CN106842559B - 一种槽式太阳能聚光器镜面的设计方法 - Google Patents

一种槽式太阳能聚光器镜面的设计方法 Download PDF

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Abstract

一种槽式太阳能聚光器镜面的设计方法，利用已知抛物线上的点为起点做焦点处已知外径的圆的切线，再利用平行偏移功能偏移焦点处圆的外径相同的距离做切线平行线与抛物线相交，抛物线两个焦点连线得到平面，依次绘制近似拟合抛物面平面镜元。此方法构造出的近似抛物面平面反射镜元更经济，实用性更强，为降低槽式太阳能聚光器镜面设计与制造成本提供一个更合理、实用的解决方法。

Description

一种槽式太阳能聚光器镜面的设计方法
技术领域
本发明属于新能源领域，涉及一种利用机械制图设计槽式太阳能聚光器近似抛物面反射镜镜面的新法，尤其是一种槽式太阳能聚光器镜面的设计方法。
背景技术
槽式太阳能聚光集热技术是槽式太阳能热发电的核心技术，槽式太阳能聚光器是槽式太阳能热发电站热量来源的核心部件。槽式太阳能聚光器性能的优劣直接影响太阳能发电站的发电效率、发电成本及其发展前途，因此研究其成本、技术性能和工作寿命对太阳能热利用行业的发展具有非常重要的意义。
现有技术中应用比较广泛的是采用钢化炉热弯工艺加工抛物面反射镜，制作过程复杂，对人员、设备等要求较高，造成成本一直偏高。研究人员针对镜面材质及其结构的选择方面，寻求低成本，工艺简单的制作方法，有选用铝膜，或者其他薄板粘结反射膜制作反射镜场，聚光效果不理想，不能广泛推广，还有研究人员将整个槽分割成小块的微弧镜片，成本并未减少，反而增加模具制作费用。鉴于以上存在问题，本发明提出一种新的镜片设计方法，具有经济，实用、易推广特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种槽式太阳能聚光器镜面的设计方法，利用机械制图设计将抛物曲线与直线的完美结合，构造出更经济，实用的近似抛物面平面反射镜元，为降低槽式太阳能聚光器镜面设计与制造成本提供一个更合理、实用的解决方法。
本发明方法的具体操作步骤如下：
步骤1：绘制焦距为F，开口为D的抛物线和直径为d的圆
根据所设计槽式太阳能聚光器的镜场使用温度，确定镜场聚光比C，根据聚光比定义公式C＝D/Πd，计算出焦距F值，镜场开口D值，即抛物线终点，圆形吸热器的外径d值。(以上数据通过计算已知。)
打开机械制图软件CAD，应用【方程】命令，输入参数，在坐标原点处自动生成X^2＝4FY，开口为D的标准抛物线，在焦点处，即距Y轴距离F处，应用【圆】命令，绘制直径为d的圆。
步骤2：绘制第一个平面镜元
先确定第一个平面镜起点，由于槽式太阳能聚光器镜面始终保持阳光垂直射入，所以正对吸热器部分镜场没有集热作用，所以镜场起点设置在距离X轴d/2处，以此点为起点，应用【直线】命令与CAD制图中切点捕捉功能，绘制一条与直径为d的圆的下切线。利用【偏移】命令，偏移d距离得到另外一条与圆相切的上切线，再用【延长】命令将这条直线与抛物线相交，得到了一个交点，即为第一个平面镜的终点。最后用【直线】命令,将起点与终点相连最终绘制完成第一个平面镜元。
步骤3：绘制全部镜场
以第一个平面镜元的终点为起点绘制半径为w的圆，w为镜场的泄风槽尺寸，圆与抛物线相交的点为第二个平面元镜的起点，按照步骤2，绘制切线，偏移切线，与抛物线相交得到终点，连接起点终点得到第二个平面镜元，再以第二个平面镜元的终点为起点绘制半径为w的圆，与抛物线相交得到第三个平面镜元的起点，以此类推，绘制完成剩下的所有平面镜元。此镜场是以Y轴为对称轴的镜场，绘制一侧镜元，镜像另一半，整个镜场绘制完成。
本发明的原理为：在平行光入射的条件下，所有抛物面反射镜的焦线在同一条直线上，焦距、镜场开口尺寸、吸热器外径尺寸均确定已知，为保证所有的反射光线均照射在吸热管上，小平面镜元的的两端点为起点与吸热管外径的连线是与吸热管外径相切的两条平行线，与焦距为F的抛物线相交，依次绘制近似拟合抛物面平面镜元。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供了一种更经济、实用的近似抛物面平面反射镜元的设计方法，通过利用机械制图软件绘制图形，无需借助专业计算软件计算数据，本方法将抛物曲线与直线相结合，为降低槽式太阳能聚光器镜面设计与制造成本提供一个更合理的解决方法，设计过程简单，易操作。
(2)本发明克服了现有技术中应用贴反射膜或使用铝膜代替反射镜降低成本办法所带来的聚焦效果差的缺点，通过将抛物面反射镜细分为小平面镜元，最大限度的反射光线。
(3)本发明提供一种现有槽式太阳能聚光器反射镜设计为多个小块平面反射镜组成，替代现有小块微弧反射镜，大大节省了制作微弧镜片模具费用，降低制作成本。
附图说明
图1为本发明的光路原理图。
图2为本发明实例操作图。
图3为本发明实例最终布置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
具体实施方案为：现以2.5米开口，泄风槽w为20mm宽的槽式太阳能聚光器反射镜为例说明本发明。现已选定吸热器外径尺寸为60mm，焦距F＝1000mm，则标准抛物线方程为X^2＝4FY，可得到所要拟合的抛物线方程X^2＝4000Y。打开机械设计软件，应用【方程】命令，输入参数，在坐标处自动生成X^2＝4000Y曲线，在焦点处，即距Y轴距离1000mm处，应用【圆】命令，绘制直径为60mm的圆。
由于槽式太阳能聚光器镜面始终保持阳光垂直射入，所以正对吸热器部分镜场没有集热作用，所以镜场起点设置在距离X轴30mm处，以此点为第一个平面镜元的起点，应用【直线】命令与CAD制图中切点捕捉功能，绘制一条与直径为60mm的圆的下切线。利用【偏移】命令，偏移60mm距离得到另外一条与圆相切的上切线，再用【延长】命令将这条直线与抛物线相交，得到了一个交点，即为第一个平面镜的终点。最后用【直线】命令,将起点与终点相连最终绘制完成第一个平面镜元，尺寸L1为60mm，如图3所示。
以第一个平面镜元的终点为起点绘制半径为20mm的圆，圆与抛物线相交的点为第二个平面元镜的起点，按照上面方法，绘制切线，偏移切线，与抛物线相交得到终点，连接起点终点得到第二个平面镜元，得到平面镜元尺寸L2＝60.1mm；再以第二个平面镜元的终点为起点绘制半径为20mm的圆，与抛物线相交得到第三个平面镜元的起点，以此类推，绘制完成剩下的所有平面镜元。此镜场是以外轴为对称轴的镜场，绘制一侧镜元，镜像另一半，整个镜场绘制完成。平面镜元具体尺寸如图3所示。

