CN107146506B - 一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置 - Google Patents

一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置，包括球面反射镜聚光器(101)，球面支撑架(102)，球面内轨道(103)，轨道小车平台(104)，以及聚焦馈源载体(105)；所述球面反射镜聚光器(101)固定在球面支撑架(102)上，球面内轨道(103)固定在球面反射镜聚光器(101)内表面上，轨道小车平台车(104)以滚动副方式连接在球面轨道(103)上，聚焦馈源载体(105)固定在轨道小车平台(104)上可随轨道小车平台(104)运动而运动。本发明由于设计了可反光球面实现了球面聚光；采用了可动的小车平台，若在阳光下实验，可实现一天内不同时间段内的光照实验；采用了可装卸聚焦馈源载体平台，实现了不同形式的馈源载体的光强分布测量。

Description

一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置
技术领域
本发明涉及空间太阳能电站方案演示验证实验领域，具体是一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置。
背景技术
面对能源短缺、生态破坏和环境恶化等威胁人类生存的重大问题，研究开发新型清洁、可再生能源是人类当前迫切需要解决的关键问题。空间太阳能以其能流密度大、持续稳定、不受昼夜和气候影响等优点而受到国内外学者的广泛关注。空间太阳能电站(SSPS，Space solar power station)以其独特的优势吸引越来越多的国内外专家的研究。现在有不少的SSPS方案提出，但是近年来提出的曼金斯方案与二次对称聚光方案因其模块化和高聚光比的特征，及其可实现性而受到大家的广泛关注。西安电子科技大学空间太阳能电站研究室提出了一种OMEGA(Orb-shape Membrane Energy Gathering Array,OMEGA)空间太阳能电站方案，该方案是由聚光器、电池阵、导电系统及发射天线组成。曼金斯方案是模块化集合而成，但因其聚光器为酒杯状，因此各个模块在一天的时间内需要不断的调整，调整复杂，聚光光路复杂且不容易控制。二次对称聚光方案则是整体镜面需要旋转，这种大型空间旋转结构降低了整体结构的可靠性。新方案中聚光器为球形，其回转体特性及单向透光薄膜或对日镜面打开调整方法保证其在同步轨道运行的时候，不需要大规模旋转调整。
OMEGA-SSPS方案最重要的特征就是利用球面聚光收集能量，聚光方式为线聚焦。平行光入射至半球面后，光线将会经球面反射全部集中在置于球面底部0～R/2的线(圆柱)上。然而实际聚光效果将会受到各方面已知的和未知的因素的影响，如实际加工误差、光线入射角度误差等等。理论仿真无法保证其实际的聚光效果，其研究不应单从理论仿真的角度展开，应建立相应的有效的实物模型，以实现两个功能：一方面，通过实验获取海量数据，从而验证软件仿真球面聚光线聚焦方式收集能量的有效性及正确性；另一方面，该实物可作为基础，探索影响球面聚光的影响因素，并对未来球面聚光系统的搭建的提出指导性的建议。从这两个功能需求出发，需设计搭建一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置。该实物应该具备专用性，需特殊设计，然而，现有的公开资料中未见到能满足需求的实验装置的报道。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置，以验证球面聚光效果，实现对球面聚光理论研究的验证、修正及启示作用。
本发明的技术方案是：一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置，包括球面反射镜聚光器，球面支撑架，球面内轨道，轨道小车平台，以及聚焦馈源载体，所述球面反射镜聚光器固定在球面支撑架上，球面内轨道固定在球面反射镜聚光器内表面上，轨道小车平台车以滚动副方式连接在球面轨道上，聚焦馈源载体固定在轨道小车平台上可随轨道小车平台运动而运动。
上述球面反射镜聚光器为半球形反射面，半球形反射面的实验样件的材料为铝合金，通过单片数控精铣加工为圆片，再进行焊接成为半球，然后对内型面进行抛光以及镀层得到半球形反射面。
上述球面支撑架为钢骨架结构，包括支撑腿，环形支撑和保形肋。整个结构由六条支撑腿支撑，环形支撑固定于支撑腿上端，保形肋与环形支撑固定连接；环形支撑、保形肋与球面反射镜聚光器扣合接触相连，以保证球面反射镜聚光器球面的形状。
上述球面内轨道截面为工字型，以保证轨道小车平台的车轮可以在轨道上稳定滑动。
上述轨道小车平台包括轮系结构，平台结构，卡止结构，所述轮系结构设于平台结构的下方；所述平台结构上开设有用来与聚焦馈源载体连接的中间螺孔，还开设有用于与卡止结构配合可将轨道小车平台固定在球面内轨道某一位置处的边缘螺孔。
上述轮系结构为两轮无驱动结构，轮系结构与球面内轨道配合，以实现相对滑动。
上述卡止结构为带固定旋杆的卡式螺栓，用于将轨道小车平台固定在球面内轨道某一位置处。
上述聚焦馈源载体为多段线段的旋转体和圆柱体，可分别安装在轨道小车平台上进行实验。
本发明的有益效果：1、本发明由于设计了可反光球面实现了球面聚光。
2、本发明由于采用了可动的小车平台，若在阳光下实验，可实现一天内不同时间段内的光照实验。
3、本发明由于采用了可装卸聚焦馈源载体平台，实现了不同形式的馈源载体的光强分布测量。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是加工的圆片；
图3是球面支撑架；
图4是轨道小车平台；
图5是卡止结构；
