RU2060518C1

RU2060518C1 - Large-size reduced-weight composite mirror

Info

Publication number: RU2060518C1
Application number: RU93009701A
Authority: RU
Inventors: В.А. Алексеев; З.И.о. Ашурлы; С.В. Науменко; В.Г. Сон
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Астросолар"
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: optical instrument engineering. SUBSTANCE: mirror has hgollow polyhedrals in its base connected together. There are elements with flat optical surfaces at top bases of polyhedrals. Mirror is made in the form of concentrator. Polyhedrals are made in the form of regular truncated hexahedral piramids. Side faces of pyramids are oriented to plane of top base of corresponding pyramid at an angle chosen from relation given in description of invention. Mirror is characterized by improved stiffness, thermal stability. EFFECT: improved adaptibility for manufacture; higher degree of concentration of focal point. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и гелиотехнике, а именно к оптическим зеркалам составной конструкции, характеризующимся повышенной жесткостью, термостойкостью и термостабильностью, и может быть использовано при изготовлении концентраторов солнечного излучения. The invention relates to optical instrumentation and solar engineering, namely to optical mirrors of a composite structure, characterized by increased rigidity, heat resistance and thermal stability, and can be used in the manufacture of solar radiation concentrators.

В настоящее время проблема получения экологически чистых, доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди таких источников энергии по неисчерпаемости и доступности занимает солнечная энергия. Крупногабаритные зеркала составной конструкции, используемые в настоящее время для концентрации солнечного излучения, являются либо недостаточно жесткими, термостойкими и термостабильными, либо состыковка и взаимное крепление оснований составных элементов с оптической поверхностью при образовании концентратора вызывают часто трудно преодолимые препятствия. Currently, the problem of obtaining environmentally friendly, affordable and cheap energy sources has become quite acute. A special place among such energy sources in terms of inexhaustibility and accessibility is solar energy. Oversized mirrors of a composite structure, currently used for the concentration of solar radiation, are either not rigid enough, heat-resistant, and thermostable, or the joining and mutual fastening of the bases of the constituent elements with the optical surface during the formation of the concentrator often cause difficult obstacles to overcome.

Известен концентратор солнечного излучения, содержащий несущий каркас и установленные на нем при помощи юстировочных узлов расположенные прямолинейно ряды фацет, имеющие цилиндрическую поверхность и совмещенные минимальные сечения отраженных ими потоков солнечного излучения [1]
Однако несущий каркас известного концентратора солнечного излучения обладает недостаточной жесткостью, термостойкостью и термостабильностью, в результате чего при воздействии на концентратор, например, резких перепадов температур, ветра и т.п. происходит расфокусировка фацет концентратора на приемник солнечного излучения и, как следствие, снижение эффективности концентратора в целом. При этом наличие юстировочных устройств не позволяет вновь быстро фокусировать значительное число фацет особенно при быстрых сменах воздействующих факторов, приводящих к расфокусированию фацет.A well-known solar radiation concentrator containing a supporting frame and installed on it with the help of alignment nodes arranged in straight rows of bevels having a cylindrical surface and combined minimum sections of the reflected solar radiation flux [1]
However, the supporting frame of the known solar concentrator has insufficient rigidity, heat resistance and thermal stability, resulting in exposure to the hub, for example, sudden changes in temperature, wind, etc. there is a defocusing of the facet of the concentrator on the solar radiation receiver and, as a result, a decrease in the efficiency of the concentrator as a whole. At the same time, the presence of adjustment devices does not allow again to quickly focus a significant number of facets, especially with quick changes in the factors that lead to defocusing of the facets.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является крупногабаритное зеркало составной конструкции, содержащее в основании скрепленные между собой пустотелые многогранные призмы, изготовленные в виде перевернутых стаканов, в вершинах оснований которых выполнены углубления в виде секторов цилиндров с общим радиусом и центрами в точках совмещения вершин, а в углублениях выполнено по одному отверстию, в каждое из которых входит штырь сопрягаемого диска, выполненного в виде цилиндра, имеющего радиус и высоту, соответсвтенно равные радиусу и высоте цилиндрических углублений в вершинах оснований призм, причем на эти основания и на выполненные с ними заподлицо основания и на выполненные с ними заподлицо основания сопрягающих дисков, образующие общую непрерывную плоскость, нанесен слой, внешняя поверхность которого оптически обработана, а крепление всех элементов между собой осуществлено посредством припоя [2]
Однако известное крупногабаритное облегченное зеркало составной конструкции не позволяет получать концентратор солнечного излучения из-за невозможности состыковки и взаимного крепления оснований составных элементов с оптической поверхностью такого зеркала. Причем отсутствие юстировочных устройств оптического слоя делает невозможным создание концентрирующего зеркала из отдельных оптических элементов.The closest in technical essence (prototype) is a large-sized mirror of a composite structure, containing hollow multifaceted prisms bonded to each other in the form of inverted glasses, at the tops of the bases of which recesses are made in the form of sectors of cylinders with a common radius and centers at the points where the vertices coincide, and in the recesses, one hole is made, each of which includes a pin of the mating disk, made in the form of a cylinder having a radius and height, respectively the radius and height of the cylindrical recesses at the tops of the bases of the prisms, moreover, on these bases and on the bases made flush with them and on the bases made with them flush with the mating disks forming a common continuous plane, a layer is applied, the outer surface of which is optically processed, and the fastening of all elements interconnected by solder [2]
However, the known large-sized lightweight mirror of a composite structure does not allow to obtain a solar radiation concentrator due to the impossibility of joining and mutual fixing of the bases of the constituent elements with the optical surface of such a mirror. Moreover, the absence of alignment devices of the optical layer makes it impossible to create a concentrating mirror from individual optical elements.

