CN106461270B - 用于集中太阳能发电的低成本的抛物柱面槽 - Google Patents

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Abstract

用于太阳能集中的反射器和用于形成该反射器的方法。反射组件(1340)可包括形成连续槽(1330)的多个细长面板(370)和框架(1230)，该框架被构造成支承面板，其中，该框架与附接的面板一起在该槽的顶侧上限定抛物面轮廓。

Description

用于集中太阳能发电的低成本的抛物柱面槽
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年5月13日提交的名为“用于集中太阳能发电的低成本抛物柱面槽(Low Cost Parabolic Cylindrical Trough for Concentrated Solar Power)”的美国临时专利申请No.61/992,373的优先权和权益，该专利申请的全部内容被通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及用于在太阳能发电系统中使用的槽及其形成方法。
背景技术
集中太阳能发电系统聚焦太阳能以加热工作流体，从而产生用于在常规热力发动机(通常为汽轮机)中使用以产生电力的蒸汽。通常，抛物柱面反射器(经常被称之为槽)将太阳能聚焦在沿着反射器的焦线布置的接收器或吸收器上。参考图1，在示例性系统中，在大型阵列110中安装有多个反射器100，并且结合有用以追踪太阳的运动的装置，以便可将照射在每个反射器上的太阳光集中在其接收器120上。这些接收器被互连在一起，使得工作流体可以以连续循环的方式流过现场和热力发动机。参见http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power，加利福尼亚(California)州圣伯纳迪诺(SanBernardino County)县北部的354兆瓦的太阳能热电厂(SEGS)的太阳能复合体的一部分的图像。
参考图2，适于在图1的系统中使用的能量收集机构可以包括具有反射表面210的太阳能收集器/集中器200，该反射表面210限定抛物柱面形状的槽220。可以为该表面提供支承结构，例如桁架系统。该支承结构可以适于改变该表面的指向方向以例如追踪入射的太阳能的方向和/或提供对该槽结构的配载(stowage)。结构230a和230b可以设置于该槽的每个端部，以支承沿着该槽的焦线定位的管状接收器250。这些结构以使该槽可以在致动器240的控制下围绕柱(post)的顶部枢转的方式固定到该槽。参见美国专利公开文献No.2013/0047978，其被以适用法律所允许的最大程度通过引用并入本文中。
由于存在高效率所需要的高表面精度，导致大型抛物面反射器(例如槽)可能是复杂的并且是制造昂贵的。起作用的因素是反射表面优选地在多种操作状况下(包括在指向角范围内以及在可变的风力负载和热负载下)维持抛物面精度。驱动因素是需要精确地设计和制造这些结构(例如，用于支承反射表面并维持其精度的肋和/或桁架)。一种常用技术是对这些桁架使用水射流制造(这是一种昂贵的工艺)。作为选择，可以较为不精确地制造这些结构，但是，随后可能需要在现场对该结构作出许多调整和对齐，以获必需的精确度。
需要一种用于精确地形成、成形和维持用于与抛物面反射器一起使用的结构的廉价方法；并且，需要大型精确成形的反射表面。
发明内容
根据本发明的一种实施例，一种方法能够构建用于收集和集中太阳能的大型(例如，具有6m×12m的孔径)抛物柱面槽。大型槽可被以低装配成本利用工业标准金属部件廉价地制成，并且在运行状况下维持高固有收集效率。该高效率是表面轮廓精度(通常处于若干毫米的范围内，或者约为几万分之几)的结果，该效率可以通过该槽实现近乎100％的收集效率。此外，制造槽所使用的面板不需要被预弯曲，这是因为它们呈现出根据本发明的实施例制造的肋的形状。预弯曲步骤的消除导致了经济利益。
在一方面中，本发明的多个实施例包括一种用于太阳能集中的反射器，该反射器包括(i)反射组件，其包括形成连续槽的多个细长面板；以及(ii)框架，其被构造成支承面板，其中，该框架与附接的面板一起在该槽的顶侧上限定抛物面轮廓。
可包括下列特征中的一个或多个。可通过使用z形弯曲部或凸缘中的至少一个来连结这多个面板，该z形弯曲部或凸缘中的至少一个被通过粘接、螺栓连接和铆接中的至少一种来彼此连接。可通过使用连接条或通道来连结这多个面板，该连接条或通道被通过粘接、螺栓连接或铆接附接到这些面板。连接条可以被横跨由相邻面板限定的接缝设置。
反射组件可包括至少三个面板。至少一个面板可以包括金属板。至少一个面板可包括设置在基底上的膜。
该框架可以包括多个间隔开的支承件。至少一个支承件可包括桁架。该桁架可包括至少一个肋，该至少一个肋具有限定偏置抛物面的表面。这至少一个肋可包括管。
在另一方面中，本发明的多个实施例包括一种制造太阳能反射器的方法，该方法包括下列步骤：将多个细长面板在弧形表面上对齐，以形成连续槽；以及将框架固定到这些面板的背面。
可包括下列特征中的一个或多个。这多个面板可包括至少三个面板。弧形表面可限定偏置抛物面。框架可包括多个间隔开的支承件。至少一个支承件可包括桁架。该桁架可包括至少一个肋，该至少一个肋具有偏置抛物面表面。该至少一个肋可包括管。可利用凸缘将这多个面板互连。可通过焊接、硬钎焊、螺栓连接和/或粘接将这多个面板互连。
