CN111322769B - 环境感应式柔性镜面自动收放聚光器、控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境感应式柔性镜面自动收放聚光器及其应用，所述聚光器包括软聚光镜面及其驱动装置，抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板，底部支架和追踪装置。驱动装置包含接在抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板两侧的智能驱动电机。两侧的电机带动柔性镜面运动，两侧电机同步正转时负责提供拉出软聚光镜面的动力，两侧电机同步反转时负责提供收起软聚光镜面的动力。抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板用于保证镜面张开时保持精准的面型。本发明可以在大风等恶劣条件下通过两头智能驱动电机完成聚光镜自动收起，在天气条件良好的情况下自动展开，从而提高了设备的使用寿命，减少了维护设备的人力物力成本，具有一定的经济性、可靠性。

Description

环境感应式柔性镜面自动收放聚光器、控制方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种聚光器，尤其是涉及一种利用近似抛物线形状的槽式钢架结构和柔性镜面材料组合以实现对环境变化智能化反应的太阳能聚光器、控制方法及其应用。

背景技术

确保镜场的高效运行与使用寿命是行业共识，现有建成的槽式光热电站为了保证一定风速下的高效平稳运行，已有的手段是建挡风墙、设计增强集热器钢结构、加强地基强度。通过对挡风墙的研究可知，挡风墙是由全区域开有小孔的薄板组成的具有一定高度挡风屏障，通常安置在被遮挡物体四周或来流风上游区域，其工作原理是通过减小来流风风速，最大限度的消耗来流风动能，进而可以起到挡风抑尘的效果。但是抗风效果有限。而在风力经常超过7米每秒的地区挡风墙是必选项。集热器光加强钢结构只是一方面。镜子本身在风大时会振动，造成光学效率降低。钢结构和地基根据当地条件，作为设计输入条件设计。中国西北地区挡风墙都是有必要的。

中部的集热器受到的风沙危害比较小，但四周的集热器直接受到风沙的影响，其上的易损部件(如槽式真空管的玻璃外管)一旦损坏，势必影响整个系统的运行，所以现有设计必须在其四周建设挡风墙进行保护。本发明就对此进行了改进与创新，用柔性反光镜，在风速大时将镜面收起，风速小时将镜面放下，减少了镜面因风沙的损害。

众所周知，在抛物面反射器中使用铝箔或镀铝聚酯薄膜，但迄今为止，由于难以准确地保持这种薄膜的抛物面形状，降低了它们的效率或使它们的使用不切实际。其基本目标是将箔片形成抛物面柱面镜，其焦点线在接收点上。为了实现低成本，重要的是抛物面圆柱的长度，可以准确地形成和保持最大。现有技术抛物面箔收集器的一个困难在于，薄箔本身无法支持弯矩。由抛物型箔缸形成的结构梁也不能沿轴承受扭矩。弯矩或扭矩使结构梁发生变形，使聚焦线发生位移，从而影响聚焦质量。而反光材料的主要问题是要创造一个有效的柔性反射膜，是稳定的，耐腐蚀，耐气候。反射膜必须是灵活的，以便它可以用于各种配置太阳能应用，照明反射器等。反射膜在风化作用下必须尺寸稳定，以保持光学性能。反射膜应耐划伤，并能抵抗表面灰尘和污垢的积聚。这些特性将有助于保持光学特性，在不利条件下捆扎反光膜，降低与清洗反光表面有关的维护费用。反射膜也应是低成本的。本发明所采用的柔性镜面恰好符合以上条件。

通过与现有的新型槽式聚光器的研究对比可以得知：

中国专利申请CN107367075A公开了一种基于多次反射的收放型槽式太阳能集热系统。该专利提出了一套复合式的多次反光聚光方案。其柔性镜面的伸缩与本专利相似，但柔性镜面上直接用线材牵引，镜面受力不均匀，容易破损；而且薄膜处于工作状态时，利用数十个限位销展开成锯齿状，薄膜应力大、寿命短，且多次反光才能聚光，效率更低。本专利薄膜处于自然展开状态、机械结构更加简单、只需一次反射即可聚光，是一种高效率、低成本、易生产维护的设计。

IN2008MU01893A号专利公开了一种可折叠式的槽式聚光器。该专利利用类似伞骨的结构实现镜面的折叠，处于展开状态时对抗强风没有强度优势。其既运用了折叠结构、又运用了电机驱动的卷轴结构，成本大大增加，设计上也并无更多收益。