Цель изобретения повышение технологичности изготовления и регулирования форм при обеспечении высокой концентрированности фокального пятна концентрирующего зеркала составной конструкции. The purpose of the invention is to increase the manufacturability of manufacture and regulation of forms while ensuring high concentration of the focal spot of the concentrating mirror of the composite structure.

Цель достигается тем, что в крупногабаритном облегченном зеркале составной конструкции, содержащем в основании скрепленные между собой пустотелые многогранники с размещенными на их верхних основаниях элементами с плоской оптической поверхностью, зеркало выполнено в виде концентратора, многогранники выполнены в виде правильных усеченных шестигранных пирамид, при этом их боковые грани ориентированы к плоскости верхнего основания соответствующей усеченной пирамиды под углом Φ выбранным из следующего соотношения:
cosΦ

•

где d диаметр окружности, вписанный в элемент с оптической поверхностью;
Δ- минимальный зазор между смежными элементами при расположении их оптической оси по нормали к соответствующему верхнему основанию усеченной пирамиды;
L кратчайшее расстояние от места сведения отраженных от оптических элементов пучков излучения до соответствующих верхних оснований усеченных пирамид при расположении оптической оси элементов по нормали к верхнему основанию, а оптические элементы установлены с возможностью юстировки.The goal is achieved in that in a large-sized lightweight mirror of a composite structure containing hollow polyhedrons fastened to each other with elements with a flat optical surface located on their upper bases, the mirror is made in the form of a concentrator, polyhedra are made in the form of regular truncated hexagonal pyramids, while the side faces are oriented to the plane of the upper base of the corresponding truncated pyramid at an angle Φ selected from the following relation:
cosΦ

•

where d is the diameter of a circle inscribed in an element with an optical surface;
Δ is the minimum gap between adjacent elements when their optical axis is located normal to the corresponding upper base of the truncated pyramid;
L is the shortest distance from the place of convergence of the radiation beams reflected from the optical elements to the corresponding upper bases of the truncated pyramids when the optical axis of the elements is normal to the upper base, and the optical elements are installed with the possibility of alignment.

Элементы могут быть выполнены с криволинейной формой оптической поверхности, при этом угол Φ выбирают из следующего соотношения:
cosΦ

•

где R_о радиус кривизны оптической поверхности элемента;
h минимальное расстояние между оптической поверхностью элемента и верхним основанием соответствующей усеченной пирамиды.Elements can be made with a curved shape of the optical surface, and the angle Φ is selected from the following relation:
cosΦ

•

where R _{about the} radius of curvature of the optical surface of the element;
h is the minimum distance between the optical surface of the element and the upper base of the corresponding truncated pyramid.

На фиг. 1 показана принципиальная схема крупногабаритного облегченного зеркала составной конструкции; на фиг. 2 то же, с криволинейными оптическими элементами. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a large-sized lightweight mirror of a composite structure; in FIG. 2 the same, with curved optical elements.