在另一方面中，本发明的多个实施例包括一种用于形成具有偏置抛物面表面的管的方法。该方法包括下肋步骤：将中空管插在环形辊轧机的辊子之间。将该管的一部分辊轧成具有预定曲率半径的弧形。调节该机器，并将该管的下一部分辊轧成具有与紧接的前一曲率半径不同的预定曲率半径的弧形；以及重复该步骤一次或多次，以完成形成该管的偏置抛物面表面。
可包括下列特征中的一个或多个。每个预定曲率半径可包括拟合于待由中空管限定的偏置抛物面上的三个等间隔的点的圆弧的半径。该中空管可包括铝、镀锌钢和/或钢。该管可包括限定正方形和/或矩形的横截面。
在另一方面中，本发明的多个实施例包括一种肋，其具有包括第一中空管的下部管。上部管可包括第二中空管并与下部管间隔开。多个间隔件可被设置在下部管和上部管之间。至少上部管可限定偏置抛物面表面。
可包括下列特征中的一个或多个。第一中空管和第二中空管中的至少一个可包括铝、镀锌钢和/或钢。这多个间隔件可包括铝、镀锌钢和/或钢。该肋可包括中柱和支承下部管的至少两个支撑杆。
在另一方面中，本发明的多个实施例包括一种用于校正不适当地弯曲的细长管的方法。该方法包括贯穿该管的一部分制作切口。将该管弯曲成偏置抛物面轮廓。通过把加固板施加到该切口来稳定住预定轮廓。
可包括下列特征中的一个或多个。将该管弯曲可包括使用环形辊轧机。该管可以是中空的。该加固板可包括铝、镀锌钢和/或钢。
附图说明
图1是一系列集中太阳能发电槽的示意图；
图2是根据现有技术的抛物柱面槽的示意性等距视图；
图3是根据本发明的实施例构建的肋的侧视示意图；
图4A是根据本发明的实施例的被在三辊轧机中弯曲的管的侧视示意图；
图4B是半管件的侧视示意图，其示出了根据本发明的实施例的以三圆弧近似法选择不同的半径和中心以限定曲率半径；
图5A示出了根据本发明的实施例的用于模拟偏置抛物面的三圆弧方法；
图5B详细示出了根据本发明的实施例的在三圆弧近似法中所涉及的多个步骤；
图6A和图6B是根据本发明的实施例的具有校正曲率的管的侧视示意图；
图7是根据本发明的实施例构建的肋的侧视示意图；
图8是根据本发明的实施例的面板的透视示意图；
图9A和图9B是根据本发明的实施例的用于将面板紧固在一起的凸缘和弯曲部的侧视示意图及U形通道条的侧视示意图；
图10是根据本发明的实施例的槽组件固定装置的侧视示意图；
图11A是面板背面的被连接到肋的z形弯曲部/凸缘的等距视图，而图11B是面板背面的被连接到肋的U形通道的等距视图；
图12是根据本发明的实施例的槽组件固定装置的侧视示意图；以及
图13是根据本发明的实施例形成的抛物面槽的透视示意图。
具体实施方式
通常，一种用于精确地制造用于集中太阳能的大型抛物面槽的方法包括：通过将相邻面板的边缘对齐来装配多个矩形反射面板，以及将这些面板的背面机械地固定到一组被精确成形的肋以限定该抛物面槽。提供了一种用于成形这些肋的创新方法。提供了一种创新设计，其中，被实现为连续壳体的反射面板在有助于该槽的整体刚度和强度方面起到了关键性的作用。
优选地，使用工业标准材料和技术，从而消除了制造特殊部件的需要。镀锌材料可被用于防腐蚀以及避免诸如喷漆之类的维护。
精确成形的肋的制造
在一种实施例中，可以制造精密肋以便于形成抛物面槽。参见图3，单支撑肋300(即每侧具有单个支撑杆的肋)结合有上部管310，该上部管310由利用工业标准尺寸的中空管辊轧而成的精轧管构成。该上部管可由被于中心处连结的两个半管(315a、315b)(例如，相同的半管)组成，或者作为选择可以由单个管辊轧而成。该上部管可以与中柱320(例如，竖直柱)和支撑杆330组合以提供刚性且稳定的结构，其中，支撑杆和中柱也被制成为具有标准管尺寸。可以设置连结板340以将多个结构元件连接成刚性结构。可以使用结构粘接剂、螺栓连接、铆接、焊接或其它金属连结技术的一些组合来连结肋部件以产生刚性结构。
每个管均可以是由例如铝或镀锌钢制成的标准尺寸的中空管。镀锌钢可以是较廉价的替代物，而铝由于其较低的重量而可能是所期望的。用于在槽的端部处使用的肋通常比在这些端肋之间被间隔开的内部肋强度高，这是因为端肋承受该槽的全部重量。适用于内部肋的弯曲上部管可具有厚度为3mm的矩形横截面(例如，正方形横截面，或尺寸为40mm宽×80mm深的横截面)。使用于内部肋的其它结构构件的尺寸可为40mm×40mm×3mm。适用于端肋的上部管的尺寸可以为80mm×120mm，厚度为4mm，或者该上部管由被连结在一起的多个弯曲管组成，以获得适当的强度。用于端肋的其它结构构件的尺寸可为80mm×80mm×4mm。中空管通常由于其刚度重量比而是优选的。
弯曲的上部管可以在工业标准辊轧机中成形，该工业标准辊轧机例如为三辊轧机，诸如可从美国衣阿华(IA)州达文波特(Davenport)镇的Ercolina CNC购买到的CE 100角度矫正机/型弯机。
槽反射表面的精度可以由肋300的上表面或顶表面350的精度确定。将会明白的是，槽的反射表面380遵循抛物面形状，并且，上部管310的表面350相对于该抛物面偏移反射表面面板370自身的厚度360，例如，面板厚度360为1.61mm。因此，肋的上部管的上表面的预期形状是偏置抛物面。尽管在图3中仅示出了一个面板370，但是本领域技术人员将明白，多个反射表面面板370可以被设置在肋的顶表面350上。
