CN202420009U - 太阳能集束聚光支撑装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种太阳能集束聚光支撑装置，设置在集束聚光镜阵上，其包括控制镜阵翻转的转动组件和控制镜阵倾角的升降组件，转动组件包括垂直连接的固定柱和横杆，外围设有细齿的半圆形转轮以及与细齿相配合的步进电机，横杆与镜阵、转轮的两端与镜阵的两端皆为可转动连接，升降组件包括液压升降柱，控制升降的数控电机，与镜阵固定连接的横梁，套设在横梁上的滚珠轴套，以及设置在滚珠轴套的下部分中且能够在其中自由转动的滚珠，滚珠轴套的底部具有通槽，数控电机控制液压升降柱升降，且液压升降柱能够在所述通槽内自由移动。该太阳能集束聚光支撑装置由一个控制器进行集中控制，简化了镜阵的控制理论，并且能够精确控制镜阵跟踪太阳。

Description

太阳能集束聚光支撑装置

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能集束聚光支撑装置，用于控制太阳能集束聚光镜阵，其广泛应用于太阳能热发电、太阳能空调、取暖、热水等领域。

背景技术

在历史上，正面跟踪太阳的太阳能系统中，由于镜阵和反射镜具有M×N个控制点，设备投入的成本、设备总重量、抗风、沙尘暴等一系列问题，一直是困扰太阳能热利用，特别是大型太阳能热发电实现商业化的难点。有专家打破了传统的采用方位角-仰角的太阳跟踪方法，提出了采用自旋-仰角的跟踪公式，采用计算机控制系统将M×N个控制单元简化为M+N个控制单元，即M×N个镜面仅采用M+N个控制单元去控制，降低了控制系统的复杂程度，减少了设备的投入成本。然而为了能够进一步降低投入成本，简化控制系统，一直在寻找更少的控制单元实现太阳能聚光镜阵的发电。

中国曾有在抛物面焦点安装一面反射镜，将聚合光反射穿过抛物面镜底中央，于同轴处再用一面反射镜反射向目标集热器，中国专利申请号201010153222.9。此法，控制一面镜是容易的，但是，控制一面镜就需2个电机，那么，控制M×N个镜阵的第二次反射的反射镜就需要M×N×2个电机。而且，针对每一个反射镜，又有经、纬偏转度各不相同的控制，这明显是非常复杂的。即使简化为M+N个控制单元，也具有多个电机，不但成本高、重量大，而且维护时要多多个电机分别进行检测，检测情况复杂，安全系数低。因此迫切需要一种镜阵，能够实现实现聚光的同时简化控制理论。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种太阳能集束聚光支撑装置，将镜阵作为一个面来控制，能够精确的控制镜阵的经度和纬度角度实现实时跟踪太阳，可以使用单个集成线路代替复杂的计算机控制系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型涉及一种太阳能集束聚光支撑装置，其设置在集束聚光镜阵上，其包括：

控制镜阵翻转的转动组件，其包括固定柱、横杆、半圆形转轮以及步进电机，固定柱与横杆垂直连接，横杆与镜阵可转动连接，转轮外围设有细齿，且转轮的两端与镜阵的两端可转动连接，固定柱上设有步进电机，与转轮的细齿相配合；

控制镜阵倾角的升降组件，设置在镜阵与所述转动组件相对的一侧，其包括液压升降柱、数控电机、横梁、滚珠轴套以及滚珠，所述横梁的一端与镜阵固定连接，滚珠轴套的上部分套设在横梁上，滚珠设置在滚珠轴套的下部分中且能够在其中自由转动，滚珠轴套的底部具有通槽，数控电机控制液压升降柱的升降，且液压升降柱能够在所述通槽内自由移动。

优选的，所述横杆与镜阵之间通过滚珠轴承转动连接。

优选的，所述转轮的两端分别通过一个滚珠轴承与镜阵的两端转动连接。

优选的，所述滚珠轴套的下部分具有容纳滚珠并使其自由转动的球形容纳腔。

优选的，所述通槽沿横梁的长度方向设置。

优选的，转动组件的步进电机和升降组件的数控电机通过集成线路与计算机控制系统相连。

优选的，所述镜阵具有M排×N列个聚光镜单元，每个所述聚光镜单元包括一个底部设有第一通孔的抛物面聚光镜，以及设置在每个抛物面聚光镜聚光焦点处并能够将经抛物面聚光镜聚合的太阳光平衡反射穿过第一通孔的第一反射镜；