Крупногабаритное облегченное зеркало в виде концентратора 1 составной конструкции содержит в основании скрепленные между собой пустотелые правильные усеченные шестигранные пирамиды 2 с размещенными на их верхних основаниях 3 элементами 4 с плоской оптической поверхностью 5, установленные с возможностью юстировки устройством 6, при этом боковые грани 7 пирамид 2 ориентированы к плоскости верхнего основания 3 соответствующей усеченной пирамиды 2 под углом Φ, выбранным из следующего соотношения:
cosΦ

•

где d диаметр окружности, вписанный в элемент 4 с оптической поверхностью 5;
Δ- минимальный зазор между смежными элементами 4 при расположении их оптической оси по нормали к соответствующему верхнему основанию усеченной пирамиды;
L кратчайшее расстояние от места сведения 8 отраженных от оптических элементов 4 пучков излучения до соответствующих верхних оснований 3 усеченных пирамид 2 при расположении оптической оси элементов по нормали к верхнему основанию.A large-sized lightweight mirror in the form of a concentrator 1 of a composite structure contains, at the base, hollow regular truncated hexagonal pyramids 2 fastened together with 3 elements 4 with a flat optical surface 5 located on their upper bases and mounted with the possibility of adjustment by device 6, while the side faces 7 of the pyramids 2 oriented to the plane of the upper base 3 of the corresponding truncated pyramid 2 at an angle Φ selected from the following relation:
cosΦ

•

where d is the diameter of the circle inscribed in the element 4 with the optical surface 5;
Δ is the minimum gap between adjacent elements 4 when their optical axis is located normal to the corresponding upper base of the truncated pyramid;
L is the shortest distance from the point of convergence 8 of the radiation beams reflected from the optical elements 4 to the corresponding upper bases 3 of the truncated pyramids 2 when the optical axis of the elements is normal to the upper base.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема аналогичного крупногабаритного облегченного зеркала составной конструкции с элементами 4 с криволинейной формой оптической поверхности 9, при этом угол Φ выбирают из следующего соотношения:
cosΦ

•

где R_o радиус кривизны оптической поверхности 9 элемента 4;
h минимальное расстояние между оптической поверхностью 9 элемента 4 и соответствующим верхним основанием 3 усеченной пирамиды 2.In FIG. 2 is a schematic diagram of a similar large-sized lightweight mirror of a composite structure with elements 4 with a curved shape of the optical surface 9, while the angle Φ is selected from the following relation:
cosΦ

•

where R _{o the} radius of curvature of the optical surface 9 of the element 4;
h is the minimum distance between the optical surface 9 of element 4 and the corresponding upper base 3 of truncated pyramid 2.

В качестве элемента 4 применяют, например, элемент с отражающей поверхностью (коэффициент отражения в видимой области спектра 82-84%), выполненный из сплава алюминия АМГ-6 и оптически обработанный по стандартной технологии, например, методом алмазного точения. As element 4, for example, an element with a reflecting surface (reflection coefficient in the visible region of the spectrum 82-84%) made of an AMG-6 aluminum alloy and optically processed using standard technology, for example, by diamond turning, is used.

В качестве правильных усеченных пустотелых пирамид 2 используют, например, литьевые формы из сплава алюминия АЛ-24, отлитые по стандартной технологии в формах, обеспечивающих формирование боковых граней 7, ориентированных под углом к верхнему основанию 3 пирамид 2, а также пустотелость пирамид. As the correct truncated hollow pyramids 2, for example, injection molds made from AL-24 aluminum alloy are used, cast according to standard technology in molds that ensure the formation of side faces 7 oriented at an angle to the upper base 3 of pyramids 2, as well as the hollowness of the pyramids.

Численный расчет концентраторов приводится ниже. The numerical calculation of the concentrators is given below.

Концентратор с плоскими отражательными элементами: d=360 мм, Δ=10 мм, L= 3000 мм, угол Φ=91^о30'.Concentrator with flat reflective elements: d = 360 mm, Δ = 10 mm, L = 3000 mm, angle Φ = 91 ^about 30 '.

Концентратор со сферическими отражательными элементами: h=30 мм, d=360 мм, Δ=10 мм, R_о=6000 мм, угол Φ=91^о29'.Hub with spherical reflective elements: h = 30 mm, d = 360 mm, Δ = 10 mm, R _o = 6000 mm, angle Φ = 91 ^about 29 '.

Крепление пирамид 2 между собой осуществляют, например, с помощью болтовых соединений или заклепок. Установку и юстировку элементов 4 осуществляют с помощью, например, широко используемых в гелиотехнике механизмов наведения. The fastening of the pyramids 2 among themselves is carried out, for example, using bolted joints or rivets. The installation and adjustment of the elements 4 is carried out using, for example, guidance mechanisms widely used in solar technology.

Крупногабаритное облегченное зеркало составной конструкции работает следующим образом. Oversized lightweight mirror composite structure operates as follows.