美国专利申请US4493313A公开了一种应用了柔性镜面的槽式聚光器，其重点在于通过形变追踪太阳光。其镜面本身只做小幅形变，并不能大幅度卷曲、长距离收放。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明公开一种环境感应式柔性镜面自动收放太阳能聚光器及其控制方法，其技术方案如下：

一种环境感应式柔性镜面自动收放太阳能聚光器，包括可俯仰支架、跟踪系统、柔性镜面、镜面收放传动系统、环境感应控制模块，其特征在于所述环境感应控制模块根据外界环境信息的变化，通过镜面收放传动系统实现自动收放，柔性镜面通过跟踪系统调整角度，实现高效聚光。

本发明还公开一种环境感应式柔性镜面自动收放太阳能聚光器的控制方法及其应用。

有益效果：

本发明通过可伸缩收回的聚光面，实现了传统固定式聚光面所不具有的优点:(1)防风防水防尘。鉴于传统聚光器同样会在风力过大时停机，本发明通过风力过大时将聚光面收回，只留支架受风，极大减小了风阻、保护了反光面和支架。同时，由于地理特征，太阳能镜场所在地通常风沙很大，可以收回的镜面意味着在风沙天气下减少了沙尘与镜面的接触，可以将反光率保持在较高水准，同时节约了人力成本。也提升了镜面的寿命。运行成本低廉。(2)节约物料、运输、人力成本。由于大风大雨时无需像传统聚光器一样利用结构强度保持稳定，因此可以在支撑结构的钢材使用上节约成本。运输和安装同样因为钢材的减少、柔性材料的应用、强度要求降低而在各方面降低成本。如在运输过程中更轻的质量、更小的空间，而且避免了传统镜面运输中易碎、易变形的缺点。同时，由于质量的减轻、强度要求的降低，模块化的运输和安装成可能。这意味着更少的人力成本，这对通常而言地处偏僻的镜场而言是一个很大的改善。(3)本发明柔性镜面处于自然展开状态、机械结构更加简单，是一种高效率、低成本、易生产维护的设计。传统太阳能聚光器多用桁架结构支撑。在聚光器単元的长度方向上，有一贯通的主梁，作为聚光器的基体。在主梁上布置了若干架截面，用以安装抛物面镜。聚光器単元的长度方向的两端固定于地面的支架，由轴承支撑，并且可以绕轴承轴线旋转。支撑结构通常材料用量大，且比较笨重。而本发明不需要桁架结构，大大减少用钢量。除此之外，本发明所用软镜面的价格是传统太阳能聚光镜价格的1/50左右。当聚光面展开时是与普通聚光器一致的抛物面，当收回时则仅有轨道暴露在外部。通过伸缩形式极大减小了受风面积，使反光面免受风沙侵蚀，使钢架结构设计强度可以降低以节约成本，也便于模块化安装与运输寿命长。

附图说明

图1为本发明各个部分细节示意图。

图2为本发明支架示意图。

图3为本发明总体结构示意图。

图4为本发明柔性镜面俯视示意图。

图5为本发明逻辑实现图。

图6为本发明系统运行框图。

图7为本发明总体流程图。

图8为本发明柔性镜面在45°光照下的反光率测量结果图。

图9为本发明追踪系统控制逻辑示意图。

图10为本发明柔性镜面组成结构图。

图11为本发明系统电路功能模块简化图。

附图标记说明：

1-两个卷轴电机，2-镜面滑动轨道，3-可俯仰支架，4-柔性镜面(41-柔性镜面边缘滑动部分,42-柔性镜面未镂空部分)，5-抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板，6-卷轴电机外壳，7-传感器箱，8-追踪电机，9-追踪系统控制盒，10-夹紧固定装置，11-限位片，12-防磨层，13-铝层，14-软基层。

具体实施方式

本发明提供了一种利用近似抛物线形状的槽式钢架结构和柔性镜面材料组成的聚光器。下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种环境感应式柔性镜面自动收放太阳能聚光器，包括可俯仰支架、跟踪系统、柔性镜面、镜面收放传动系统、环境感应控制模块；所述环境感应控制模块根据外界环境信息的变化，通过镜面收放传动系统实现柔性镜面的自动收放；同时，所述柔性镜面通过跟踪系统调整角度，实现高效聚光。