参考图4A，工业标准的三辊轧机将直线形状辊轧成圆弧。三辊轧机400通常具有上部辊410和两个下部辊420，在上部辊的底部与连接下部辊的顶部的直线之间限定有可变的间距d1。具有深度d2的管310可以在这三个辊之间进给，只要d2小于d1即可。例如，如果间距d1增加到85mm左右，则深度为80mm的管可以被容易地进给到该机器中。在刚刚将管端插入到辊轧机中之后，根据期望待在该管中产生的弯曲度，可变间距d1就优选地被减小到小于d2的值(例如，在该示例中小于80mm)。当推动管通过这些辊时，它变得被弯曲成弧形。
偏置抛物面可被用于形成抛物面槽。由于焦点在原点、焦距为Fl的抛物面的方程由如下方程给出
z(x)＝-FI+x^2/(4＊FI)
对于厚度为t的面板，用于将施加该面板的肋的顶部的偏置抛物面曲线由下列方程给出
z′(x)＝-FI+x^2/(4＊FI)-t/(2＊FI)＊SQRT(x^2+4＊FI^2)
已经表明，通过用一组圆弧(即，用于抛物面弧的每个半部的至少两个且优选地为三个圆弧)来模拟预期偏置抛物面，在实践中可以获得所需精度。
参考图4B，可以实施三圆弧近似，以便以如下方式对半管315进行辊轧。一组七个等距离间隔开的基准点431-437将半管315划分成六个长度相等的节段451-456，从而在使该半管移动超过待辊轧部分的末端时，在每个端部处都留下一些材料以在该辊轧机中支承该半管。针对从基准点431至433、从基准点433至435、以及从基准点435至437的具有如所示的三个不同的曲率半径(半径441、半径442、半径443)的三个区段计算圆弧近似度。将笔直的半管插在三辊轧机的辊子之间。辊子首先被间隔开以提供适合于该上部半管的基准点435至437的端部区段的曲率半径(半径443)，并且介于点431和437之间的整个半管被辊轧到该半径曲率。接下来，在将部分辊轧的半管定位成使得来自基准点435至437的端部区段超过这些辊子之后，减小辊子间距以提供适合于来自基准点433至435的区段的较小曲率半径，并且在点431和435之间对半管进行辊轧。接下来，在将部分辊轧的半管定位成使得从基准点433至437的部分超出这些辊子就位之后，辊子间距被再次减小以提供适合于从基准点431至433的区段的较小的曲率半径，并且在点431和433之间对半管进行辊轧。最后，辊子被移开以释放弯曲的上部半管，并且，移除位于点431和437之外的多余的未辊轧的直料。在该工艺过程中，最初可以进行调整以补偿辊轧后的半管从被辊轧时的轮廓“回弹”的趋势，但是一旦进行这些校准调整，接连的半管可以在不进行调整的情况下进行辊轧。在实践中，采用一些实践辊轧可能是有用的，并且可以使用精密的水射流切割模板来检查进度并进行精细调整。此外，如由本领域技术人员所认识到的那样，对该过程作出的微小调整可平滑这三个近似圆弧之间的过渡。
可以看出，上述过程可以延伸到辊轧整个上部管310而非辊轧如上所述的半管315。
对于一段偏置抛物面，可以计算圆弧的参数(例如，其中心和其半径)，使得该圆弧在三个点(即，这段偏置抛物面的开始点、这段偏置抛物面的中点和这段偏置抛物面的结束点)处截断偏置抛物面。因此，如果弧角不是太大，则该圆的限定该圆弧的点因此可以是对于该抛物面的良好近似。图5A和图5B示出了对于焦点在原点且焦距为1710mm的抛物面的半管的三圆弧近似。偏置抛物面曲线500被位于该偏置抛物面曲面的表面上的从其中心到其外边缘的一组七个等距离间隔开的点501-507划分成六个节段。六条直线510连接这七个点，并且六条正交线520垂直于这些连接线竖立。前两条正交线的交点530确定第一近似圆弧的中心。第二对正交线的交点540建立第二圆弧的中心。第三对正交线的交点550确定第三圆弧的中心。第一近似圆弧的半径是从点530到点501、点502或点503中的任何点的距离，这些距离在构造上是相等的。同样，第二近似圆弧的半径是从点540到点503、点504或点505中的任一个的距离，这些距离在构造上是相等的，对于第三圆弧也是如此类推。第一圆弧将穿过被标记为501、502、503的点；第二圆弧将通过点503、504和505等等。通过该三圆弧近似，在具有两个不同半径的弧所连结的点503和505处，产生了斜率的小的不连续性，但是这在实践中是很小的，并且倾向于通过该辊轧机的性能而得到平滑。
基于三个点对于圆弧进行的近似是本领域技术人员众所周知的，并且被描述在例如可在http://mysite.verizon.net/res148h4j/zenosamples/zs_circle3pts.html获得的Stephen R.I Schmitt的“来自于三个点的圆弧的中心和半径(Center and Radius of aCircle from Three Points)”，并再现如下：
给定三个点，人们如何找到拟合那些点的圆弧的中心和半径？在且仅在这三个点不在同一直线上的情况下，这三个点确定唯一的圆弧。根据解析几何，我们知道穿过三个点存在唯一的圆弧：
(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)
它可以通过求解下列行列式方程来找到：
这可以通过对该行列式的第一行的余因子进行求值来求解该行列式方程。该行列式可以被写成这些余因子的方程：
(x2+y2)M11-x·M12+y·M13-M14＝0