Солнечное излучение попадает на поверхность зеркала, представляющего собой концентратор 1 за счет построения его основания из правильных усеченных шестигранных пустотелых пирамид 2 с боковыми гранями 7, ориентированными в плоскости верхнего основания 3 соответствующей усеченной пирамиды под углом Φ. Солнечное излучение отражается от плоской оптической поверхности 5 элементов 4, предварительно отъюстированных с помощью юстировочного устройства 6, и направляется ими на место 8 сведения отраженных пучков солнечного излучения в так называемый фокус F многоэлементного зеркала, в котором концентрируется энергия солнечного излучения и который расположен на расстоянии L от верхних оснований 3 соответствующих усеченных пирамид 2 с углом Φ наклона боковых граней 7 пирамид 2 к плоскости верхнего основания 3 соответствующей усеченной пирамиды 2. Solar radiation hits the surface of the mirror, which is a concentrator 1 by constructing its base from regular truncated hexagonal hollow pyramids 2 with side faces 7 oriented in the plane of the upper base 3 of the corresponding truncated pyramid at an angle Φ. Solar radiation is reflected from the flat optical surface 5 of the elements 4, previously aligned using the adjustment device 6, and directed by them to the place 8 of the information reflected beams of solar radiation in the so-called focus F of the multi-element mirror, which concentrates the energy of solar radiation and which is located at a distance L from the upper bases 3 of the corresponding truncated pyramids 2 with an angle Φ of inclination of the side faces 7 of the pyramids 2 to the plane of the upper base 3 of the corresponding truncated pyramid 2.

В случае применения элементов 4 с криволинейной формой оптической поверхности 9 (фиг. 2) с помощью юстировочного устройства 6 обеспечивают создание зеркала в виде концентратора любой необходимой формы, аппроксимируемой с заданной точностью параболоидом, эллипсоидом, цилиндром. При этом обеспечивается более высокая концентрация солнечного излучения с реальным фокусом F в отличие от случая с использованием элементов 4 с плоской поверхностью 5. In the case of using elements 4 with a curved shape of the optical surface 9 (Fig. 2), using the adjustment device 6, they create a mirror in the form of a concentrator of any desired shape approximated with a given accuracy by a paraboloid, ellipsoid, and cylinder. This ensures a higher concentration of solar radiation with a real focus F, in contrast to the case using elements 4 with a flat surface 5.

Техническим результатом изобретения являются: повышение технологичности изготовления концентрирующего зеркала не менее чем на 20% путем обеспечения состыковки оснований в результате применения правильных усеченных пустотелых шестигранных пирамид с боковыми гранями, ориентированными к плоскости верхнего основания соответствующей пирамиды под заданным углом в зависимости от фокуса концентратора; обеспечение возможности разнообразных форм концентратора за счет наличия юстировочных элементов и оптической поверхности криволинейной формы на последних; обеспечение высокой концентрированности фокального пятна за счет наличия юстировочных элементов и оптической криволинейной поверхности на последних. The technical result of the invention is: increasing the manufacturability of the concentrating mirror by at least 20% by ensuring the matching of the bases as a result of applying the correct truncated hollow hexagonal pyramids with side faces oriented to the plane of the upper base of the corresponding pyramid at a given angle depending on the focus of the concentrator; providing the possibility of various forms of the concentrator due to the presence of alignment elements and the optical surface of a curved shape on the latter; ensuring a high concentration of the focal spot due to the presence of alignment elements and an optical curved surface on the latter.

Claims

1. A large-sized lightweight mirror of a composite structure, containing hollow polyhedrons attached to each other with flat optical reflective elements located on their bases, characterized in that the polyhedrons are made in the form of regular truncated hexagonal pyramids, the smaller bases of which are connected with flat optical reflective elements, when the side faces of the pyramids are oriented to the plane of the smaller base at an angle selected from the condition of contacting the side faces with the pyramids , Smaller bases of which are arranged tangentially to a sector of a sphere with a radius equal to twice the distance from the place information reflected from the optical elements of the light beams to respective upper bases of the truncated hexagonal pyramid, and the reflecting optical elements are mounted for adjustment.

2. A large-sized lightweight mirror of a composite structure, containing hollow polyhedrons fixed to each other with optical reflective elements placed on their bases, characterized in that the optical reflective elements are curved, polyhedrons in the form of regular truncated hexagonal pyramids, the smaller bases of which are associated with optical reflective elements, while the side faces of the pyramids are oriented to the plane of the smaller base at an angle that is chosen from the condition start side edges of the pyramids, the smaller bases of which are placed tangentially to the sphere sector with a radius equal to the distance from the center of curvature of the optical elements to the corresponding upper bases of the truncated hexagonal pyramids.