该太阳能聚光器中采用的可俯仰支架(3)，其整体为抛物线形结构，并且中部安装了抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)，呈中间掏空呈龙骨架结构。其左右两侧安装追踪电机(8)以及具有固定聚光面功能的镜面滑动轨道(2)，上下两侧安装有卷轴电机(1)。镜面滑动轨道(2)设计成U型结构，以保障柔性镜面在运动过程中始终贴合抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)。

所述跟踪系统包括由水平方向步进电机(81)、俯仰方向步进电机(82)、控制盒(9)组成。控制盒(9)具有追踪太阳高度角和方位角感应模块、调整可俯仰支架角度和位置的驱动模块，通过追踪太阳高度角和方位角感应模块获取信息,进行综合分析和计算,控制驱动模块进行调整的控制模块。由图9可知，当太阳高度和方向角改变时，水平方位步进电机(81)和俯仰方向步进电机(82)来追踪太阳的方位角和高度角，上位机负责任意时刻太阳高度角和方位角的计算，并计算出当前状况下俯仰与水平方向的步进电动机运行的步数，将水平俯仰电机运动步数及控制信号送给单片机，单片机接收上位机送来的数据，使驱动电路工作，驱动电路带动水平步进电机和俯仰步进电机运行，从而实现支架的角度以及位置的变换。

由图10可知，本发明采用的柔性镜面(4)由软基层(14)、铝层(13)、防磨层(12)组成。所述软基层(14)选择镜面离型纸，所述防磨层(12)选择透明硅胶，三层材料通过加热后的液态硅胶紧密相连。柔性镜面(4)可以通过夹紧固定装置(10)与卷曲电机(1)连接，由卷轴电机(1)驱动，产生弯曲以配合镜面收放系统工作，其中柔性镜面边缘滑动部分(41)在镜面滑动轨道(2)滑动，系统停止工作时，柔性镜面未镂空部分(42)作为工作面进行聚光。

镜面收放传动系统配合环境感应控制模块的工作，两者包括电源、两端卷轴电机(1)、柔性镜面(4)，传感器箱(7),传感器箱中有雨水传感器、光照传感器、风速传感器。所述雨水感应器工作原理为，当雨水低落到电极上时，电极之间电阻变小，通过电路检测出电阻的减小，形成高电平信号输出。控制器接收雨水感应器的信号，控制卷轴电机(1)的动作。所述风速传感器工作原理为：当遇风时，风速传感器的风杯带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。将风速值与设定值比较，若风速值大于设定值，则发出一个信号，使电机反转，收起镜面。所述光照传感器工作原理为：当可见光照射到进口光敏二极管，光敏二极管根据可见光照度大小转换成电信号，电信号进入单片机系统，单片机系统根据温度感应电路，将采集到的光电信号进行温度补偿，输出电信号，使得卷轴电机(1)正转，放出镜面。除满足工作条件，卷轴电机(1)的运动还受制于限位片(11)，当柔性镜面(4)运动到上下两侧，即限位片(11)所在的位置时，卷轴电机(1)将停止工作。

三者的关系为，当风速值小于设定值，光照大于设定值，雨水传感器输出低电平，三个条件同时满足并持续超过五分钟后，控制器会发出信号，使卷轴电机(1)正转，放出柔性镜面(4)。任一工作条件得不到满足时，卷轴电机(1)反转，收回柔性镜面(4)。

通过使用柔性镜面(4)，配合卷轴电机(1)、镜面滑动轨道(2)、和可俯仰支架(3)来实现聚光面的伸缩收回。两端卷轴(1)接在抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)两侧，为柔性镜面(4)的收缩提供动力。聚光器处于收回状态时极大减小了受风面积，使柔性镜面(4)免受风沙侵蚀，使钢架结构设计强度可以降低以节约成本，也便于模块化安装与运输。本发明通过两头电机完成大风等恶劣条件下自动收起，在天气条件良好的情况下自动开展实现聚光功能，从而提高了设备的使用寿命。