由于(x2+y2)＝r2，这可以被简化为
具有半径r0和中心(x0，y0)的圆弧的通用方程是
(x-x0)2+(y-y0)2-r0 2＝0
展开该方程，给出：
(x2-2x·x0+x0 2)+(y2-2y·y0+y0 2)-r0 2＝0
重新排列各项，并且给出代入方程：
r2-2x·x0-2y·y0+x0 2+y0 2-r0 2＝0
使得来自该行列式方程的同类项相等，并且用于该圆弧的通用方程给出：
注意，当M11等于零时无解。在这种情况下，这些点并不在一个圆弧上；这些点可能都在一条直线上。
可以使用四个或更多个圆弧来更好地模拟该偏置抛物面，但是在实践中证明三个圆弧就足以将误差减小到小于1mm。
例如，对于焦点在原点处、焦距为1.71m且作为使用1.61mm厚的面板的结果而具有偏置距为1.61mm的抛物面，使用上述过程构建的第一近似圆弧将以x＝-0.012m且y＝1.852m为圆心，半径为3.65m，从而穿过如图5B中详细示出的偏置抛物面的点501、点502和点503。
有利的是，如果这样的辊轧机是可用的，即它可根据使该管根据预期曲线移动通过辊子时的位置动态地改变辊子的间距(例如，连续或不断地动态改变该间距)，则圆弧近似并非必需的，并且该管可以在一次连续通过中被理想地进行辊轧。
已经设想出了两种方法来提高和保持比可在三辊轧机中进行辊轧所提供的辊轧精度高的辊轧精度。可以使用精密夹具来装配每个肋，从而结合例如精确表面以承靠在肋的顶部上。首先，由于如图3中所示，上部管受到支撑以形成该肋，因此支撑杆330与中柱320协作可被用于在三个附接点处将该管保持于正确位置，并消除某些大误差。通常，支撑杆被于沿着上部管的长度的路线的2/3处附接到该上部管。支撑杆可被锁定就位，使得加强和维持支撑杆和中柱的附接点处的精度。
其次，该管可以被部分地切割，在该切口处弯曲，以去除该点附近的误差，并且然后以使该管保持其新形状的方式使该管的强度恢复。在这些“切割和恢复”设计中，使用精密夹具600可能是有利的。参考图6A，其描绘了该操作的细节，在远离将面对该槽表面的侧面的侧面上，在将要减小误差620的点处部分地切割610不适当地弯曲的管310。在该管的强度减弱的情况下，通过迫使该管靠在具有所需形状的精密夹具上而对该管进行重新成形，并且随后，通过将材料以恢复该管的结构强度的方式固定在切口上，从而将该管固定在该状态中。图6B反映了一种通过将加固板(partner)630固定到切割管以恢复其强度的便利的恢复强度的方式。便利的是，加固板可以具有与管本身相同的尺寸和材料。其它强度恢复方法可包括在切口处进行焊接或将板固定到管的侧面和顶部或者在切口上方固定通道形状。该方法的校正弯曲管中的误差的能力取决于切割管的刚度或惯量与强度恢复后的该管的刚度或惯量的比率，并且可以容易地是超过10的比率，使得误差可以得到很好地校正。这类设计可以被称为高惯量比设计。
取决于正被辊轧的管的深度和厚度，辊轧机在它们可辊轧的材料的尺寸方面受到限制。长而宽的槽上的端肋可能需要无法通过可获得的机器进行辊轧的尺寸。在这些情况下，复合肋组件可能是必需的。
参考图7，在示例性实施例中，复合肋组件700可以包括夹层结构，该夹层结构包括弯曲的上部管310和弯曲的下部管720，在上部管和下部管之间设置有多个短的弯曲的定距管(或加固板)710。在单支撑设计中，两个支撑杆330和中柱320被连结到管的夹层结构以产生刚性肋。这些管和支撑杆和中柱可被使用设置在该肋的每一侧面上的板通过结构粘接剂、螺栓连接、铆接、焊接或其它金属连结技术的某种组合连结，以产生刚性肋结构。板的面积被选择成提供与结构构件的充分交搭，以产生牢固的接合部。从强度到质量考虑，所有的管优选地是中空的。可以使用三辊轧机来成形这些管，其中，定距管的曲率和下部管的曲率优选地不同于偏置抛物面的上部管310的曲率，使得可以针对下部管和间隔件计算新的圆弧近似值。
在示例性复合肋中，弯曲管和间隔件可由80mm深×60mm宽且4mm厚的中空管制成，从而为复合肋结构提供的深度为240mm。在该示例中，用于中柱和支撑杆的适当尺寸可以是80mm×60mm。
这种复合肋可以使用精密夹具进行制造。通常，对于由通过间隔件分隔开并且被结合在一起成为单个单元的两个管组成的这些夹层式设计，复合组件的惯量(刚度)远大于各个部件的惯量(刚度)之和，使得当将部件压靠在精密成形设备或夹具上并附接在一起时，整体复合组件的刚度将限制在将复合组件从夹具中释放时的“回弹”或变形。因此，复合组件非常紧密地保持高度精密的夹具或成形设备的形状。复合肋是高惯量比设计的另一示例，这是因为辊轧工艺中的误差可以通过惯量比进行校正。
复合肋实施例具有的优点是，可以通过该夹层技术形成更深的肋，并且由此形成更为坚固的肋。辊轧机在它们可以辊轧的区段的最大深度方面受到限制，但是通过将两个辊轧区段与间隔件组合，可以产生三倍深度限制的复合区段。此外，为了进行强度-重量优化，可以使用深度不同于上部管深度和下部管深度的间隔件。通常，类似这样的深肋由于力和扭矩在大型槽的端部处的集中而被用于大型槽的端部处，但是可以有利地是轻型的以用作中肋。
也可以设想到弯曲管靠在精密夹具上的冲压成形。由于该管在被从压机上释放时将回弹一定程度，因此优选地是，精确地控制该夹具的形状，并且可以建立补偿以对该现象作出补偿。该方法可以在一次通过中形成弯曲管，但是它是不灵活的，并且如果从不同的制造商获得参数略有不同的管，则可能不得不修改冲压夹具。
