CN206133100U - 一种用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜 - Google Patents

一种用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，包括：反射镜、反射镜支撑件、桁架、桁架固定器、液压驱动系统、万向节、立柱以及控制器；反射镜的背面与反射镜支撑件连接在一起，形成聚光定日镜的子镜；桁架连接在桁架固定器上，多个桁架从位于中心处的桁架固定器向外辐射，形成伞形支撑；多个聚光定日镜的子镜固定连接在成伞形支撑的桁架上；桁架固定器与万向节的一端固定连接，万向节的另一端与立柱固定连接，使得定日镜能够在水平和俯仰两个维度自由转动；液压驱动系统包括液压推杆，液压推杆中的一支的一端连接在立柱上，另一端连接在桁架上，另一支的一端连接在万向节上，另一端连接在桁架上；控制器用于控制液压驱动系统；立柱立在地面上。

Description

一种用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜
技术领域
本实用新型涉及太阳能热利用领域，特别涉及一种用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜。
背景技术
太阳能资源是本世纪能源问题的重要解决方案。太阳能热发电有别于太阳能电池发电，具备廉价的储能优势，电力输出能力稳定，在太阳能资源大规模利用方面有其独特优势。太阳能热发电主要有槽式、塔式、菲涅尔式和蝶式四种。其中塔式太阳能热发电系统利用数量庞大的定日镜将太阳光反射到高塔上的吸热器，加热工质，将光能转化为热能。用于塔式太阳能热发电领域的工质主要由熔盐、水、空气(CO2)等物质，工质带出的热量可以通过汽轮机及配套的热工系统、电力系统，被转化为电能，实现太阳能从光到电的转化，也可以在其他热利用领域被直接利用。
定日镜在塔式太阳能热利用系统中起到将光照反射汇聚到吸热器的功能，是系统的重要组成部分。定日镜可以根据太阳的方位、吸热塔的相对位置，确定本身的姿态，将太阳光有效反射到吸热塔指定位置。
定日镜的主要组成部分包括：反射镜面、支架结构、驱动系统、控制系统、立柱和基础。
单个定日镜的关键参数包括反射面积、承载风压、面型精度。反射面积越大，单位面积所需控制驱动设备的数量越少，但承载载荷增大，对驱动和支撑结构的要求更高，目前在本领域定日镜面积从2m2-178m2不等均有生产；承载风压越大，说明定日镜可以承受更大的风载，在一定的自然环境条件下工作时间更长，发电量更大；面型精度更好，说明更多的反射光线可以投射到指定方向，光学效率更高，光斑质量越好。
太阳能热利用系统的镜场是由数目庞大的定日镜按照一定规律排布而成。为保证足够高的光学效率需要确保前后排定日镜不互相遮挡，前后排定日镜应保持合理间距。定日镜在追日过程中，镜面会以支撑点为中心自由旋转，占地面积为以立柱为中心的定日镜外接圆形，定日镜左右间距不宜太短。
目前市场上的定日镜大多为多面子镜通过精密加工拼接成一面定日镜，形状主要为正方形或近似正方形的矩形。这种定日镜组装工艺复杂，在风力作用下会发生左右激振，另外由于前后遮挡，镜场光学效率较低，矩形定日镜外接圆尺寸偏大，单位定日镜占地面积大，对应总镜场占地面积较大，镜场成本较高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有定日镜光学效率较低、镜场占地面积大的缺陷，从而提供一种六边形的光斑可调的新型定日镜。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，包括：反射镜1、反射镜支撑件13、桁架4、桁架固定器9、液压驱动系统、万向节11、立柱2以及控制器5；其中，
所述反射镜1的背面与所述反射镜支撑件13连接在一起，形成聚光定日镜的子镜；所述桁架4连接在所述桁架固定器9上，多个桁架4从位于中心处的所述桁架固定器9向外辐射，形成伞形支撑；多个聚光定日镜的子镜固定连接在成伞形支撑的桁架4上；所述桁架固定器9与所述万向节11的一端固定连接，所述万向节11的另一端与所述立柱2固定连接，使得定日镜能够在水平和俯仰两个维度自由转动；所述液压驱动系统包括液压推杆，所述液压推杆中的一支的一端连接在所述立柱2上，另一端连接在所述桁架4上，另一支的一端连接在所述万向节11上，另一端连接在所述桁架4上；所述控制器5用于控制所述液压驱动系统；所述立柱2立在地面上。
上述技术方案中，多个聚光定日镜的子镜拼接在一起，形成聚光定日镜的镜面，所述聚光定日镜的镜面的形状为正六边形。
上述技术方案中，所述反射镜1的形状为一直角梯形。
