的碟式太阳能聚光器镜面由支撑机构1和花瓣片2组成，该实施例中镜面的双曲率抛物面焦距为f＝200mm，所述花瓣片2为六个，每个花瓣片2为扇形，在径向具有抛物线曲率，在周向为圆弧结构，六个花瓣片2安装在支撑机构1上，并沿圆周方向均匀布置，每个花瓣片所占的圆心角为50°，相邻花瓣片2之间留有圆心角为10°的缝隙，以此减小风载荷对镜面形状的影响，花瓣片采用的材料为弹簧钢，并在弹簧钢表面用反光材料镀膜增加镜面反光性能。如图2、3和4所示，所述支撑机构1包括顶端支撑环11，中间支撑环12，底端支撑环14和径向连接条13，支撑机构1采用钢型材料作为支撑结构；所述径向连接条13由沿圆周方向均匀布置的多个长条状结构组成，所述顶端支撑环11，中间支撑环12和底端支撑环14均为圆环状结构，圆环半径逐渐减小，并依次连接在径向连接条13上，其中顶端支撑环11的半径为500mm，即聚光器镜面的开口半径为500mm，底端支撑环14的半径为80mm；如图3和4所示，所述顶端支撑环11和底端支撑环14上分别有顶端限位凹槽111和底端限位凹槽141，用于固定花瓣片2的两端，所述中间支撑环12由四个圆环构成，圆环半径由外向内依次为400mm、325mm、225mm和100mm；所述顶端支撑环11，底端支撑环14和中间支撑环12的高度位置由其半径和双曲率抛物面方程确定，使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面，所述花瓣片2与中间支撑环12接触，各花瓣片2受到中间支撑环12给予的位移约束，进行弯折变形，形成双曲率抛物面。

本发明提出的上述大型碟式聚光器镜面的制造方法的具体实施方式，包括以下步骤：

1)根据给定双曲率抛物面的参数确定支撑机构1的顶端支撑环11直径X_max，底端支撑14环直径X_min，径向连接条13数量n，花瓣片2的数量与径向连接条13的数量相同，每个花瓣片2在弯折前为一个平面扇形薄片，弯折前的花瓣片2的圆心角为α，厚度为h；

2)确定所述花瓣片2弯折后的位移，具体实现过程如下：

如图5和6所示，设花瓣片2弯折后为具有双曲率的抛物面扇形，花瓣片采用的材料为弹簧钢，并在弹簧钢表面用反光材料镀膜增加镜面反光性能；由于本方法中通过支撑机构1给定位移约束使花瓣片2弯折，因此，需要计算花瓣片2弯折后的位移值。如图5所示，弯折前的花瓣片2扇形的圆心角为α，在其中一条半径上建立坐标系O-S，坐标原点位于扇形圆心处；在该花瓣片2上，对于以O为圆心的任意一条圆弧AB，圆弧半径为s，则圆弧AB的长度为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}=s\·\mathrm{\α}$

该圆弧上任意一点P的坐标都可以用圆弧半径s和相应的圆心角θ来表示，记为P(s,θ)。

假设在弯折过程中，圆弧AB的位置和长度不变，即s和不变。如图6所示，弯折后的花瓣片2的形状为理想的双曲率抛物面，在弯折后的花瓣片2上建立坐标系O-XZ，坐标原点位于花瓣片2的端点处，花瓣片2在坐标系O-XZ中的抛物线方程为：

$z=\frac{x^2}{4f}$

式中f为抛物线的焦距；弯折后的圆弧A'B'对应的圆心角为α'，对于圆弧A'B'上的点P'来说，此时s为点P'在抛物线上的弧长，根据抛物线弧长的定义，可以得到点P'的X坐标：

$x=2f\·\ln (s/2f+\sqrt{s^2/4f^2+1})$

再根据抛物线方程即能得到P'的Z坐标：

$z=\frac{x^2}{4f}=f\·{\ln }^2(s/2f+\sqrt{s^2/4f^2+1})$

圆弧A'B'的弧长可以表示为：

$\stackrel{\‾}{A^{\′}{B}^{\′}}=x\·{\mathrm{\α}}^{\′}$

由弧长相等的假设，可以得到圆弧A'B'的圆心角α'的大小为：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{\mathrm{s\α}}{x}$

则点P'的圆心角θ'可以表示为

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\α}}^{\′}\mathrm{\θ}}{\mathrm{\α}}=\frac{s\·\mathrm{\θ}}{2f\·\ln (s/2f+\sqrt{s^2/4f^2+1})}$