通过这些技术的一些组合，可以实现优于±1mm的肋表面轮廓精度，这又导致可以在固有反射效率接近100％的情况下将能量捕获和聚焦在接收器上的槽抛物面。
面板的制备
反射面板可以被连结到肋以形成反射槽。通常，这些可以通过在基底(例如金属板)的一侧上涂覆以一种高效且耐用的膜(例如)而有利地形成，该膜例如为由明尼苏达州(MN)圣保罗市(St Paul)的3M公司制造的镜面防护膜或者由科罗拉多州(CO)阿瓦达市(Arvad)的ReflecTech公司制造的镜面膜。根据本发明的实施例，提供了用于形成槽表面的面板。参考图8，对于例如12米长的槽而言，每个面板370可以具有12m的长度l。这些面板可以从例如宽度w为4英尺(1.22米)宽的标准卷上展开、压平和剪切。这卷材料可以是可从新罕布什尔州(NH)康科德市(Concord)的Cohen Steel公司购买到的镀锌钢板，例如，16至18加仑(ga)的镀锌钢板。这些板材中的六个可以利用镜面膜覆盖在上表面810上。在将长边缘放置到长边缘并固定靠在端肋和内部肋的偏置抛物面的顶部表面上的情况下，这些面板中的六个(宽度为7.32米)可以被弯曲成12米长且投影孔径为6.46米的抛物柱面反射表面。
极为期望的是，出于三个原因，将面板沿着它们的邻接边缘连续地连结，以产生连续的或整体式的壳体。将边缘连结改善了槽表面在肋之间的点处的精度。其次，由此可以产生对于板和槽本身而言是有用的纵向加强，即，垂直于肋的横向方向的加强。第三，用于连结面板的装置也可被用于将面板固定到肋。
参见图9A，在一种实施例中，或者在展开该面板370时或者在已将该面板切割成一定长度之后，沿面板的边缘形成凸缘或弯曲部。该实施例描绘了形成在该面板的一个边缘上的凸缘900和沿着另一边缘形成的z形弯曲部910。z形弯曲部和凸缘因此在该面板的背面上突出，从而使得该面板的前反射表面810不存在阻碍物。当将两个面板连结时，该凸缘的外边缘以将面板牢固地保持在一起的方式固定到z形弯曲部的外边缘。凸缘深度优选地小于用于使两个面板牢固地配合的z形弯曲部的深度。结构粘接剂、螺栓连接、铆接、焊接或其它金属连结技术的一些组合可以被用于连结z形弯曲部和凸缘。示例性设计可能具有67mm深且51mm宽的Z形弯曲部，其中，凸缘的宽度为42mm。可以看出，该面板接合部在垂直于该面板的方向上呈现出深度(d)并在平行于该面板的方向上呈现出宽度(w)。
以这种方式通过z形弯曲部和凸缘的某种组合连结面板具有的优点是，不需要附加的结构件来连结面板，尽管存在每个面板的反射面积被减少了结合成z形弯曲部和凸缘的量的缺点。在示例性设计中，宽度为1.22m的面板可能被减小到可用宽度为1.07m，其包括了用于弯曲半径的余量。
在如图9B中所示的替代实施例中，U形通道920可以被沿着邻接边缘(例如，接缝)930固定，以将面板连结在一起并提供纵向刚度。示例性设计可以具有100mm的宽度(w)和80mm的深度(d)，从而具有与面板本身的厚度相同的金属厚度。替代实施例使用相对于第一实施例的附加的结构材料件，但是每个反射面板的全部1.22m的表面现在都是可用的。可以容易地想到用以在背面上连结面板的其它设计，例如使用中空矩形管而非U形通道等将凸缘添加到U型通道。在极限情况下，U形通道可以被简化为简单的连结条。
六面板示例性设计包括五个面板接合部。在将面板装配到该槽中之前将面板连结在一起是可能的，如图9A和图9B中所示。作为选择，它们可以在被靠在肋上弯曲之后被连结。尽管面板现在是弯曲的并且U形通道是平的，但是在U形通道的宽度上的曲率是足够小的，使得U形通道将继续与面板良好接触。作为选择，成对的面板可以在被弯曲之前连结起来，并且这三对面板可以在被弯曲之后被连结起来。
在适当实施的设计中，六个连结的面板将机械地作为一个连续的壳体或片材起作用。由于当被附接到肋时面板变成是弯曲的，因此结果是产生了具有抛物面本身的深度的薄壳体。在对两个外边缘进行附加增强的情况下，该薄壳体由于抛物面本身的相当大的深度而是本质上相对较为坚固的。
槽的装配
一种用于集中太阳能的反射器可以包括反射组件，该反射组件包括形成连续槽的多个细长面板和被构造成支承面板的框架。在一种实施例中，框架可以包括多个间隔开的支承件，例如桁架，每个桁架包括至少一个肋，该肋具有限定偏置抛物面的表面。此外，该实施例可包括作为待装配以形成框架的主要部件的一组精确肋(即五个内部肋和两个端肋)以及六个反射面板。内部肋可以各自包括设置在中柱和两个支撑杆上的单个上部管。端肋可以是更为坚固，并且可以包括由两个管构成的夹层结构，这两个管之间设置有间隔件并且还结合有中柱和两个支撑杆。
参考图10，类似于传统的造船技术，该槽可以被倒置地装靠在装配夹具或固定装置1000上。槽组件成形设备1010在七个肋将定位的位置处提供了精确的抛物面1050。通常，该成形设备的抛物面形的顶部表面1050可以被使用精密技术(例如水射流切割或数字控制机加工)来制造，这是因为装配夹具被多次重复使用以构建槽的大型组。示例性实施方式是构造七个成形设备1010并将它们以精确且稳定的方式附接到固定装置基座1020。成形设备被间隔开2m，使得装配夹具的总长度(L)为12m。交叉支撑杆1030和水平支撑杆1040被用于维持整个结构的仔细对齐。可以在装配夹具1000中设置多个交叉支撑杆1030(例如，可以在每个成形设备1010内设置一组或多组交叉支撑杆，或者可以在一些成形设备1010内设置交叉支撑杆，但在其它成形设备1010上并不设置)。