Claims (1)

1.一种槽式太阳能聚光器镜面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：绘制焦距为F，开口为D的抛物线和直径为d的圆
根据所设计槽式太阳能聚光器的镜场使用温度，确定镜场聚光比C，根据聚光比定义公式C=D/Πd，计算出焦距F值，镜场开口D值，即抛物线终点，圆形吸热器的外径d值；
打开机械制图软件CAD，应用【方程】命令，输入参数，在坐标原点处自动生成X^2=4FY，开口为D的标准抛物线，在焦点处，即距Y轴原点距离为F处，应用【圆】命令，绘制直径为d的圆；
步骤2：绘制第一个平面镜元
先确定第一个平面镜起点，由于槽式太阳能聚光器镜面始终保持阳光垂直射入，所以正对吸热器部分镜场没有集热作用，所以镜场起点设置在距离X轴原点d/2处，以此点为起点，应用【直线】命令与CAD制图中切点捕捉功能，绘制一条与直径为d的圆相切的下切线，利用【偏移】命令，将该下切线向直径为d的圆的圆心方向偏移d距离，得到另外一条与直径为d的圆相切的上切线，再用【延长】命令将这条直线与抛物线相交，得到了一个交点，即为第一个平面镜的终点，最后用【直线】命令,将起点与终点相连最终绘制完成第一个平面镜元；
步骤3：绘制全部镜场
以第一个平面镜元的终点为起点绘制半径为w的圆，w为镜场的泄风槽尺寸，该半径为w的圆与抛物线相交的点为第二个平面元镜的起点，按照步骤2，绘制切线，偏移切线，与抛物线相交得到终点，连接起点终点得到第二个平面镜元，再以第二个平面镜元的终点为起点绘制半径为w的圆，与抛物线相交得到第三个平面镜元的起点，以此类推，绘制完成剩下的所有平面镜元，此镜场是以Y轴为对称轴的镜场，绘制一侧镜元，镜像另一半，整个镜场绘制完成。
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基于槽式集热器中抛物线的量化分析模型;余雷;《东南大学学报》;20110531;第41卷(第3期);全文 *

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