CN104197539A - 碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统 - Google Patents

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Abstract

碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，本发明涉及光热斯特林发电机的碟式聚光系统。它解决了现有技术的聚光系统因桁架的杆件是圆管致使其抵抗弯曲变形和减轻重量的能力有待提高的问题。所述聚光系统由背板和背部支架两部分组成，背部支架设置在背板的背面上以连接并支撑背板；背部支架包括轮毂、多组桁架、多根横梁和多根拉筋；每组桁架都由上下平行的两根纵梁及连接在两根纵梁之间的拉筋组成；每组桁架的一端可拆卸地固定连接在轮毂的外缘表面上，多组桁架均匀地呈辐射状以轮毂为中心向外延伸，纵梁的横截面为“U”形且“U”形的两个底角为直角，每根纵梁的横截面面积从轮毂的近端到另一端逐渐减小。

Description

碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统
技术领域
本发明涉及一种光热发电机的聚光系统，具体涉及光热斯特林发电机的碟式聚光系统。
背景技术
据欧洲太阳能光热协会发布的一份报告预计，未来20年，全球光热发电每年将会有164亿欧元的巨大市场。到2025年，全球光热发电的装机总容量将达到36000兆瓦；到2040年，光热发电将满足世界上5％的电力需求。相对于全球市场，国内光热发电市场潜力也是非常巨大。据测算，到2015年，中国光热发电的规模将达到400到500兆瓦。2015年以后，光热发电每年的装机规模都将达到300到500兆瓦。
太阳能光热发电有三种形式：槽式、塔式和碟式，碟式斯特林太阳能热发电系统因可以采取分布、并网等方式，且转换效率高，成本下降空间大，而成为最具商业前途的技术路线。
聚光系统是碟式太阳能光热斯特林发电机的主要部分，整个系统主要由背板和背部支架两大部分组成，背板部分由大约40块左右的内外镜面组组成，每块镜面组是由两个尺寸在2平方米左右的冲压件焊接而成。镜面组在背部支架的支撑下按照一定的规律排列组成了一个巨大的蝶形，每块镜面组上通过抽真空的方式粘贴反光玻璃，所有的反光玻璃都按照镜面组的弧度构成自己的方程，阳光照射到反光玻璃上，通过反光玻璃的反射最终聚集在接收器上，斯特林发电机通过能量转换，将接收器接收的太阳能转换成电能。
碟式太阳能光热斯特林发电机一般设置在空旷的场地上，聚光系统的直径约10米左右。聚光系统需要跟踪太阳的运动，需要能够转动，因此聚光系统重量越轻越好。但是由于聚光系统的面积较大，因此还要求具有很好的防风和抗变形的强度。目前的聚光系统背部支架往往采用双层桁架的结构，这种结构在一定程度上实现了防风强度与减轻重量兼备的效果，但是构成桁架的杆件是圆管，其抵抗弯曲变形和减轻重量的能力有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，以解决现有技术的聚光系统因桁架的杆件是圆管致使其抵抗弯曲变形和减轻重量的能力有待提高的问题。所述聚光系统由背板1和背部支架2两部分组成，背板1是由多个扇形聚光反射镜片组拼接而成的一个旋转抛物面体，背部支架2设置在背板1的背面上以连接并支撑背板1；
背部支架2包括轮毂2-1、多组桁架2-2、多根横梁2-3和多根拉筋2-4；每组桁架2-2都由上下平行的两根纵梁2-2-1及连接在两根纵梁之间的拉筋2-4组成；每组桁架2-2的一端可拆卸地固定连接在轮毂2-1的外缘表面上，多组桁架2-2均匀地呈辐射状以轮毂2-1为中心向外延伸，相邻的两组桁架2-2之间连接多根横梁2-3；
所述纵梁2-2-1的横截面为“U”形且“U”形的两个底角为直角，每根纵梁2-2-1的横截面面积从轮毂2-1的近端到另一端逐渐减小。
由于本发明把纵梁2-2-1由圆管的型材替换成横截面为“U”形的型材，利用“U”形的两个立面，改变了圆管在长度方向上容易弯曲变形的缺陷。从图3可以看出，“U”形的型材的两个立面类似于两根平行设置的工字钢，按照材料力学的理论，工字钢的抵抗弯矩的能力最强，因此其在长度方向上抵抗弯曲的能力要远远强于圆管，而圆管的圆环形如图5所示，容易在受外力的情况下瘪进去，从而导致管材在长度方向的弯曲。如果采用圆管型材的纵梁发生弯曲，会导致多组反射镜片组反射的太阳光汇聚不到同一个焦点上，降低发电机的工作效能。如图6所示的横截面为矩形的方管，虽然从材料力学的角度其抵抗弯矩、抵抗剪切力和抗失稳的能力都优于“U”形的型材，但是一方面其截面积要大于“U”形的型材，自身重量较重；另一方面很难制造长度上横截面积逐渐变化的矩形管材。