上述技术方案中，在一块所述反射镜1上连接有多个所述反射镜支撑件13，这些反射镜支撑件13在所述反射镜1上采用非均匀布置的排布方式，即靠近定日镜中心一侧，所述反射镜支撑件13排布较疏松，远离定日镜中心一侧，所述反射镜支撑件13排布较密集。
上述技术方案中，所述桁架4的上方安装有能调节固定高度的双头螺柱17；所述反射镜支撑件13与所述桁架4连接时，双头螺柱17的螺栓与一中间金属片16固定连接；所述中间金属片16两端开孔，通过摩擦型螺栓与两侧的反射镜支撑件13连接。
上述技术方案中，多个聚光定日镜的子镜拼接在一起，形成聚光定日镜的镜面；所述聚光定日镜的镜面为一微凹的反射面，通过调节所述双头螺柱17的高度能够调节定日镜镜面的面形，从而调节所述微凹的反射面的焦距。
上述技术方案中，所述反射镜支撑件13为矩形管，其两侧伸出金属薄板，在所述金属薄板上开有能够补偿定日镜子镜安装误差的椭圆孔。
上述技术方案中，所述桁架4为平面桁架，与所述桁架固定器9有上下两个固定点；所述桁架4有两种类型，长桁架与短桁架；其中，长桁架布置在外接圆半径，短桁架布置在内切圆半径。
上述技术方案中，所述桁架固定器9为圆台形，其上下两个面筋板伸出部分用于固定所述桁架4，上方固定板较大，下方固定板较小，中间由筋板固定。
上述技术方案中，所述万向节11有两个轴，分别为万向节A轴15、万向节B轴14；所述液压驱动系统中所包含的液压推杆至少有两支，分别为第一液压推杆8、第二液压推杆6；其中的所述第一液压推杆8用于控制所述万向节A轴15的转动，其一端固定在万向节A轴15上，另一端固定在所述桁架4上；所述第二液压推杆6用于控制万向节B轴14的转动，其一端固定在所述立柱2上，另一端固定在所述桁架4上。
上述技术方案中，所述第二液压推杆6通过万向节或球连接将其一端固定在所述桁架4上。
上述技术方案中，所述控制器5通过对所述液压驱动系统的控制调节定日镜的反射面方向。
上述技术方案中，所述控制器5还包含无线接收发射模块，用于与全镜场的控制器互联。
上述技术方案中，所述控制器5和液压驱动系统的供电由固定在桁架固定器9上的六边形太阳能电池板提供。
本实用新型的优点在于：
1、本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜的镜面形状为六边形，较现有技术中最为常见的矩形定日镜，无论是在占地面积、遮挡效率、镜场光学效率上都有所改善；
2、本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜采用接近三角形的直角梯形玻璃，可以由矩形玻璃原料切割而成，几乎无边角料，成本较低；且直角梯形近似三角形，由于三角形稳定性更高，所以这一形状也有利于定日镜反射面形状的精确调整和保持；
3、本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜的背面与反射镜支撑件粘接，靠近定日镜中心反射镜支撑件分布更疏松，远离定日镜中心反射镜支撑见分布更紧密，可以保证反射镜承受的风载荷重力载荷更均匀的传递到桁架上，变形更小；
4、本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜的桁架结构为辐射伞形支撑，其重量主要集中在定日镜中间部分，固有振动频率更高，集中在结构中心。这使得在风力作用下，定日镜的振动类型更稳定。
5、本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜能够调节定日镜镜面面型，从而调节定日镜焦距，使得聚光效果更好。
7、本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜的桁架结构采用太阳能电池直接供电，无线电信息传输。大幅减少光场三网铺设费用。
附图说明
图1是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜的正面图；
图2是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜的背面图；
图3是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中背面部分的放大示意图；
图4是玻璃加工示意图；
图5是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中子镜粘接方式的示意图；
图6是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中子镜与桁架固定连接的示意图；
图7是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中桁架与桁架固定装置的连接示意图；