在典型实施例中，成对的两个平坦面板可以被沿其它们的长边缘预先连结以产生三个面板对。由于结合面积大，因此结构粘接剂可能是优选的粘合方法，但是可以采用其它机械连结技术(例如螺栓连接或铆接)来连结面板。这些对随后将反射表面向下置靠在装配夹具的成形设备上。第一面板对可以被沿着该固定装置的右侧边缘放置，第二面板对可以被沿着固定装置的左侧边缘放置，并且第三面板对处于中间。在该阶段处，面板开始获得成形设备的曲率，因为板材在横向方向上几乎没有强度。这三个面板对随后被靠在它们的两个邻接边缘上连结，由此使得所有的六个面板被连结起来。作为选择，所有的六个面板均可被预连结，或者在将六个单独的面板放置在该槽装配夹具中时完成所有的面板连结操作。实际上，面板成为一个例如长度为12m的整体式的面板。如果面板被通过U形通道连结，则弧宽为完整的24英尺；如果面板宽度已经被通过将凸缘或z形弯曲部辊轧到面板中而减小，则弧宽略小。
接下来，将肋于成形设备所在的位置处放置在面板上。在放置之前，肋可以被涂覆有粘接剂，或者可将粘接剂放置在面板的肋将附接于其上的背面上。在该阶段中，将六个面板保持在位于它们下方的成形设备和位于它们的上方的肋之间，从而迫使先前平坦的面板变成具有精确抛物面形的顶部表面的形状。可与镀锌材料共存的相对快速的硬化粘接剂由于低成本而是优选的结合方法，该硬化粘接剂例如为 (Henkel公司)。
由于将肋放置在槽的反射表面的背面上，因此它们并不在前侧上造成阴影或阻挡，从而导致了高光学效率。
在槽后侧上，优选地避免肋和纵向z形弯曲部/凸缘或U形通道之间的机械干涉。或者肋可以被预先刻凹痕用于z形弯曲部/凸缘或通道以越过并且肋的通过围绕凹口或z形弯曲部/凸缘或通道施加板而恢复的强度可以被取代并被在肋越过的地方移除。第二替代方案可能是优选的，这是因为横向肋是比纵向部分更主要的结构部件。在任一情况下，经由面板背面结构将面板连接到肋是必不可少的。可以在肋的上方使用托架以恢复所中断的凸缘或通道的强度，并且还将它们附接到它们所越过的肋以产生整体式结构。托架被设计成横越该肋并且附接到肋的任一侧上的两个z形弯曲部/凸缘或桁条以及附接到肋本身。
在如图11A所描绘的示例性设计中，对于宽度为40mm且肋间距为2m的肋，z形弯曲部/凸缘每2m被刻有40mm宽的切口，使得40mm宽的肋300可以在面板底部与肋顶部接触的情况下装配在该切口中。在肋被各自间隔开2米的情况下，Z形弯曲部/凸缘的不间断长度为1.96m。具有突片(tab)1116的托架1115被放置在肋本身上，并且可以通过突片附接到位于肋的两侧上的z形弯曲部/凸缘。托架可以被使用孔1129优选地沿着肋中性轴线螺栓连接到肋，并且被使用孔1128进一步穿过z形弯曲部/凸缘组合件螺栓连接。结构粘接剂可以被用于补充螺栓连接或单独提供结构连结手段。
在采用U形通道连结面板的替代示例性设计中，U形通道920的底部可以延伸约等于肋的高度(例如，80mm)的长度并且向上弯曲以形成突片1121，用于接触如在图11B中所描绘的80mm的肋300。随后将该突片1121固定到该肋的侧面。此外，U形通道的侧面可以被进一步延伸与U形通道的底部的长度相同的长度，例如80mm，并且作为突片1122弯曲出来以接触该肋的侧面，从而产生附加的附接面积。当然可以在突片中设置孔，以将它们穿过肋螺纹连接起来。此外，突片1121可以被进一步延伸，使得它可以在肋的底部上弯曲以提供甚至更多的附接面积。
使用托架或其它方式将面板附接到肋优选地使用结构粘接剂来实现，如果需要，通过其它标准连结方法(例如螺栓连接或铆接)来补充。将会注意到的是，所有的紧固和固定操作都在槽的背面进行，使得根本不影响前反射表面。
作为装配槽中的最后两个步骤，可将加强管沿着抛物柱面的两个外边缘固定到面板的两个外边缘，并且可以以某种方式交叉支撑这些肋。
在图12中描绘了替代的装配技术。在该装配技术中，可将该槽使用肋自身竖立装配就位以形成临时装配固定装置1200(例如，槽装配夹具)。将两个槽端支承件(未示出)放置就位，并且将端肋(参见图13中的肋300a)放置并固定在这些支承件的旋转轴上。随后，将五个内部肋300在将它们保持为竖立以与两个端肋对齐的对齐基座1210(例如，装配夹具基座)上设置就位。可以在该工艺中的该阶段施加肋交叉支撑杆1220。接下来，将面板对设置在适当位置中，从处于该槽的中间处的面板对开始，并且随后将这两个面板对添加到另一侧。当将面板对设置就位时，反射表面竖立，将结构粘接剂施加到它们的背面，在那里，它们将接触并附接到肋。为了确保适当的曲率和良好的粘附性，在肋线的上方，将某种重量或力施加于面板的前侧。加重材料当然可以具有顺应且光滑的表面，以并不损坏或刮擦该膜表面。该面板对被如前所述附接到该肋。
当将第二面板对和第三面板对设置就位时，施加结构粘接剂，其中，面板接触肋并且面板对连结相邻面板对。再次使用加重来迫使面板对靠在肋的上表面上。可以根据需要添加铆钉和螺栓以连结面板对，并且这些面板对被经由前述方法之一附接到该肋。作为槽组装中的最后主要步骤，可将加强管1320(例如，加强梁)沿抛物面的两个外边缘固定到面板的两个外边缘，如图13中所示。在一些实施例中，肋300a和300b的底部可以被联接到桁条梁1350，该桁条梁1350可以加强反射器1300的结构。虽然交叉支撑杆1220在图13中未示出，但是反射器1300的肋300在某些实施例中可以被(例如，以图12中所示的方式)交叉支撑。