本发明既利用了截面形状的力学优点，另外纵梁2-2-1的横截面面积从轮毂2-1的近端到另一端逐渐减小，利用纵梁在远端所受的弯矩小的特点，在保证强度的前提下进一步减小了自身的重量；最后一个优点是“U”形的横截面形状不封闭，因此方便了滚压成形加工。
附图说明
图1是本发明聚光系统的整体结构示意图，图2是本发明背部支架2的结构示意图，图3是本发明纵梁的横截面为“U”形的示意图，图4是本发明实施方式三的结构示意图，图5是纵梁的横截面为圆环形的示意图，图6是纵梁的横截面为方管的示意图，图7是本发明实施方式四和五的结构示意图，图8是本发明实施方式四桁架2-2与轮毂2-1的连接结构的俯视示意图，图9是本发明实施方式六的结构示意图，图10是实施方式六中扣盖的侧视图，图11是图10的仰视图，图12是本发明对比实验中纵梁的横截面尺寸的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、2和3具体说明本实施方式。本实施方式聚光系统由背板1和背部支架2两部分组成，背板1是由多个扇形聚光反射镜片组拼接而成的一个旋转抛物面体，背部支架2设置在背板1的背面上以连接并支撑背板1；
背部支架2包括轮毂2-1、多组桁架2-2、多根横梁2-3和多根拉筋2-4；每组桁架2-2都由上下平行的两根纵梁2-2-1及连接在两根纵梁之间的拉筋2-4组成；每组桁架2-2的一端可拆卸地固定连接在轮毂2-1的外缘表面上，多组桁架2-2均匀地呈辐射状以轮毂2-1为中心向外延伸，相邻的两组桁架2-2之间连接多根横梁2-3；
所述纵梁2-2-1的横截面为“U”形且“U”形的两个底角为直角，每根纵梁2-2-1的横截面面积从轮毂2-1的近端到另一端逐渐减小，面积变小的原因是“U”形的高度的变化，即“U”形的高度逐渐减小。因为聚光系统主要承受的是风的作用力和自重，纵梁2-2-1从力学角度看相当于一个悬臂梁，悬臂的远端受力会逐渐减小，悬臂梁所承受的弯矩也逐渐变小，所以在能够承受负载的前提下，适当减少远端横截面面积，可以降低自身重量。
每个纵梁2-2-1沿其长度方向为抛物线形状。
每组桁架2-2中，上下平行的两根纵梁2-2-1间的拉筋2-4为斜拉筋。拉筋2-4与纵梁2-2-1间是螺栓连接，从而方便拆卸和安装。
两组相邻的桁架2-2中，同是位于上排或下排的纵梁2-2-1之间连接有多根横梁2-3，横梁2-3之间互相平行，均匀地从纵梁2-2-1的一端排列到纵梁2-2-1的另一端。横梁2-3与纵梁2-2-1之间是螺栓连接，从而方便拆卸和安装。
具体实施方式二：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：纵梁2-2-1的“U”形的横截面的立面顶端设置有向外的翻边2-2-3。如此设置，增加了纵梁2-2-1抵抗弯矩和剪切破坏的能力，增加了纵梁2-2-1抵抗变形的刚度。另外，翻边的结构可以在滚压成形纵梁2-2-1的过程中，在滚压成形工序的后段，直接添加用于翻边的滚压轮，一道工序即完成了纵梁2-2-1的整体成形。从工艺的角度看，翻边结构的加工比较方便。
具体实施方式三：下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：纵梁2-2-1的“U”形的横截面的立面顶端设置有窄条2-2-4，所述窄条2-2-4沿纵梁2-2-1的长度方向设置，窄条2-2-4的横截面中心线与纵梁2-2-1的“U”形的横截面的立面中心线重合。本实施方式比实施方式二抵抗侧向失稳的能力强，但是制造工艺比其复杂。
具体实施方式四：下面结合图7具体说明本实施方式。本实施方式关于桁架2-2与轮毂2-1的连接方式进行详细描述，其它与实施方式一相同。每组桁架2-2的纵梁2-2-1都通过座架2-5连接在轮毂2-1的外缘表面上；所述座架2-5为“U”形，座架2-5的底部固定在轮毂2-1上；座架2-5侧立板的内表面与底面所成的夹角X为80°至84°之间，最佳为82°；本实施方式还包括楔块2-6，楔块2-6的两个侧面分别与下表面的锐角Y与夹角X相等，纵梁2-2-1的端部镶嵌在座架2-5的“U”形凹槽内，楔块2-6卡在纵梁2-2-1的端部的“U”形凹槽内。