图8是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中万向节的示意图；
图9是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中第一液压推杆的固定方式的示意图；
图10是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中第二液压推杆与桁架的连接示意图；
图11是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中第二液压推杆与立柱的连接示意图；
图12是本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜中的太阳能电池板的安装示意图；
图13是正六边形定日镜与正方形定日镜占地面积比较图；
图14是正六边形定日镜与正方形定日镜遮挡效率比较图。
图面说明
1 反射镜 2 立柱
3 太阳能电池板 4 桁架
5 控制器 6 第二液压推杆
7 第二液压推杆立柱固定万向节 8 第一液压推杆
9 桁架固定器 10 第二液压推杆固定万向节
11 万向节 12 第一液压推杆桁架固定器
13 反射镜支撑件 14 万向节B轴
15 万向节A轴 16 中间金属片
17 双头螺柱
具体实施方式
现结合附图对本实用新型作进一步的描述。
参考图1、图2和图3，本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜用于跟随太阳方位，将入射太阳光反射并聚焦在吸热器上，其包括：反射镜1、反射镜支撑件13、桁架4、桁架固定器9、液压驱动系统、万向节11、立柱2以及控制器5；其中，所述反射镜1的背面与反射镜支撑件13连接在一起，形成聚光定日镜的子镜；所述桁架4连接在桁架固定器9上，多个桁架4从位于中心处的桁架固定器9向外辐射，形成伞形支撑；多个聚光定日镜的子镜固定连接在成伞形支撑的桁架4上；所述桁架固定器9与所述万向节11的一端固定连接，所述万向节11的另一端与立柱2固定连接，使得定日镜能够在水平和俯仰两个维度自由转动；所述液压驱动系统包括液压推杆、液压站，所述液压推杆中的一支的一端连接在立柱2上，另一端连接在桁架4上，另一支的一端连接在万向节上，另一端连接在桁架上；所述控制器5用于控制液压驱动系统；所述立柱2立在地面上。
下面对聚光定日镜中的各个部件做进一步的说明。
所述反射镜1的形状为一直角梯形，该直角梯形另外两角的角度分别为60°和120°。如图4所示，反射镜1的这一形状使得其在做玻璃切割加工时不会产生边角废料，成本较低。此直角梯形近似三角形，由于三角形稳定性更高，所以反射镜1的这一形状也有利于定日镜反射面形状的精确调整和保持。
参考图5，反射镜支撑件13以胶粘接的方式固定在反射镜1的背面。在图5所示的实施例中，反射镜支撑件13为矩形管，但在实际使用中不限于此，在其他实施例中还可以使用角钢或其他型材作为反射镜支撑件。结合图1可以看出，在一块反射镜1上粘接有多个反射镜支撑件13，这些反射镜支撑件13在反射镜1上采用非均匀布置的排布方式，即靠近定日镜中心(直角梯形短边)一侧，反射镜支撑件13排布较疏松，远离定日镜中心(直角梯形长边)一侧，反射镜支撑件13排布较密集。这一排布方式可以保证反射镜1承受的风载荷重力载荷更均匀的传递到桁架4上，使得整个定日镜的变形更小。
所述反射镜1与反射镜支撑件13连接在一起，形成聚光定日镜的子镜。多个聚光定日镜的子镜拼接在一起，形成正六边形的聚光定日镜镜面。在图1-图3所示的实施例中，聚光定日镜的子镜共有12片，由这12片子镜共同组成一个微凹的反射面。在其他实施例中，子镜的数目可以根据其他因素而变化，如玻璃的加工难度、边角料、桁架的数目、支承方式等。作为一种优选实现方式，在图1-图3所示的实施例中，定日镜镜面的形状为正六边形。但不限于此，定日镜镜面的形状还可以为其他非正六边形。
定日镜子镜的反射镜支撑件13与桁架4连接。在图5所示实施例中，作为反射镜支撑件13的矩形管的两侧伸出金属薄板，这一金属薄板上开有椭圆孔。图6为反射镜支撑件13与桁架4的连接示意图，如图所示，桁架4的上方安装有可调节固定高度的双头螺柱17，螺栓与中间金属片16固定连接。中间金属片16两端开孔，用于与两侧的反射镜支撑件13的金属薄板连接。之前提到，反射镜支撑件13两侧的金属薄板上开有椭圆孔，该椭圆孔能够补偿定日镜子镜的安装误差。中间金属片16两端的孔与金属薄板上的椭圆孔使用摩擦型螺栓连接。