在通过每个第一通孔的光路方向上，设有一个固定镜片，M×N个固定镜片具有共同的聚光焦点，在所述M×N个固定镜片的聚光焦点处设有第二反射镜，其能够将经M×N个固定镜片聚合的焦点光平衡反射形成集束光柱。

优选的，所述M×N个固定镜片为呈旋转抛物面网状分布的镜片组件，且在所述旋转抛物面的镜片组件底部中央设有能够通过所述集束光柱的通路。

优选的，所述镜片组件为呈层状和网状分布的M×N个固定镜片。

优选的，所述第一反射镜和第二反射镜皆为微型凹面镜。

与现有技术相比，本实用新型的太阳能集束聚光支撑装置由一个控制器进行集中控制，简化了镜阵的控制理论，通过细齿与步进电机的配合，能够精确的控制镜阵跟踪太阳，而且，一个很小的电机就可以灵活地带动巨大镜阵180°的转动。

附图说明

图1为本实用新型的太阳能集束聚光支撑装置及其镜阵框架示意图；

图2为转动组件的结构示意图；

图3为升降组件的结构示意图；

图4为本实用新型的太阳能集束聚光镜阵系统第一种实施方式的光路原理示意图；

图5为本实用新型的太阳能集束聚光镜阵系统第二种实施方式的光路原理示意图。

附图标记：1-抛物面聚光镜；10-第一反射镜；11-第一通孔；12-第一光柱；2-固定镜片；20-支柱；3-镜片组件；30-第二反射镜；31-通路；32-第二光柱；4-转动组件；40-固定柱；41-横杆；42-转轮；43-步进电机；44-滚珠轴承；45-滚珠轴承；5-升降组件；50-液压升降柱；51-横梁；52-滚珠轴套；53-滚珠；54-容纳腔。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。

图1所示为本实用新型的太阳能集束聚光支撑装置及其镜阵框架示意图，每个镜阵由M排×N列个聚光镜单元组成，整个镜阵设置在支架上，共同组成镜阵框架。本实用新型的太阳能集束聚光支撑装置包括转动组件4及升降组件5，转动组件4用于控制整个镜阵180°翻转跟踪太阳升落，升降组件5用于控制整个镜阵的倾角，从而跟踪太阳一年四季的变化。图1所示的转动组件4及升降组件5仅为示意图，其详细结构如图2和图3所示。

下面将结合图1和图2、图3详细说明本实用新型的太阳能集束聚光支撑装置的结构。图2为图1的转动组件4的左视图。转动组件4包括固定柱40、横杆41、转轮42、步进电机43(如图2)以及滚珠轴承44、45。

横杆41的一端与固定柱40固定连接，并且二者相互垂直，横杆41的另一端与镜阵框架可转动连接，在本实用新型实施方式中，系采用滚珠轴承44连接横杆41与镜阵框架。转轮42为半圆形转轮，圆周外围设有细齿，半圆形转轮42的两端与镜阵框架的两端可转动连接，在本实用新型实施方式中，亦系采用一对滚珠轴承44连接转轮42的两端与镜阵框架的两端，在固定柱40上设有与转轮42的细齿配合的步进电机43，用于控制转轮42转动，从而使得整个镜阵框架能够绕主轴X旋转180°。

图3所示为图1中升降组件5的正视图。升降组件5设置在镜阵且与所述转动组件4相对一侧上，用于控制镜阵倾角，其包括液压升降柱50、横梁51、滚珠轴套52以及滚珠53。横梁51的一端与镜阵框架固定连接，另一端为自由端。滚珠轴套52的上部分套设在横梁51上，并且横梁51能够在滚珠轴套52内转动；滚珠轴套52的下部分具有能够容纳滚珠53并使其自由转动的球形容纳腔54。在滚珠轴套52下部分的底部设有通槽(未示出)，通槽沿横梁51的长度方向设置，液压升降柱50穿过所述通槽与滚珠53固定连接，当液压升降柱50升高或降低时，滚珠53能够在容纳腔54中转动，液压升降柱50能够在所述通槽内自由移动，驱动横梁51带动整个镜阵倾斜。所述液压升降柱50通过数控步进电机(未示出)控制其升降。