桁架的纵梁2-2-1与轮毂2-1之间，传统连接方式为螺栓固定方式，即纵梁2-2-1的侧立面上开孔，通过螺栓穿入开孔固定到轮毂2-1上。聚光系统所受的风力作用相当于时刻变化的变载荷，桁架2-2与轮毂2-1的连接处受力最大，是最关键的部位。传统的螺栓固定方式长期使用后螺栓会松动，进而出现桁架与轮毂2-1之间的活动。另外，侧立面开孔后的纵梁2-2-1在该位置抵抗剪切力的强度受到了减弱，会降低使用寿命。而本发明采用了楔块2-6，把纵梁2-2-1的端部微变形后楔紧在座架2-5的凹槽内，形成刚性一体的结构，纵梁2-2-1端部的“U”形的凹槽被楔块2-6所填平，纵梁2-2-1端部的“U”形的外表面被座架2-5所包容，其抵抗弯矩和剪切力的强度和抵抗失稳的能力都有极大的提高。当风力作用形成的对纵梁2-2-1端部的挑撅力试图把纵梁挑出座架的凹槽时，由于连接面是斜面，只会使连接越来越紧。另外，由于不会在侧立面上开孔，纵梁2-2-1端部的强度不会受到减弱。
具体实施方式五：下面结合图7具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式四的不同点是：它还包括垫片2-7，垫片2-7设置在纵梁2-2-1底部的下表面与座架2-5底部的上表面之间。如此设置，通过垫片2-7施加的向上的预紧力，使楔块2-6、纵梁2-2-1与座架2-5之间的刚性连接更紧密，三者之间的刚度更好，纵梁2-2-1在风力作用下更容易保持稳定不动的状态。
具体实施方式六：下面结合图8、9和10具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式五的不同点是：它还包括扣盖2-8、防松垫圈2-9、平垫圈2-10和螺杆2-11，所述扣盖2-8由上盖板2-8-1、左下沿板2-8-2、右下沿板2-8-5、左内延伸板2-8-3和右内延伸板2-8-4组成，左下沿板2-8-2的上端与上盖板2-8-1的左端边缘相固定，左下沿板2-8-2的下端与左内延伸板2-8-3的左端相固定，右下沿板2-8-5的上端与上盖板2-8-1的右端边缘相固定，右下沿板2-8-5的下端与右内延伸板2-8-4的右端相固定，左内延伸板2-8-3的右端和右内延伸板2-8-4的左端之间所形成的夹口与座架2-5的两个侧立板外壁之间形成小于0.15毫米的间隙配合，楔块2-6的上表面上开有螺孔2-12，座架2-5的两个侧立板外壁上各设置有定位凸块2-13，两个定位凸块2-13分别位于左内延伸板2-8-3和右内延伸板2-8-4的上表面的上方，螺杆2-11的下端穿过上盖板2-8-1旋合在螺孔2-12中，螺杆2-11的杆体上螺杆2-11的螺帽与上盖板2-8-1之间从上到下依次穿有平垫圈2-10和防松垫圈2-9。如此设置，纵梁2-2-1、楔块2-6与座架2-5装配完成后，在座架2-5的两个侧立板的外壁之间扣上扣盖2-8，螺杆2-11旋入螺孔2-12，在旋紧的过程中，楔块2-6被向上提拉，由于斜度的原因，使纵梁2-2-1的端部与楔块2-6和座架2-5紧密贴合，与此同时座架2-5在力的作用下有向外变形的趋势，扣盖2-8限制了座架2-5的侧立板向外的变形，使向外的膨胀力和向内的夹紧力相互平衡，在完成座架、楔块和纵梁之间刚性预紧的同时又实现了可靠的自锁。
上述设置，既保证了纵梁2-2-1与座架2-5之间的刚性连接，使聚光系统在风力的变载荷作用下，能够抵抗挑撅作用力，同时还保证了纵梁2-2-1与座架2-5之间是一种联接稳固、拆卸方便的连接结构，避免了焊接结构不可拆卸和不能更换的缺陷。同时，纵梁2-2-1的型材上不需要开任何孔，不在型材上造成强度薄弱区域，因此型材的重量可以进行最优化的设计。
对比实验：
本发明选择三个实验对照组来进行实验。三个对照组分别为三个碟式太阳能光热斯特林发电机组，都选用直径为10米的聚光系统，斯特林发电机额定输出功率都为10千瓦，分别选择风力小于二级、风力二级、风力三级和风力四级的风力条件和晴朗的天气条件下检测这三组发电机组各自的输出功率，从而确定三组聚光系统抵抗风力的抗变形能力。
第一组，采用传统技术的聚光系统，其纵梁的型材采用圆管，圆管的外径33mm，壁厚2mm，横截面积为401.92mm2；
第二组，采用本发明实施方式二的聚光系统，其纵梁的型材采用“U”形的横截面，“U”形的横截面的立面顶端设置有向外的翻边，纵梁型材一端的横截面积为372mm2，尺寸如图12所示，型材另一端的横截面积为432mm2，“U”形的高度为75mm；
第三组，采用本发明实施方式六的聚光系统，即在第二组的基础上，采用座架、楔块、垫片、扣盖、防松垫圈、平垫圈和螺杆实现桁架与轮毂的连接。
三组聚光系统重量基本相同，通过表1的对比可以看出，本发明相对于现有技术，在有风和大风的情况下，其保持工作能力的优点非常明显。
表1

Claims (10)

1.碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，它由背板(1))和背部支架(2)两部分组成，背板(1)是由多个扇形聚光反射镜片组拼接而成的一个旋转抛物面体，背部支架(2)设置在背板(1)的背面上以连接并支撑背板(1)；
