一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法，属于机械制造领域，该镜面由支撑机构和多个花瓣片组成，每个花瓣片为扇形，在径向具有抛物线曲率，在周向为圆弧结构，花瓣片安装在支撑机构上，并沿圆周方向均匀布置，支撑机构包括顶端支撑环，多个中间支撑环，底端支撑环和径向连接条，各个支撑环依次连接在径向连接条上，该支撑机构在空间形成离散的双曲率抛物面。该方法包括以下步骤：确定花瓣片弯折后的位移值；确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸；确定径向连接条的长度，并将径向连接条与各个支撑环连接起来，使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面；各花瓣片在多个中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。本发明能够减小制造装配难度，降低制造成本。
【专利说明】—种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械制造领域，特别涉及一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法。
【背景技术】
[0002]太阳能是一种可再生能源，具有绝对干净、不受资源分布地域的限制、可在用电处就近发电、能源质量高等特点。因此，对太阳能利用的研究和推广，受到越来越多国家的重视。为了利用太阳能进行光热发电，就需要聚集太阳光，获得高密度光能。通常利用太阳能聚光器聚集太阳光，并通过相关装置转化成电能。碟式太阳能聚光器将太阳光直接聚集到位于碟式镜面焦点处的热接收器上，能够高倍聚焦太阳光，系统光学效率高、启动损失小；分布灵活，对场地要求小，既可以采用分布式小规模发电，也可以组成系统大规模并网发电。因此碟式太阳能聚光器系统将具有广阔的推广应用前景。
[0003]碟式太阳能聚光器系统通常由聚光镜、跟踪机构和热接收器等组成。聚光镜通常固定在主动跟踪太阳运动的跟踪机构上，从而实时跟踪太阳，反射并聚焦太阳光到热接收器上。为了使聚光镜高效聚集太阳光，一般采用大型聚光镜。因此，在设计制造高效大型碟式太阳能聚光器过程中不仅要考虑聚光镜的巨大结构尺寸，而且需要保证聚光镜的精度。目前，大型碟式太阳能聚光镜主要采用桁架与分块结构，虽然分块式结构可以用模块化的小尺寸镜体结构组装为大型聚光镜，但是这种方法结构复杂，装配难度较大，精度保障困难，聚光效率低，成本昂贵。因此，采用桁架与分块结构方法设计制造大型碟式太阳能聚光器存在一些技术难点，简化大型碟式太阳能聚光器的结构及制造方法是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了改善桁架与分块结构方法的缺陷，提出了一种大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法，本发明的聚光器镜面形成双曲率抛物面，能够保证聚光效率，同时该方法能够大大简化设计制造过程，减小制造装配难度，降低制造成本。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]一种大型碟式太阳能聚光器镜面，其特征在于，该聚光器镜面由支撑机构和多个花瓣片组成，每个花瓣片为扇形，在径向具有抛物线曲率，在周向为圆弧结构，花瓣片安装在支撑机构上，并沿圆周方向均匀布置，相邻花瓣片之间留有缝隙，以此减小风载荷对镜面形状的影响；所述支撑机构包括顶端支撑环，多个中间支撑环，底端支撑环和径向连接条；所述径向连接条由沿周向均匀布置的多个长条状结构组成，所述顶端支撑环，中间支撑环和底端支撑环均为圆环状结构，圆环半径逐渐减小，依次连接在径向连接条上，该支撑机构在空间形成离散的双曲率抛物面。
[0007]所述顶端支撑环和底端支撑环上分别有顶端限位凹槽和底端限位凹槽，用于固定花瓣片的两端。
[0008]所述的多个中间支撑环由外向内半径依次缩小，所述花瓣片与各中间支撑环接触，各花瓣片在中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。
[0009]本发明还提出一种上述大型碟式太阳能聚光器镜面的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0010]I)根据给定双曲率抛物面的参数确定支撑机构的顶端支撑环、底端支撑环的直径，径向连接条数量以及每个花瓣片的尺寸，每个花瓣片在弯折前为一个平面扇形薄片；