定日镜镜面非平面。光热发电系统的镜场由数目庞大的定日镜组成，这些定日镜按照圆弧交错方式布置。为了实现最佳的聚焦效果，按照距离吸热塔位置的不同，定日镜应该有不同的焦距，从而应当有不同的定日镜面型。因此在定日镜安装过程中，针对不同布置方位的定日镜，需要分别计算出该定日镜的目标面型所对应的双头螺柱高度，然后通过调节桁架4上的双头螺柱17的高度，使镜面面型达到目标值。
桁架固定器9为圆台形，上下两个面筋板伸出部分用于固定桁架4，上方固定板较大，下方固定板较小，中间由筋板固定。
图7(a)和图7(b)为桁架4与桁架固定器9的连接示意图。桁架4为平面桁架，与桁架固定器9有上下两个固定点。桁架有两种类型，长桁架与短桁架；其中，长桁架布置在外接圆半径，短桁架布置在内切圆半径。其中长桁架固定点布置两个螺栓，短桁架固定点布置一个螺栓。
在图7所示的实施例中，桁架4由矩形管焊接制作成型，但不限于此，在其他实施例中也可以使用角钢、工字钢等型材。
如图8所示，万向节11有两个轴，分别为万向节A轴15、万向节B轴14；与之相对应的，作为一种优选实现方式，所述液压驱动系统中所包含的液压推杆共有两支，分别为第一液压推杆8、第二液压推杆6；其中的第一液压推杆8用于控制万向节A轴15的转动，如图9所示，其一端固定在万向节A轴(15)上，另一端通过第一液压推杆桁架固定器12固定在桁架4上。第二液压推杆6用于控制万向节B轴14的转动，如图10和图11所示，其一端通过第二液压推杆立柱固定万向节7固定在立柱2上，另一端通过第二液压推杆固定万向节10固定在桁架4上。虽然在上述实施例中，液压推杆在桁架4上的固定点采用万向节固定，但不限于此，也可以使用球连接。在其它实施例中，所述液压驱动系统中的液压推杆的数目也可不限于两支，如三支或更多，但至少应保证有一支液压推杆作用在万向节A轴15或万向节B轴14上。
控制器5能够实现对液压驱动系统的控制。在定日镜工作过程中，随着太阳方位的变化，为了实现最佳的太阳光聚焦效果，需要对定日镜的反射面方向进行调整，定日镜反射面的方向可由控制器5控制液压驱动系统调节。通过控制器的计算，在不同时刻，调节液压推杆的行程，使反射面将近似平行的入射太阳光反射到指定位置。控制器5可采用单片机实现。控制器5还可包含无线接收发射模块，用于与全镜场的控制器互联。
定日镜供电模式为太阳能电池板供电。控制器5和液压驱动系统的供电来自太阳能电池板和直流电池。如图12所示，太阳能电池板3安装在中间桁架固定器上方，形状为正六边形。
本实用新型的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜的镜面形状为六边形，较现有技术中最为常见的矩形定日镜，这一形状的聚光定日镜无论是在占地面积、遮挡效率、镜场光学效率上都有所改善。
首先就占地面积进行比较。在进行定日镜的排布时，定日镜的最小占地面积为定日镜所在的干涉圆柱区。即定日镜在围绕中心点转动时运动的范围，如果两个定日镜干涉圆柱区重叠，会发生碰撞和损毁。此干涉圆柱的向地面投影的面积为定日镜面型的外接圆对应面积。
参考附图13，本实用新型的六边形定日镜相比于矩形定日镜，相同反光面积下外接圆半径更小，单面定日镜节省了约20％的占地面积，有效降低左右定日镜安装距离。
面积为S的正六边形与正方形的外接圆半径比较：
D六＝0.877D四,S六＝0.770S四。
其中D六和D四分别是六边形和正方形外接圆的直径，S六和S四分别是六边形和正方形外接圆的面积。
其次就遮光效率进行比较。本实用新型的六边形定日镜在按照圆弧交错方式排布时，前后遮挡面积更小，可以有效降低前后定日镜的安装距离。在附图14中的排布模式下，正方形的遮挡效率要低6.5％。因此，六边形定日镜的镜场布置密度更高，相同占地面积的镜场，定日镜反光面积更大。
最后就镜场的光学效率进行比较。镜场的光学效率主要与余弦效率有关。在北半球，余弦效率在吸热塔北侧的中间区域取到最高，由于本实用新型的定日镜布置密度高，相同的定日镜反光面积前提下，本实用新型的定日镜可以更多的布置在光学效率更高的区域，所以相对于矩形定日镜，本实用新型的定日镜组成的镜场光学效率更高。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，包括：反射镜(1)、反射镜支撑件(13)、桁架(4)、桁架固定器(9)、液压驱动系统、万向节(11)、立柱(2)以及控制器(5)；其中，