背部支架(2)包括轮毂(2-1)、多组桁架(2-2)、多根横梁(2-3)和多根拉筋(2-4)；每组桁架(2-2)都由上下平行的两根纵梁(2-2-1)及连接在两根纵梁之间的拉筋(2-4)组成；每组桁架(2-2)的一端可拆卸地固定连接在轮毂(2-1)的外缘表面上，多组桁架(2-2)均匀地呈辐射状以轮毂(2-1)为中心向外延伸，相邻的两组桁架(2-2)之间连接多根横梁(2-3)；
其特征在于所述纵梁(2-2-1)的横截面为“U”形且“U”形的两个底角为直角，每根纵梁(2-2-1)的横截面面积从轮毂(2-1)的近端到另一端逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于每根纵梁(2-2-1)的“U”形的高度从轮毂(2-1)的近端到另一端逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于每组桁架(2-2)中，上下平行的两根纵梁(2-2-1)间的拉筋(2-4)为斜拉筋，拉筋(2-4)与纵梁(2-2-1)间是螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于横梁(2-3)与纵梁(2-2-1)之间是螺栓连接。
5.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于纵梁(2-2-1)的“U”形的横截面的立面顶端设置有向外的翻边(2-2-3)。
6.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于纵梁(2-2-1)的“U”形的横截面的立面顶端设置有窄条(2-2-4)，所述窄条(2-2-4)沿纵梁(2-2-1)的长度方向设置，窄条(2-2-4)的横截面中心线与纵梁(2-2-1)的“U”形的横截面的立面中心线重合。
7.根据权利要求5所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于每组桁架(2-2)的纵梁(2-2-1)都通过座架(2-5)连接在轮毂(2-1)的外缘表面上；所述座架(2-5)为“U”形，座架(2-5)的底部固定在轮毂(2-1)上；座架(2-5)侧立板的内表面与底面所成的夹角(X)为80°至84°之间；它还包括楔块(2-6)，楔块(2-6)的两个侧面分别与下表面的锐角(Y)与夹角(X)相等，纵梁(2-2-1)的端部镶嵌在座架(2-5)的“U”形凹槽内，楔块(2-6)卡在纵梁(2-2-1)的端部的“U”形凹槽内。
8.根据权利要求7所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于座架(2-5)侧立板的内表面与底面所成的夹角(X)为82°。
9.根据权利要求8所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于它还包括垫片(2-7)，垫片(2-7)设置在纵梁(2-2-1)底部的下表面与座架(2-5)底部的上表面之间。
10.根据权利要求9所述的碟式太阳能光热斯特林发电机的聚光系统，其特征在于它还包括扣盖(2-8)、防松垫圈(2-9)、平垫圈(2-10)和螺杆(2-11)，所述扣盖(2-8)由上盖板(2-8-1)、左下沿板(2-8-2)、右下沿板(2-8-5)、左内延伸板(2-8-3)和右内延伸板(2-8-4)组成，左下沿板(2-8-2)的上端与上盖板(2-8-1)的左端边缘相固定，左下沿板(2-8-2)的下端与左内延伸板(2-8-3)的左端相固定，右下沿板(2-8-5)的上端与上盖板(2-8-1)的右端边缘相固定，右下沿板(2-8-5)的下端与右内延伸板(2-8-4)的右端相固定，左内延伸板(2-8-3)的右端和右内延伸板(2-8-4)的左端之间所形成的夹口与座架(2-5)的两个侧立板外壁之间形成小于0.15毫米的间隙配合，楔块(2-6)的上表面上开有螺孔(2-12)，座架(2-5)的两个侧立板外壁上各设置有定位凸块(2-13)，两个定位凸块(2-13)分别位于左内延伸板(2-8-3)和右内延伸板(2-8-4)的上表面的上方，螺杆(2-11)的下端穿过上盖板(2-8-1)旋合在螺孔(2-12)中，螺杆(2-11)的杆体上螺杆(2-11)的螺帽与上盖板(2-8-1)之间从上到下依次穿有平垫圈(2-10)和防松垫圈(2-9)。
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