作为选择，面板可以被一个接一个地附接，而非成对地附接。
一旦任何结构粘接剂已经固化到足够的强度，则除去位于肋的下方的对齐基底。结果是槽被在其旋转轴上搭建就位，从而为最后的步骤作好准备。
肋和板组装的结果是通过面板的深度和肋的深度获得其强度的整体壳体。不需要广大的后侧空间框架，这是因为面板被不仅用于反射阳光，而且用于有助于该槽的结构强度。不需要昂贵的装配技术(如同焊接或大量螺栓连接)并且可以使用镀锌材料。面板不必被预先弯曲，这是因为它们从被迫并且被固定靠在肋的弯曲部分的精确偏置抛物面上获得其形状。肋的上表面的精度因此是最终精度的决定因素，并由此是槽的效率的决定因素。
槽的深度包括在由框架1230(例如，肋和它们的交叉支撑杆)产生的背面上的抛物面的深度和桁架的深度。该深度和整个结构在被适当地连结和粘附时作为整体结构起作用的事实导致在受到重力和风例荷载时的刚性结构。以这种方式构建的槽并不具有大旋转刚度，并且因此用以使该槽旋转的致动器可以被附接到该槽的两端。因此，槽是彼此独立的，从而导致在不平坦的区域上容易确定位置。
槽完成
为了完成用于在太阳能收集器的领域中使用的槽，如果并未将其安装就位，该槽就被优选地安装在结合有轴1310的两个支承件上，使得该槽可以被在一个维度中围绕轴旋转，如图13中所示。随后沿着该槽的焦线安装接收器。由于接收器通常可达到4m的长度，因此接收器设计可与每两米间隔开的肋共存，这是因为接收器支承结构可被安装到端肋和每隔一个的内部肋。用以完成槽的最后一个主要任务是结合用于槽旋转的装置。作为可在风况下且在非常低的旋转速度(额定为每小时15°，意指低功率)的状况下所需要的大扭矩的结果，液压系统是优选的。在完成这些设置之后，可将该槽连接到相邻的槽，使得工作流体可以流过槽的区域，并且随后可以在太阳能追踪系统的控制下将该槽置于操作中。
参考图13，所得到的反射器1300可以包括具有由六个面板370形成的槽结构1330的反射组件1340，这六个面板370被沿着它们的长边缘对齐且连结，并且被机械地固定到沿着面板的长度均匀地(例如，每2米)设置的七个精确背面肋(例如，端肋300a和内部肋300b)。形成该槽的反射表面810的面板是弯曲的并且被通过背面肋300的偏置抛物面形状保持为必要的抛物面形状。抛物面的优选焦距为1.4-2.0m，更为优选地为1.7m，从而对应于中心处的3.4m的曲率半径。如果槽的曲率过大，则不能有效地使用面板面积，而如果曲率太低，则指向误差被在槽的边缘处放大，并且该槽是不够深的以获得强度和刚度。
本发明的所述实施例均旨在仅是示例性的，并且许多变化和修改对于本领域技术人员而言都将是明易的。所有数值和范围都是示例性的并且不被视为是限制性的。包括材料、工艺步骤和数值的所有组合和排列的所有这种变化和修改均旨在处于本发明的如在所附权利要求书中所限定的范围内。

Claims (38)

1.一种用于太阳能集中的反射器（1300），所述反射器包括：
反射组件（1340），所述反射组件包括多个细长面板（370），所述多个细长面板都包括沿着它们的邻接的长边缘连结的片材，从而形成连续槽（1330）；以及
框架（1230），所述框架被构造成支承所述面板，所述框架包括多个间隔开的支承件，其中，所述框架与附接的面板一起在所述槽的顶侧上限定抛物面轮廓，
其中，所述面板沿着它们的邻接的长边缘的连结在所述槽的与所述支承件的横向方向垂直的纵向方向上加强所述槽。
2.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述多个面板被使用z形弯曲部（910）或凸缘（900）中的至少一个连结，所述z形弯曲部或所述凸缘被通过粘接、螺栓连接和铆接中的至少一种附接于彼此。
3.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述多个面板被使用连接条、中空管和U型通道（920）中的任一种连结，所述连接条、所述中空管和所述U型通道中的任一种被通过粘接、螺栓连接和铆接中的至少一种附接到所述面板。
4.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述反射组件包括至少三个面板。
5.根据权利要求1所述的反射器，其中，至少一个面板包括金属板。
6.根据权利要求1所述的反射器，其中，至少一个面板包括设置在基底上的膜。
7.根据权利要求1所述的反射器，其中，至少一个支承件包括桁架。
8.根据权利要求7所述的反射器，其中，所述桁架包括至少一个肋（300），所述至少一个肋具有限定偏置抛物面的表面。
9.根据权利要求8所述的反射器，其中，所述至少一个肋包括管（310）。
10.根据权利要求1所述的反射器，其中，邻接面板的所述长边缘被使用z形弯曲部（910）或凸缘（900）中的至少一个连结，并且所述支承件被通过托架连结于所述z形弯曲部或所述凸缘。
11.根据权利要求1所述的反射器，其中，邻接面板的所述长边缘被使用连接条、中空管和U型通道（920）中的任一种连结，并且所述支承件被固定于所述连接条、所述中空管和所述U型通道中的任一种。
12.一种制造太阳能反射器（1300）的方法，所述方法包括下列步骤：
将多个细长面板（370）在弧形表面（1050）上对齐，其中，所述多个细长面板都包括片材；