图6是多段线段的旋转体馈源载体；
图7是圆柱体馈源载体。
附图标记说明：101-球面反射镜聚光器，102-球面支撑架，103-球面内轨道，104-轨道小车平台，105-聚焦馈源载体，201-圆片，301-支撑腿，302-环形支撑，303-保形肋，401-轮系结构，402-平台结构，404-中间螺孔，405-边缘螺孔，403-卡止结构。
具体实施方式
参照图1，本发明提供了一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置，包括球面反射镜聚光器101，球面支撑架102，球面内轨道103，轨道小车平台104，以及聚焦馈源载体105，所述球面反射镜聚光器101固定在球面支撑架102上，球面支撑架102可置于平整地面，球面内轨道103固定在球面反射镜聚光器101内表面上，轨道小车平台车104以滚动副方式连接在球面轨道103上，聚焦馈源载体105固定在轨道小车平台104上可随轨道小车平台104运动而运动。
参照图2，所述球面反射镜聚光器101为半球形反射面。反射面的实验样件的材料为铝合金，通过单片数控精铣加工为圆片201，再进行焊接成为半球，然后对内型面进行抛光以及镀层得到半球形反射面。
参照图3，所述球面支撑架102为钢骨架结构，包括支撑腿301，环形支撑302和保形肋303。整个结构由六条支撑腿301支撑，环形支撑302固定于支撑腿301上端，保形肋303与环形支撑302固定连接；环形支撑302、保形肋303与球面反射镜聚光器101扣合接触相连，以保证球面反射镜聚光器101球面的形状。
所述球面内轨道103截面为工字型，保证轨道小车平台104车轮可以在轨道上滑动。
参照图4，所述轨道小车平台104包括轮系结构401，平台结构402，卡止结构403，所述轮系结构401设于平台结构402的下方；所述平台结构402上开设有用来与聚焦馈源载体105连接的中间螺孔404，还开设有用于与卡止结构403配合可将轨道小车平台104固定在球面内轨道103某一位置处的边缘螺孔405。
所述轮系结构401为两轮无驱动结构。轮系结构401与球面内轨道103配合，可实现相对滑动。
所述平台结构402上的中间螺孔404用来与聚焦馈源载体连接，边缘螺孔405与卡止结构403配合可将轨道小车平台104固定在球面内轨道103某一位置处。
参照图5，所述卡止结构403为带固定旋杆的卡式螺栓，卡式螺栓具有高强度的螺纹紧固作用，将轨道小车平台104固定。
参照图6和图7，所述聚焦馈源载体105为多段线段的旋转体和圆柱体，可分别安装在轨道小车平台104进行实验。
本发明装置在使用时，将整个装置置于阳光直射的环境下，在轨道103上移动聚焦馈源载体105，使聚焦馈源载体105的中心轴与太阳光平行，使用光功率测量计测量在聚焦馈源载体105上不同位置处的光强，并记录。使用多段线段的旋转体和圆柱体分别进行测量，然后将所得数据用于与光学仿真软件所得结果进行对比进行分析。
本发明的优点在于：1、本发明由于设计了可反光球面实现了球面聚光。2、由于采用了可动的小车平台，若在阳光下实验，可实现一天内不同时间段内的光照实验。3、由于采用了可装卸聚焦馈源载体平台，实现了不同形式的馈源载体的光强分布测量。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种球面聚光器聚光效果验证的实验装置，包括球面反射镜聚光器（101），球面支撑架（102），球面内轨道（103），轨道小车平台（104），以及聚焦馈源载体（105），其特征在于，所述球面反射镜聚光器（101）固定在球面支撑架（102）上，球面内轨道（103）固定在球面反射镜聚光器（101）内表面上，轨道小车平台车（104）以滚动副方式连接在球面轨道（103）上，聚焦馈源载体（105）固定在轨道小车平台（104）上可随轨道小车平台（104）运动而运动；
所述球面反射镜聚光器（101）为半球形反射面，半球形反射面的实验样件的材料为铝合金，通过单片数控精铣加工为圆片（201），再进行焊接成为半球，然后对内型面进行抛光以及镀层得到半球形反射面；
所述球面支撑架（102）为钢骨架结构，包括支撑腿（301），环形支撑（302）和保形肋（303）；整个结构由六条支撑腿（301）支撑，环形支撑（302）固定于支撑腿（301）上端，保形肋（303）与环形支撑（302）固定连接；环形支撑（302）、保形肋（303）与球面反射镜聚光器（101）扣合接触相连，以保证球面反射镜聚光器（101）球面的形状；
所述球面内轨道（103）截面为工字型，以保证轨道小车平台（104）的车轮可以在轨道上稳定滑动；
所述轨道小车平台（104）包括轮系结构（401），平台结构（402），卡止结构（403），所述轮系结构（401）设于平台结构（402）的下方；所述平台结构（402）上开设有用来与聚焦馈源载体（105）连接的中间螺孔（404），还开设有用于与卡止结构（403）配合可将轨道小车平台（104）固定在球面内轨道（103）某一位置处的边缘螺孔（405）；
所述轮系结构（401）为两轮无驱动结构，轮系结构（401）与球面内轨道（103）配合，以实现相对滑动；
所述卡止结构（403）为带固定旋杆的卡式螺栓，用于将轨道小车平台（104）固定在球面内轨道（103）某一位置处；
所述聚焦馈源载体（105）为多段线段的旋转体和圆柱体，可分别安装在轨道小车平台（104）上进行实验；
使用时，将该实验装置整个置于阳光直射的环境下，在轨道上移动聚焦馈源载体，使聚焦馈源载体的中心轴与太阳光平行，使用光功率测量计测量在聚焦馈源载体上不同位置处的光强，并记录；使用多段线段的旋转体和圆柱体分别进行测量，然后将所得数据用于与光学仿真软件所得结果进行对比进行分析。
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