上述支撑装置控制系统简单，仅用简单的计算机控制系统通过集成电路控制本装置的两个电机，即可实现控制整个太阳能集束聚光镜阵系统跟踪太阳180°升、落翻转，并随季节变化，跟踪太阳正面投射。

图4所示为应用本实用新型支撑装置的太阳能集束聚光镜阵系统，该镜阵系统分为上下两层。

上层结构为图1中的M排×N列个聚光镜单元。每个聚光镜单元具有一个抛物面聚光镜1，抛物面聚光镜1的底部中央设有一个第一通孔11，在每个抛物面聚光镜1的聚光焦点处，设置一个微型第一反射镜10，太阳光经抛物面聚光镜1汇聚至第一反射镜10，然后光能平衡反射穿过抛物面聚光镜1的第一通孔10，形成第一光柱12。这样，在整个镜阵M排×N列个聚光镜单元的背面，形成M×N个平行光柱12组成的光柱林。

所述抛物面聚光镜1为能够聚焦的旋转抛物面。可根据风暴、沙尘暴级别的需要，分为无缝或无孔抛物面镜，以及有缝或有孔抛物面镜，例如在有飓风、台风、沙尘暴的地区，有缝或有孔的抛物面镜可以起到卸力的作用。每个第一反射镜10可通过支架焊接固定在每个抛物面聚光镜1上，或者M×N个第一反射镜10通过整体支架一同焊接在上述镜阵上。在本实用新型其它实施方式中，也可采用其他方式固定。

下层结构为M×N个反射镜阵，由M×N个固定镜片2呈旋转抛物面网状分布，并且固定镜片2的设置方向使得能够最终形成一个汇聚焦点，M×N个固定镜片2可通过网状支架共同设置在上述整个镜阵下方，共同组成一个抛物面镜片组件3，每个固定镜片2对应设置在每个抛物面聚光镜1的第一通孔11下方，即在通过每个第一通孔11的光路方向上，设置一个固定镜片2，用于将经过第一通孔11的第一光柱12进行反射，所述抛物面镜片组件3与镜阵构成一体，以保证绝对同步跟踪投射下来的第一光柱12。抛物面镜片组件3的聚合焦点处设有一个微型第二反射镜30，上层的M×N个平衡光柱12经抛物面镜片组件3汇聚至第二反射镜30后，形成一条集束光柱——第二光柱32，并且网状抛物面镜片组件3的底部中央具有供集束光柱32穿过的通路31。

抛物面镜片组件3为能够聚焦的曲面旋转抛物面，其曲面弧度根据M和N的个数以及第二反射镜30焦点的位置而定。每个第二反射镜20通过支架与抛物面镜片组件3固定连接，或直接固定在镜阵上。在本实用新型其它实施方式中，也可采用其他方式固定连接。

在本实用新型实施方式中，每个第一通孔11设置在每个抛物面聚光镜1的底部中央；在本实用新型其它实施方式中，第一通孔11以及通路31的设置位置可根据需要或集热器所在位置进行选择。但若第一通孔11不设在底部中间，则第一反射镜10需换成双曲面或多曲面反射镜。

图5所示为本实用新型太阳能集束聚光镜阵系统的另一实施方式。该实施方式中，与第一种实施方式的不同点为：下层的M×N个固定镜片2呈层状和网状分布，也就是将每个固定镜片2通过一个支柱20连接至镜阵的每个抛物面聚光镜1的下方，使得M×N个固定镜片2分布在不同层上，但始终保持M×N个固定镜片2组成的镜片组件能够汇聚形成一个焦点，并且在该焦点处设置一个第二反射镜30，将上层的M×N个平衡光柱12经M×N个固定镜片2组成的镜片组件3汇聚至第二反射镜30后，反射形成一条集束光柱——第二光柱32。可集束光柱32的光路方向上直接设置太阳能集热器，单一的固定镜片2可以方便日常维护。