[0011]2)确定所述花瓣片弯折后的位移值:设花瓣片弯折后为具有双曲率的抛物面扇形；根据花瓣片上各个点弯折前后对应坐标的变化得到弯折后各个点的位移值；
[0012]3)确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸:根据花瓣片上各个点弯折后的位移值，在弯折前的花瓣片上选取一系列点作为位移约束点，将该点在弯折后的位移值作为中间支撑环施加的位移约束，对弯折过程仿真，得到弯折后的花瓣片的形状，从仿真结果中提取弯折后的花瓣片的形状曲线，对提取的形状曲线采用垂直入射光进行光路模拟，计算花瓣片弯折后的聚光效率；通过对位移约束点进行不同的组合，得到使得聚光效率最大的位移约束点组合，由该位移约束点组合中的位移约束点数量和位置确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸；
[0013]4)根据各支撑环的尺寸确定径向连接条的长度，使径向连接条能够将顶端支撑环，底端支撑环和多个中间支撑环连接起来，并使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面；
[0014]5)将多个花瓣片沿支撑机构的圆周方向均匀布置，相邻花瓣片之间留有缝隙，各个花瓣片的顶端和底端分别固定在顶端支撑环和底端支撑环上，并在多个中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。
[0015]本发明的特点及有益效果是:
[0016]本发明采用花瓣片的方式形成碟式太阳能聚光器镜面，并利用外部支撑的方式对碟式太阳能聚光器的花瓣片进行弯折变形，形成双曲率抛物面；通过对花瓣片位移约束进行理论分析和仿真计算，并对在不同位移约束点施加位移约束后的变形情况进行比较，确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸，使得花瓣片尽量接近理想的双曲率抛物面。
[0017]本发明能够大大简化制造过程，减小制造装配难度，并能够保证聚光器镜面的聚光效率，降低制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例大型碟式太阳能聚光器镜面的结构示意图；
[0019]图2是本发明实施例中的支撑机构的整体结构示意图；
[0020]图3是本发明实施例中的支撑机构的顶端支撑环结构示意图；
[0021]图4是本发明实施例中的支撑机构的底端支撑环结构示意图；
[0022]图5是本发明实施例中的花瓣片弯折前的结构示意图；
[0023]图6是本发明实施例中的花瓣片弯折后的结构示意图；
[0024]图中:1_支撑机构、2-花瓣片、11-顶端支撑环、12-中间支撑环、13-径向连接条、14-底端支撑环、111-顶端限位凹槽、141-底端限位凹槽。
【具体实施方式】
[0025]本发明提出的大型碟式太阳能聚光器镜面及其制造方法结合附图及实施例详细说明如下:
[0026]本发明碟式太阳能聚光器镜面实施例结构如图1所示，该实施例的碟式太阳能聚光器镜面由支撑机构I和花瓣片2组成，该实施例中镜面的双曲率抛物面焦距为f =200mm，所述花瓣片2为六个，每个花瓣片2为扇形，在径向具有抛物线曲率，在周向为圆弧结构，六个花瓣片2安装在支撑机构I上，并沿圆周方向均匀布置，每个花瓣片所占的圆心角为50°，相邻花瓣片2之间留有圆心角为10°的缝隙，以此减小风载荷对镜面形状的影响，花瓣片采用的材料为弹簧钢，并在弹簧钢表面用反光材料镀膜增加镜面反光性能。如图
2、3和4所示，所述支撑机构I包括顶端支撑环11，中间支撑环12，底端支撑环14和径向连接条13，支撑机构I采用钢型材料作为支撑结构；所述径向连接条13由沿圆周方向均匀布置的多个长条状结构组成，所述顶端支撑环11，中间支撑环12和底端支撑环14均为圆环状结构，圆环半径逐渐减小，并依次连接在径向连接条13上，其中顶端支撑环11的半径为500mm,即聚光器镜面的开口半径为500mm,底端支撑环14的半径为80mm ;如图3和4所示，所述顶端支撑环11和底端支撑环14上分别有顶端限位凹槽111和底端限位凹槽141，用于固定花瓣片2的两端，所述中间支撑环12由四个圆环构成，圆环半径由外向内依次为400mm、325mm、225mm和10mm ;所述顶端支撑环11，底端支撑环14和中间支撑环12的高度位置由其半径和双曲率抛物面方程确定，使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面，所述花瓣片2与中间支撑环12接触，各花瓣片2受到中间支撑环12给予的位移约束，进行弯折变形，形成双曲率抛物面。