沿着所述面板的邻接的长边缘连结所述面板以形成连续槽（1330）；以及
将框架（1230）固定到所述面板的背面，所述框架包括多个间隔开的支承件，
其中，所述面板沿着它们的邻接的所述长边缘的连结在所述槽的与所述支承件的横向方向垂直的纵向方向上加强所述槽。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个面板包括至少三个面板。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述弧形表面限定偏置抛物面。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，至少一个支承件包括桁架。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述桁架包括至少一个肋（300），所述至少一个肋具有偏置抛物面表面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个肋包括管（310）。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括：
利用凸缘（900）将所述多个面板互连。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括：
通过焊接、硬钎焊、螺栓连接和粘接中的至少一种将所述多个面板互连。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括：使用z形弯曲部（910）或凸缘（900）中的至少一个连结邻接面板的所述长边缘。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述方法还包括：将所述支承件连结于所述z形弯曲部或凸缘。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法还包括：通过托架（1115）将所述支承件连结于所述z形弯曲部或凸缘。
23.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括：使用连接条、中空管和U型通道（920）中的任一种连结邻接面板的所述长边缘。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述方法还包括：将所述支承件固定于所述连接条、所述中空管和所述U型通道中的任一种。
25.根据权利要求12所述的方法，其中，所述框架限定所述弧形表面。
26.一种用于形成具有偏置抛物面表面（350）的管（310）的方法，所述方法包括下列步骤：
a．将中空的管（310）插在环形辊轧机（400）的辊子（410、420）之间；
b．将所述管的一部分辊轧成具有预定曲率半径（443）的弧形；
c．调节所述辊轧机，并将所述管的下一部分辊轧成具有与紧接的前一曲率半径（443）不同的预定曲率半径（442）的弧形；以及
d．重复步骤c一次或多次，以完成形成所述管的所述偏置抛物面表面。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，每个预定曲率半径包括拟合于待由所述中空管限定的偏置抛物面上的三个等间隔的点（501-507）的圆弧的半径。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述中空管包括自包括铝、镀锌钢和钢的组中选出的材料。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，重复步骤c至少两次。
30.根据权利要求26所述的方法，其中，所述管包括限定正方形和矩形中的至少一种的横截面。
31.一种肋（700），包括：
下部管（720），所述下部管包括第一中空管；
上部管（310），所述上部管包括第二中空管并与所述下部管间隔开；以及
多个间隔件（710），所述多个间隔件位于所述下部管和所述上部管之间；
其中，至少所述上部管限定偏置抛物面表面（350）。
32.根据权利要求31所述的肋，其中，所述第一中空管和所述第二中空管中的至少一个包括自包括铝、镀锌钢和钢的组中选出的材料。
33.根据权利要求31所述的肋，其中，所述多个间隔件包括自包括铝、镀锌钢和钢的组中选出的材料。
34.根据权利要求31所述的肋，其中，所述肋还包括中柱（320）和支承所述下部管的至少两个支撑杆（330）。
35.一种用于校正不适当地弯曲的细长的管（310）的方法，所述方法包括下列步骤：
贯穿所述管（310）的一部分制作切口（610）；
弯曲所述管以限定偏置抛物面表面（350）；以及
通过将加固板（630）施加到所述切口来稳定住所述偏置抛物面表面。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，将所述管弯曲包括使用环形辊轧机（400）。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述管是中空的。
38.根据权利要求35所述的方法，其中，所述加固板包括自包括铝、镀锌钢和钢的组中选出的材料。
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