实施例一

附图3为基于柔性反光材料的新型槽式聚光器结构示意图。所述结构包括卷轴电机(1)、镜面滑动轨道(2)、可俯仰支架(3)、柔性镜面(4)来实现聚光面的伸缩收回。两侧卷轴电机(1)焊接在抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)两侧为柔性镜面(4)的收缩提供动力。抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)通过焊接的方式连接在可俯仰支架(3)上，柔性镜面通过夹紧固定装置(10)固定在两侧的卷轴电机(1)，在两侧的卷轴电机(1)以及镜面滑动轨道(2)的牵制下，可以保证柔性镜面(4)在收放过程中始终贴合抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)，保证聚光器的正常工作以及反光率的较高水准。当太阳能聚光器所处环境的风速达到危险风速，如7米每秒时，风速传感器开始工作，两个卷轴电机(1)反转使得半镂空部分铺在抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)上，即将柔性镜面(4)工作部分收回，如若5分钟内没有危险风速的再次刺激，两个卷轴电机(1)正转使柔性镜面未镂空部分(42)铺满整个抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)，即将柔性镜面(4)的工作部分展开。通过这种方式极大减小了受风面积，使柔性镜面(4)免受风沙侵蚀，使钢架结构设计强度可以降低以节约成本，也便于模块化安装与运输。本发明设计通过卷轴电机(1)完成大风等恶劣条件下自动收起，在天气条件良好的情况下自动开展实现聚光功能，从而提高了设备的使用寿命。

附图2为可俯仰支架结构，可俯仰支架(3)通过将底部支撑架(31)对称布置，增大与地面的接触面积，保持了整体的稳定。支架两侧的抛物线型部分设有导轨(2)，使展开的柔性镜面呈抛物面式的稳定结构；柔性镜面(4)的两侧卷曲在卷轴电机(1)中，整个镜面呈现半镂空状态，在聚光器聚光时卷轴电机(1)正转使柔性镜面未镂空部分铺满整个抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)，在聚光器停止工作时卷轴电机(1)反转使得半镂空部分(42)铺在抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)上。

环境感应控制部分通过雨水传感器、风速传感器和光传感器的信号传入，在大风大雨时，驱动两侧的卷轴电机反转，将柔性镜面收卷起来。在晴天光照充足时驱动两侧电机正转展开柔性镜面进行聚光，感应部分位于支架两侧。其中，雨水传感器、风速传感器和光传感器将放置在传感器箱(7)。本环境感应控制部分主要实现的功能是检测太阳能板周围雨水参数、检测太阳能板周围光照参数以及太阳能板周围风速参数。检测到的周围环境参数传送给单片机，单片机通过处理之后做出判断控制电机正反转实现太阳板的收回与舒展。

环境感应控制部分的硬件系统主要包括电源模块、最小系统模块、按键扫描模块、数码管显示模块、风速检测模块、雨水检测模块、光照检测模块以及蜂鸣器模块。工作过程如图5所示，电源模块、按键扫描模块以及数码管显示模块组成的按键输入、风速检测模块、雨水检测模块以及光照检测模块构成了最小系统的输入信号。其中，电源模块是最小系统工作的必要条件，在此基础上，通过设置按键输入不同的风速、雨水、光照的数值，建立最小系统工作的初始条件，三个传感器感应到环境的变化，并将环境变化转换为输入信号，当输入信号与按键输入的信号匹配时，最小系统开始工作，表现为：(1)蜂鸣器控制。蜂鸣器开始工作，发出声音信号，一方面通过蜂鸣频率提示风速、雨水、光照变化快慢，另一方面达到提示太阳能聚光器即将工作的目的。(2)电机控制。当电源信号、按键输入信号、传感器信号同时满足时，聚光器停止工作，卷轴电机(1)反转使得半镂空部分(42)铺在抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)上，当满足按键输入的信号在5分钟内没有再次出现时，聚光器开始聚光，卷轴电机(1)正转使柔性镜面未镂空部分(41)铺满整个抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)。该工作过程具体实现的功能如图6所示，即系统上电待机后，用户可根据当地环境条件设置三个相关的参数临界值：风速临界值、雨水临界值、光照临界值。系统运行过程中，系统通过风速检测模块、雨水检测模块、光照检测模块检测周围环境参数，系统通过比较相关环境参数与用户设定的相关参数临界值，判断是否达到卷轴电机(1)工作条件，从而实现系统自动控制卷轴电机(1)，从而控制柔性镜面(4)收放，达到控制太阳能聚光器在合适的工作条件下聚光的功能。