[0027]本发明提出的上述大型碟式聚光器镜面的制造方法的【具体实施方式】，包括以下步骤:
[0028]I)根据给定双曲率抛物面的参数确定支撑机构I的顶端支撑环11直径X_，底端支撑14环直径Xmin，径向连接条13数量n，花瓣片2的数量与径向连接条13的数量相同，每个花瓣片2在弯折前为一个平面扇形薄片，弯折前的花瓣片2的圆心角为α，厚度为h ；
[0029]2)确定所述花瓣片2弯折后的位移，具体实现过程如下:
[0030]如图5和6所示，设花瓣片2弯折后为具有双曲率的抛物面扇形，花瓣片采用的材料为弹簧钢，并在弹簧钢表面用反光材料镀膜增加镜面反光性能；由于本方法中通过支撑机构I给定位移约束使花瓣片2弯折，因此，需要计算花瓣片2弯折后的位移值。如图5所示，弯折前的花瓣片2扇形的圆心角为α，在其中一条半径上建立坐标系0-S，坐标原点位于扇形圆心处；在该花瓣片2上,对于以O为圆心的任意一条圆弧AB,圆弧半径为s,则圆弧AB的长度为:
[0031]h.a
[0032]该圆弧上任意一点P的坐标都可以用圆弧半径s和相应的圆心角Θ来表示，记为P(s, Θ)。
[0033]假设在弯折过程中，圆弧AB的位置和长度不变，即s和^不变。如图6所示，弯折后的花瓣片2的形状为理想的双曲率抛物面，在弯折后的花瓣片2上建立坐标系0-ΧΖ，坐标原点位于花瓣片2的端点处，花瓣片2在坐标系O-XZ中的抛物线方程为:
[0034]
【权利要求】
1.一种大型碟式太阳能聚光器镜面，其特征在于，该聚光器镜面由支撑机构和多个花瓣片组成，每个花瓣片为扇形，在径向具有抛物线曲率，在周向为圆弧结构，花瓣片安装在支撑机构上，并沿圆周方向均匀布置，相邻花瓣片之间留有缝隙，以此减小风载荷引起的镜面变形；所述支撑机构包括顶端支撑环，多个中间支撑环，底端支撑环和径向连接条；所述径向连接条由沿周向均匀布置的多个长条状结构组成，所述顶端支撑环，中间支撑环和底端支撑环均为圆环状结构，圆环半径逐渐减小，依次连接在径向连接条上，该支撑机构在空间形成离散的双曲率抛物面。
2.如权利要求1所述的支撑机构，其特征在于，所述顶端支撑环和底端支撑环上分别有顶端限位凹槽和底端限位凹槽，用于固定花瓣片的两端。
3.如权利要求1所述的支撑机构，其特征在于，所述的多个中间支撑环由外向内半径依次缩小，所述花瓣片与各中间支撑环接触，各花瓣片在中间支撑环位移约束下产生弯折变形，形成双曲率抛物面。
4.一种制造如权利要求1所述的大型碟式太阳能聚光器镜面的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)根据给定双曲率抛物面的参数确定支撑机构的顶端支撑环、底端支撑环的直径，径向连接条数量以及每个花瓣片的尺寸，每个花瓣片在弯折前为一个平面扇形薄片； 2)确定所述花瓣片弯折后的位移值:设花瓣片弯折后为具有双曲率的抛物面扇形；根据花瓣片上各个点弯折前后对应坐标的变化得到弯折后各个点的位移值； 3)确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸:根据花瓣片上各个点弯折后的位移值，在弯折前的花瓣片上选取一系列点作为位移约束点，将该点在弯折后的位移值作为中间支撑环施加的位移约束，对弯折过程仿真，得到弯折后的花瓣片的形状，从仿真结果中提取弯折后的花瓣片的形状曲线，对提取的形状曲线采用垂直入射光进行光路模拟，计算花瓣片弯折后的聚光效率；通过对位移约束点进行不同的组合，得到使得聚光效率最大的位移约束点组合，由该位移约束点组合中的位移约束点数量和位置确定支撑机构的中间支撑环的数量和尺寸； 4)根据各支撑环的尺寸确定径向连接条的长度，使径向连接条能够将顶端支撑环，底端支撑环和多个中间支撑环连接起来，并使各个支撑环在空间形成离散的双曲率抛物面； 5)将多个花瓣片沿支撑机构的圆周方向均匀布置，相邻花瓣片之间留有缝隙，各个花瓣片的顶端和底端分别固定在顶端支撑环和底端支撑环上，并在多个中间支撑环位移约束下产生弯折变形,形成双曲率抛物面。
【文档编号】G02B7/185GK104133287SQ201410368302
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】吴军, 陈晓磊, 吴明硕, 王立平, 李铁民 申请人:清华大学