则点P'的坐标可以由X坐标x，Z坐标z和圆心角θ'来表示，记为P'(x,z,θ')。由上述分析可以得到，花瓣片2上的任意一点在弯折前后的坐标分别可以用P(s,θ)和P'(x,z,θ')来描述，根据花瓣片上各个点弯折前后坐标变化可以得到弯折后各个点的位移值；

3)确定支撑机构1的中间支撑环12的数量和尺寸，具体实现过程如下：

根据花瓣片2上各个点弯折后的位移值，在弯折前的花瓣片2上选取一系列点作为位移约束点，将该点在弯折后的位移值作为中间支撑环12施加的位移约束，采用ANSYS软件工具，进行弯折过程仿真，得到弯折后的花瓣片2的形状，从仿真结果中提取弯折后的花瓣片2的形状曲线，对提取的形状曲线采用垂直入射光进行光路模拟，由于弯折后的花瓣片2并不能完全符合理想抛物面，反射光线不能完全汇聚于焦点，需要用聚光效率来评定花瓣片2的聚光性能。给定一个聚光半径，认为反射光在聚光平面处汇聚在聚光半径以内的光线为有效光线，设垂直入射的M条光线，能够反射到聚光半径内的有效光线有N条，则聚光效率可以表示为：

$\mathrm{\ω}=\frac{N}{M}$

此外，由于弯折后的花瓣片2不是理想抛物面，聚光效率最高的平面不一定在焦平面处，将聚光效率最高的平面作为最佳聚光平面，该平面与焦平面的距离误差也可以作为评价花瓣片2聚光性能的一个指标；聚光效率越高，最佳聚光平面与焦平面的距离误差越小，说明花瓣片2的聚光性能越好，即弯折后的花瓣片2的形状曲线越接近理想抛物线。通过对位移约束点进行不同的组合，得到使得聚光效率最大的位移约束点组合，由该位移约束点组合中的位移约束点数量和位置确定支撑机构的中间支撑环12的数量和尺寸。

4)根据各支撑环的尺寸确定径向连接条13的长度，使径向连接条13能够将顶端支撑环11，底端支撑环14和多个中间支撑环12连接起来，并使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面；

5)将多个花瓣片2沿支撑机构1的圆周方向均匀布置，相邻花瓣片2之间留有缝隙，各个花瓣片2的顶端和底端分别固定在顶端支撑环11和底端支撑环14上，并在多个中间支撑环12位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。

本发明提出的上述大型碟式聚光器镜面的制造方法实施例，采用上述步骤具体制造过程如下：取抛物面焦距f＝200mm，支撑机构的顶端支撑环11半径，即花瓣片2弯折后形成的抛物面开口半径为X_max＝500mm，支撑机构的底端支撑环14半径为X_min＝80mm，径向连接条13的数量n＝6，对应的未弯折前的每个花瓣片2的圆心角为α＝50°，厚度为h＝2mm，花瓣片2的数量与径向连接条13的数量相同，花瓣片2采用的材料为弹簧钢，并在弹簧钢表面用反光材料镀膜增加镜面反光性能。根据花瓣片2弯折后的位移，确定中间支撑环12数量和位置(即中间支撑环12在坐标系O-XZ中的X坐标)。根据中间支撑环12的数量，可以分为单支撑、双支撑和多支撑三种不同的情况，在ANSYS软件中，采用在一系列约束点施加位移约束的方式，模拟支撑机构的作用，具体仿真计算结果如下：

i)单支撑

为了分析在不同位移约束点施加位移约束对花瓣片2弯折的影响，为后续多个位移约束点的组合提供基础，首先需要在单支撑情况下，筛选出使得花瓣片2弯折后聚光效率较高的位移约束点位置。在花瓣片2上沿X坐标，等距选取一系列的位移约束点位置，在ANSYS软件中，在单个位移约束点施加相应的位移约束进行弯折变形仿真，提取变形后花瓣片2对称轴上的形状曲线作为整个花瓣片的形状曲线，采用垂直入射光进行光路模拟，在聚光半径为50mm的情况下，计算在最佳聚光平面相应的聚光效率，仿真计算结果如表1所示。通过对最佳聚光平面位置和聚光效率的综合分析，最终筛选出X＝100，125，225，250，325，350，400，420，480mm九组位移约束点位置进行后续分析。

