碟式聚能支架及碟式聚能镜的制作方法

本发明涉及太阳能聚能设备技术领域，具体涉及一种碟式聚能支架及碟式聚能镜。

背景技术：

现有技术中照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，与全球人类1年的能源消耗相当。相对于煤炭、石油和天然气等不可再生资源，太阳能可视为一款真正的取之不尽、用之不竭的清洁能源。太阳能热力发电区别于光伏发电系统，是光能发电的一种全新的能源利用形式，是一种新型的朝阳产业，具有非常广阔的发展前景。现有技术中的碟式太阳能热力发电是利用凹面镜汇聚光线汇聚热能，而后利用斯特林发动机将太阳能转化为机械能输出，最后通过斯特林发动机带动发电设备达到产生电能的技术效果。现有技术中的太阳能采集设备通常存在阳光采集率低的技术问题，太阳能聚光镜结构不合理，阳光光强追踪响应不灵敏等技术缺陷极大的降低了太阳能的利用转化效率。

因此研发一款碟式聚能支架及应用该支架的碟式聚能镜，以提高现有技术中太阳能采集的有效利用率成为一种必需。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种碟式聚能支架及应用该碟式聚能支架的碟式聚能镜，具有阳光追踪精度高，光能捕捉效率高，光强相应灵敏的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供一种碟式聚能支架，包括：支撑柱、碟式聚光镜支撑架、仰角调节装置和阳光追踪转向装置；所述支撑柱通过所述阳光追踪转向装置与所述仰角调节装置连接，所述仰角调节装置与所述碟式聚光镜支撑架连接，还包括：阳光跟踪系统，所述阳光跟踪系统包括：室外光强采集传感器和与所述室外光强采集传感器连接的控制器；所述仰角调节装置和阳光追踪转向装置分别与所述控制器连接。

在优选的实施方案中，所述碟式聚光镜支撑架的轴截面弧线为双曲线。

在优选的实施方案中，所述室外光强采集传感器设置在所述碟式聚光镜支撑架的实轴所在的直线上，所述控制器用于根据所述室外光强采集传感器反馈的光强信息控制所述仰角调节装置和阳光追踪转向装置动作；当所述仰角调节装置和阳光追踪转向装置动作停止时，太阳的中心位于所述碟式聚光镜支撑架的实轴所在的直线上。

在优选的实施方案中，所述仰角调节装置和阳光追踪转向装置的驱动装置均分别为步进电机。

在优选的实施方案中，还包括加热装置，所述加热装置固设在所述碟式聚光镜支撑架上，当所述加热装置开启时，所述碟式聚光镜支撑架位于所述加热装置产生的温度场范围内。

另一方面，本发明还提供一种碟式聚能镜，包括碟式聚能支架，所述碟式聚能镜由若干片碟式聚光镜拼接而成，所述碟式聚光镜的外形与所述碟式聚能支架的外形相适配；所述碟式聚能支架为如前所述的碟式聚能支架。

在优选的实施方案中，所述碟式聚光镜由镀膜玻璃镜和贴附在所述镀膜玻璃镜上的玻璃钢组成。

在优选的实施方案中，所述玻璃钢由热固性塑料的模压料在模具中加压固化后形成。

在优选的实施方案中，所述模压料包括：预浸胶布、纤维预混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC中的至少一种。

本发明的有益效果为：

一方面，本发明通过提供一种碟式聚能支架，通过为碟式聚光镜支撑架设置仰角调节装置和阳光追踪转向装置，为调节碟式聚光镜支撑架的俯仰角及以重力方向为轴，东西朝向旋转碟式聚光镜支撑架提供了有力的结构支持；本发明进一步通过为碟式聚能支架设置阳光跟踪系统，能够充分利用室外光强采集传感器的反馈信号，高效的追踪太阳光，为提升太阳能的利用率提供了更进一步的技术支持。

进一步的，本发明通过将碟式聚光镜支撑架的轴截面弧线设置为双曲线，有助于达到更好的弧面聚光的技术效果，相比抛物线及圆弧，其聚光性更为突出，更有利于实现光线汇聚，能够让汇聚光线更好的包裹在聚光区域，而非仅集聚在一点，避免由光线汇聚形成的聚能区域具备温度过高灼伤集热设备。