在本实用新型实施方式中，第一反射镜10、第二反射镜30皆为微型凹面镜。

本实用新型的整个太阳能集束聚光镜阵系统中，首先通过具有通孔的抛物面聚光镜1和第一反射镜10将太阳光集合成M×N个第一光柱12；然后采用M×N个固定镜片2组成的镜片组件，将M×N个第一光柱12汇聚形成一个焦点，用第二反射镜30设置在焦点处，反射形成一条集束光柱32。

可在集束光柱32的光路方向上设置一个反光镜(未图示)，反光镜可通过两个微型数控电机进行控制，从而将这唯一的集束光柱32通过反光镜按任意方向正面投射至太阳能集热器，此时太阳能集热器为固定不动，这样即可实现M×N＝1的集束聚光系统，即M×N个抛物面聚光镜1仅采用一个控制单元实现太阳能聚光发电；当然也可在光柱32的下方直接安装太阳能集热器，使得太阳能集热器跟随整个镜阵转动。

以上所述，仅是用以说明本实用新型的具体实施案例而已，并非用以限定本实用新型的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本实用新型所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本实用新型权利要求的范围所覆盖。

Claims (10)

1.一种太阳能集束聚光支撑装置，其设置在集束聚光镜阵上，其特征在于，包括：

控制镜阵翻转的转动组件（4），其包括固定柱（40）、横杆（41）、半圆形转轮（42）以及步进电机（43），固定柱（40）与横杆（41）垂直连接，横杆（41）与镜阵可转动连接，转轮（42）外围设有细齿，且转轮（42）的两端与镜阵的两端可转动连接，固定柱（40）上设有步进电机（43），与转轮（42）的细齿相配合；

控制镜阵倾角的升降组件（5），设置在镜阵与所述转动组件（4）相对的一侧，其包括液压升降柱（50）、数控电机、横梁（51）、滚珠轴套（52）以及滚珠(53)，所述横梁（51）的一端与镜阵固定连接，滚珠轴套（52）的上部分套设在横梁（51）上，滚珠（53）设置在滚珠轴套（52）的下部分中且能够在其中自由转动，滚珠轴套（52）的底部具有通槽，数控电机控制液压升降柱（50）的升降，且液压升降柱（50）能够在所述通槽内自由移动。

2.如权利要求1所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：所述横杆（41）与镜阵之间通过滚珠轴承（44）转动连接。

3.如权利要求2所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：所述转轮（42）的两端分别通过一个滚珠轴承（45）与镜阵的两端转动连接。

4.如权利要求1所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：所述滚珠轴套（52）的下部分具有容纳滚珠（53）并使其自由转动的球形容纳腔（54）。

5.如权利要求1所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：所述通槽沿横梁（51）的长度方向设置。

6.如权利要求1所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：转动组件 （4）的步进电机（43）和升降组件（5）的数控电机通过集成线路与计算机控制系统相连。

7.如权利要求1所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：

所述镜阵具有M排×N列个聚光镜单元，每个所述聚光镜单元包括一个底部设有第一通孔（11）的抛物面聚光镜（1），以及设置在每个抛物面聚光镜（1）聚光焦点处并能够将经抛物面聚光镜（1）聚合的太阳光平衡反射穿过第一通孔（11）的第一反射镜（10）；

在通过每个第一通孔（11）的光路方向上，设有一个固定镜片（2），所述固定镜片（2）具有共同的聚光焦点，在所述固定镜片（2）的聚光焦点处设有第二反射镜（20），其能够将经所述固定镜片（2）聚合的焦点光平衡反射形成集束光柱。

8.如权利要求7所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：所述固定镜片（2）为呈旋转抛物面网状分布的镜片组件，且在所述旋转抛物面的镜片组件底部中央设有能够通过所述集束光柱的通路（31）。

9.如权利要求7所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：所述镜片组件为呈层状和网状分布的固定镜片（2）。

10.如权利要求7所述的太阳能集束聚光支撑装置，其特征在于：所述第一反射镜和第二反射镜皆为微型凹面镜。 

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