ii)双支撑

通过对单支撑情况下的筛选，对筛选出的九组位移约束点位置进行适当的两两组合，采用相同的仿真分析方法，计算不同组合下最佳聚光平面的聚光效率，仿真计算结果如表2所示。通过分析最佳聚光平面位置和聚光效率，以及与单支撑情况下的比较，最终筛选出X＝125\350、100\400、250\325mm三组位移约束点位置进行后续分析。

iii)多支撑

将双支撑情况选出X＝125\350、100\400、250\325mm三组位移约束点位置拆分后，对不相邻的位移约束点进行组合，进行了多个支撑情况下仿真分析，计算其最佳聚光平面的聚光效率。表3中分别对三个、四个和五个支撑的情况进行了仿真，得到了相应的聚光效率，可以看到，当X＝100\225\325\400mm四个位移约束点位置添加位移约束后，聚光性能达到最优，在最佳聚光平面上，聚光效率达到了95％，且与焦平面的距离误差仅为20mm。

通过上述在不同支撑情况下，花瓣片弯折的仿真分析和最佳聚光平面的聚光效率的计算，可以得到最佳的支撑方式为在X＝100\225\325\400mm四个位移约束点位置添加位移约束，能够使得聚光效率达到95％，且最佳聚光平面与焦平面的距离误差仅为20mm。认为此时的支撑方式即为支撑机构1的最优结构，即支撑机构1具有四个中间支撑环12，中间支撑环12的半径为X＝100\225\325\400mm，采用具有这种结构的支撑机构1对花瓣片2进行弯折，即能形成所需的太阳能聚光器镜面。

可以看到，虽然上述分析是针对一个具体的算例进行的仿真计算和分析，但是对于其他的太阳能聚光器镜面，对于镜面的尺寸及形状具有不同要求，同样可以采用上述分析方法，进行仿真计算分析，得到满足要求的太阳能聚光器镜面。

Claims (4)

1.一种大型碟式太阳能聚光器镜面，其特征在于，该聚光器镜面由支撑机构和多个花瓣片组成，每个花瓣片为扇形，在径向具有抛物线曲率，在周向为圆弧结构，花瓣片安装在支撑机构上，并沿圆周方向均匀布置，相邻花瓣片之间留有缝隙，以此减小风载荷引起的镜面变形；所述支撑机构包括顶端支撑环，多个中间支撑环，底端支撑环和径向连接条；所述径向连接条由沿周向均匀布置的多个长条状结构组成，所述顶端支撑环，中间支撑环和底端支撑环均为圆环状结构，圆环半径逐渐减小，依次连接在径向连接条上，该支撑机构在空间形成离散的双曲率抛物面。

2.如权利要求1所述的支撑机构，其特征在于，所述顶端支撑环和底端支撑环上分别有顶端限位凹槽和底端限位凹槽，用于固定花瓣片的两端。

3.如权利要求1所述的支撑机构，其特征在于，所述的多个中间支撑环由外向内半径依次缩小，所述花瓣片与各中间支撑环接触，各花瓣片在中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。

4.一种制造如权利要求1所述的大型碟式太阳能聚光器镜面的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据给定双曲率抛物面的参数确定支撑机构的顶端支撑环、底端支撑环的直径，径向连接条数量以及每个花瓣片的尺寸，每个花瓣片在弯折前为一个平面扇形薄片；

2)确定所述花瓣片弯折后的位移值：设花瓣片弯折后为具有双曲率的抛物面扇形；根据花瓣片上各个点弯折前后对应坐标的变化得到弯折后各个点的位移值；

3)确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸：根据花瓣片上各个点弯折后的位移值，在弯折前的花瓣片上选取一系列点作为位移约束点，将该点在弯折后的位移值作为中间支撑环施加的位移约束，对弯折过程仿真，得到弯折后的花瓣片的形状，从仿真结果中提取弯折后的花瓣片的形状曲线，对提取的形状曲线采用垂直入射光进行光路模拟，计算花瓣片弯折后的聚光效率；通过对位移约束点进行不同的组合，得到使得聚光效率最大的位移约束点组合，由该位移约束点组合中的位移约束点数量和位置确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸；

4)根据各支撑环的尺寸确定径向连接条的长度，使径向连接条能够将顶端支撑环，底端支撑环和多个中间支撑环连接起来，并使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面；

5)将多个花瓣片沿支撑机构的圆周方向均匀布置，相邻花瓣片之间留有缝隙，各个花瓣片的顶端和底端分别固定在顶端支撑环和底端支撑环上，并在多个中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。