进一步的，本发明通过将室外光强采集传感器设置在碟式聚光镜支撑架的实轴所在的直线上，有助于达到精确追踪光强的技术效果。

进一步的，本发明通过为碟式聚光镜支撑架设置加热装置，有助于达到冬季融化残余积雪的技术效果，有助于及时提高反光效率，提高太阳能的利用率；此外，加热装置的设置还能额外取得在清洁反射镜面后快速烘干镜面上残余水雾的技术效果。

另一方面，本发明通过提供一种碟式聚能镜，通过采用上述碟式聚能支架能够达到高效汇聚光线，快速响应光强变化，及时调整对光角度的技术效果，时刻保持碟式聚能镜处于最佳汇聚光线的工作状态，为提升太阳能的利用效率提供了有力的结构支持。

进一步的，本发明通过为镀膜玻璃镜贴附玻璃钢，有助于提升碟式聚光镜的结构强度，并进一步提升其抗老化，耐冲击的技术效果，有助于延长由碟式聚光镜拼接后形成的碟式聚能镜的使用寿命。

进一步的，本发明通过采用热固性塑料的模压料在模具中加压固化后制成的玻璃钢，为提升镀膜玻璃镜的结构强度，延长其使用寿命提供有力的结构支持。

进一步的，本发明通过采用预浸胶布、纤维预混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC中的至少一种作为模压料为制备玻璃钢提供了有力的材料支持，形成的玻璃钢能够取得更好的透光率及更为良好的结构强度。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例1中碟式聚能支架的结构示意图；

图2是本发明实施例2中碟式聚能支架的局部结构示意图；

图3是本发明实施例3中碟式聚能镜结构示意图；

图4是本发明实施例3中碟式聚光镜弧线计算方法示意图；

图5是本发明实施例3中碟式聚能支架的局部单位的构造图。

图中：

100、支撑柱；200、碟式聚光镜支撑架；300、仰角调节装置；400、阳光追踪转向装置；500、阳光跟踪系统；510、室外光强采集传感器；520、控制器；600、加热装置；700、碟式聚光镜；D、碟式聚能镜的直径；d、聚焦点直径；L、聚焦点离弧底镜面高度；a、半实轴；c、半焦距；m、与聚焦点圆面距离最近的双曲线焦点据聚焦点圆面的距离；F、40*40*4的方形管；G、40*30*4的U形管。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种碟式聚能支架，包括：支撑柱100、碟式聚光镜支撑架200、仰角调节装置300和阳光追踪转向装置400；所述支撑柱100通过所述阳光追踪转向装置400与所述仰角调节装置300连接，所述仰角调节装置300与所述碟式聚光镜支撑架200连接，还包括：阳光跟踪系统500，所述阳光跟踪系统包括：室外光强采集传感器510和与所述室外光强采集传感器连接的控制器520；所述仰角调节装置300和阳光追踪转向装置400分别与所述控制器520连接。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述碟式聚光镜支撑架的轴截面弧线为双曲线。本发明通过将碟式聚光镜支撑架的轴截面弧线设置为双曲线，有助于达到更好的弧面聚光的技术效果，相比抛物线及圆弧，其聚光性更为突出，更有利于实现光线汇聚，能够让汇聚光线更好的包裹在聚光区域，而非仅集聚在一点，避免由光线汇聚形成的聚能区域具备温度过高灼伤集热设备。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述室外光强采集传感器设置在所述碟式聚光镜支撑架的实轴所在的直线上，所述控制器用于根据所述室外光强采集传感器反馈的光强信息控制所述仰角调节装置和阳光追踪转向装置动作；当所述仰角调节装置和阳光追踪转向装置动作停止时，太阳的中心位于所述碟式聚光镜支撑架的实轴所在的直线上。本发明通过将室外光强采集传感器设置在碟式聚光镜支撑架的实轴所在的直线上，有助于达到精确追踪光强的技术效果。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述仰角调节装置和阳光追踪转向装置的驱动装置均分别为步进电机。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，支撑柱和碟式聚光镜支撑架采用表面阳极氧化处理的铝合金外壳作为外层表面防护，能够更进一步耐老化，并拥有更长的使用寿命。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，支撑柱和碟式聚光镜支撑架在制作时采用全自动无铅焊接，符合国家规范。

使用时，可利用控制器控制仰角调节装置和阳光追踪转向装置动作，自动精确捕捉每一丝光线，让太阳光利用率最大化，系统简约，跟踪精度高，整个碟式聚光镜支撑架的工作姿态不受天气、季节、和地理位置影响，适合广泛应用于太阳能光伏发电、光热发电，及热利用设施自动跟踪中，为太阳能跟踪工程提供配套和系统的解决方案提供强有力的结构支持。