具体工作原理如下：

由图11可知，本发明系统电路由电源电路、电机控制电路、主控芯片、传感器、信号比较器、限位开关电路、数码管显示电路组成。所述电源电路由7805三端稳压集成电路和开关组成，电机控制电路由l298n电机驱动模块组成，主控芯片由tm57m5254单片机组成，传感器、信号比较器由lm393电压比较器、光照传感器、雨水传感器、风速传感器和相对应的可调电阻组成，限位开关电路包含回收限位和舒展限位，数码管显示电路由tm1650芯片、数码管组成。通过电源电路、电机控制电路、传感器、信号比较器、限位开关电路、数码管显示电路与主控芯片相连以及组合，可以实现以下功能：

(1)通上电源，系统自检卷轴是否在顶部凹槽，耗时1秒，自检完毕处于待机状态，在待机状态中，系统将一直检测卷轴是否在顶部凹槽中，如若不是则运行卷轴电机(1)使其正转，回收卷轴，达到防止卷轴滑落的安全目的；如若是则运行下一步，系统检测开机键是否按下。(2)按下开机键，最小系统检测风速、雨水、光照是否满足用户设定的相关参数临界值，如若满足，卷轴电机(1)反转，卷轴舒展，如若舒展到位，半镂空部分(42)将铺在抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板(5)上，卷轴电机(1)将停止转动，系统此时将一直检测环境参数是否符合用户设定的相关参数临界值，若不成立将立即收回卷轴且5分钟后才可以重新判断是否舒展卷轴；如若舒展不到位，卷轴电机(1)将再次反转，直至卷轴完全舒展。(3)当系统检测到环境参数不能符合用户设定的相关参数临界且不满足时间达到5分钟时，系统将关机，卷轴电机(1)收回到初始状态，工作结束。

环境感应控制部分主要功能：(1)能够实现风速检测，并通过按键设置风速临界值以及数码管显示实时风速。(2)能够实现检测光照值并可以通管电位器进行物理调节光照临界值。(3)能够实现雨水检测。

由图8可知，本发明使用的柔性镜面在45°自然光照射下，在400至1600微米的波长范围内达到90％以上的反射率。(4)本发明设计通过两侧智能驱动电机完成大风等恶劣条件下自动收起，在天气条件良好的情况下自动开展聚光功能，从而提高了设备的使用寿命，并且具有一定的追光功能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种环境感应式柔性镜面自动收放聚光器，包括可俯仰支架、跟踪系统、柔性镜面、镜面收放传动系统、环境感应控制模块，其特征在于：所述环境感应控制模块根据外界环境信息的变化，通过所述镜面收放传动系统实现柔性镜面的自动收放；所述柔性镜面通过跟踪系统调整角度，实现高效聚光；所述可俯仰支架整体为抛物线形结构，中部安装了抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板，呈中间掏空的龙骨架结构，其左右两侧安装追踪电机以及具有固定聚光面功能的镜面滑动轨道，上下两端安装有卷轴电机；所述镜面滑动轨道横截面呈U型，其上下端安装有限位片；所述跟踪系统包括水平方向步进电机、俯仰方向步进电机、控制盒；控制盒具有追踪太阳高度角和方位角感应模块、调整可俯仰支架角度和位置的驱动模块，通过上述水平方向步进电机、俯仰方向步进电机、追踪太阳高度角和方位角感应模块获取控制信息；所述的柔性镜面通过卷轴电机驱动，产生柔性弯曲以配合镜面收放系统工作；所述柔性镜面通过夹紧固定装置与卷轴电机连接；所述的镜面收放传动系统包括卷轴电机、信号转换器；所述信号转换器接收到环境信息改变的信号后，驱动卷轴电机带动柔性镜面工作，实现收放功能；当聚光器聚光时，卷轴电机正转使柔性镜面未镂空部分铺满整个抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板，在聚光器停止工作时卷轴电机反转使得半镂空部分铺在抛物线型底部镂空镜面支撑贴合板上；所述环境感应控制模块通过环境传感器检测到的信号控制卷轴电机的启停，从而实现柔性镜面收卷和展开。

2.一种根据权利要求1所述的环境感应式柔性镜面自动收放聚光器，其特征在于：应用于镜场。

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