所述反射镜(1)的背面与所述反射镜支撑件(13)连接在一起，形成聚光定日镜的子镜；所述桁架(4)连接在所述桁架固定器(9)上，多个桁架(4)从位于中心处的所述桁架固定器(9)向外辐射，形成伞形支撑；多个聚光定日镜的子镜固定连接在成伞形支撑的桁架(4)上；所述桁架固定器(9)与所述万向节(11)的一端固定连接，所述万向节(11)的另一端与所述立柱(2)固定连接，使得定日镜能够在水平和俯仰两个维度自由转动；所述液压驱动系统包括液压推杆，所述液压推杆中的一支的一端连接在所述立柱(2)上，另一端连接在所述桁架(4)上，另一支的一端连接在所述万向节(11)上，另一端连接在所述桁架(4)上；所述控制器(5)用于控制所述液压驱动系统；所述立柱(2)立在地面上。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，多个聚光定日镜的子镜拼接在一起，形成聚光定日镜的镜面，所述聚光定日镜的镜面的形状为正六边形。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述反射镜(1)的形状为一直角梯形。
4.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，在一块所述反射镜(1)上连接有多个所述反射镜支撑件(13)，这些反射镜支撑件(13)在所述反射镜(1)上采用非均匀布置的排布方式，即靠近定日镜中心一侧，所述反射镜支撑件(13)排布较疏松，远离定日镜中心一侧，所述反射镜支撑件(13)排布较密集。
5.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述桁架(4)的上方安装有能调节固定高度的双头螺柱(17)；所述反射镜支撑件(13)与所述桁架(4)连接时，双头螺柱(17)的螺栓与一中间金属片(16)固定连接；所述中间金属片(16)两端开孔，通过摩擦型螺栓与两侧的反射镜支撑件(13)连接。
6.根据权利要求5所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，多个聚光定日镜的子镜拼接在一起，形成聚光定日镜的镜面；所述聚光定日镜的镜面为一微凹的反射面，通过调节所述双头螺柱(17)的高度能够调节定日镜镜面的面形，从而调节所述微凹的反射面的焦距。
7.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述反射镜支撑件(13)为矩形管，其两侧伸出金属薄板，在所述金属薄板上开有能够补偿定日镜子镜安装误差的椭圆孔。
8.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述桁架(4)为平面桁架，与所述桁架固定器(9)有上下两个固定点；所述桁架(4)有两种类型，长桁架与短桁架；其中，长桁架布置在外接圆半径，短桁架布置在内切圆半径。
9.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述桁架固定器(9)为圆台形，其上下两个面筋板伸出部分用于固定所述桁架(4)，上方固定板较大，下方固定板较小，中间由筋板固定。
10.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述万向节(11)有两个轴，分别为万向节A轴(15)、万向节B轴(14)；所述液压驱动系统中所包含的液压推杆至少有两支，分别为第一液压推杆(8)、第二液压推杆(6)；其中的所述第一液压推杆(8)用于控制所述万向节A轴(15)的转动，其一端固定在万向节A轴(15)上，另一端固定在所述桁架(4)上；所述第二液压推杆(6)用于控制万向节B轴(14)的转动，其一端固定在所述立柱(2)上，另一端固定在所述桁架(4)上。
11.根据权利要求10所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述第二液压推杆(6)通过万向节或球连接将其一端固定在所述桁架(4)上。
12.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述控制器(5)通过对所述液压驱动系统的控制调节定日镜的反射面方向。
13.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述控制器(5)还包含无线接收发射模块，用于与全镜场的控制器互联。
14.根据权利要求1所述的用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜，其特征在于，所述控制器(5)和液压驱动系统的供电由固定在桁架固定器(9)上的六边形太阳能电池板提供。
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CN106019530A (zh) * 2016-08-01 2016-10-12 首航节能光热技术股份有限公司 一种用于太阳能塔式热利用的聚光定日镜
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