优选的，本实施例中上述控制器具备下述功能：

1.晴天光控跟踪，阴天时控运行，雨雪天休眠，傍晚复位东方竖直状态或水平状态。

2.大风保护模式、大雪模式。风天或雪天，主动调整碟式聚光镜支撑架的姿态，以便整碟式聚光镜支撑架承受当前最小的风压及尽可能覆盖最少量的积雪。

3.过载保护、短路保护、瞬间干扰信号抑制功能。当室外光强采集传感器瞬间被强光照射时，控制器能够做出智能识别，不会发出调整仰角调节装置和阳光追踪转向装置动作的指令。

4.工作状态显示，即使显示当前的光照强度。

本发明通过提供一种碟式聚能支架，通过为碟式聚光镜支撑架设置仰角调节装置和阳光追踪转向装置，为调节碟式聚光镜支撑架的俯仰角及以重力方向为轴，东西朝向旋转碟式聚光镜支撑架提供了有力的结构支持；本发明进一步通过为碟式聚能支架设置阳光跟踪系统，能够充分利用室外光强采集传感器的反馈信号，高效的追踪太阳光，为提升太阳能的利用率提供了更进一步的技术支持。

实施例2：

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上，还包括加热装置600，所述加热装置600固设在所述碟式聚光镜支撑架200上，当所述加热装置600开启时，所述碟式聚光镜支撑架位于所述加热装置产生的温度场范围内。本发明通过为碟式聚光镜支撑架设置加热装置，有助于达到冬季融化残余积雪的技术效果，有助于及时提高反光效率，提高太阳能的利用率；此外，加热装置的设置还能额外取得在清洁反射镜面后快速烘干镜面上残余水雾的技术效果，为雨后快速让镜面投入聚能工作提供有力的结构支持。

实施例3：

图3所示，本实施例在上述实施例基础上提供一种碟式聚能镜，包括碟式聚能支架200，所述碟式聚能镜由若干片碟式聚光镜700拼接而成，所述碟式聚光镜700的外形与所述碟式聚能支架200的外形相适配；所述碟式聚能支架为上述实施例中的碟式聚能支架。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述碟式聚光镜由镀膜玻璃镜和贴附在所述镀膜玻璃镜上的玻璃钢组成。本发明通过为镀膜玻璃镜贴附玻璃钢，有助于提升碟式聚光镜的结构强度，并进一步提升其抗老化，耐冲击的技术效果，有助于延长由碟式聚光镜拼接后形成的碟式聚能镜的使用寿命。

其中，在本实施例的一个优选技术方案中，碟式聚光镜弧线计算过程如下：碟式聚光镜弧线为双曲线，遵循双曲线反射几何关系将太阳光聚焦到焦点处，图4所示，碟式聚能镜的直径D为12米，展开面积约107平方米，聚焦点直径d为0.3米，聚焦点离弧底镜面高度L为9.27米，设定碟式聚光镜弧线的半实轴a长10米，依据双曲线方程算得虚轴长即可得到双曲线截面的弧线方程中半焦距c为10米，虚轴长为33.462米，并进一步通过几何关系算得与聚焦点圆面距离最近的双曲线焦点据聚焦点圆面的距离m为0.2217米。

依据上述尺寸制作单片碟式聚光镜，碟式聚光镜由镀膜玻璃镜和贴附在所述镀膜玻璃镜上的玻璃钢组成，玻璃钢表面碟体板厚度优选为4.5mm，镀膜玻璃镜厚度为1.2mm。碟式聚能支架优选采用军用雷达片式钢梁结构，材料选择为Q235，钢梁截面形状以方形和U形为主。图5所示，碟式聚能支架的局部单位的构造图，两侧选用40*40*4的方形管F，中间选用40*30*4的U形管G作为支撑，进而为装配单片碟式聚光镜提供稳固的结构支撑。

本发明通过提供一种碟式聚能镜，通过采用上述碟式聚能支架能够达到高效汇聚光线，快速响应光强变化，及时调整对光角度的技术效果，时刻保持碟式聚能镜处于最佳汇聚光线的工作状态，为提升太阳能的利用效率提供了有力的结构支持。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述玻璃钢由热固性塑料的模压料在模具中加压固化后形成。本发明通过采用热固性塑料的模压料在模具中加压固化后制成的玻璃钢，为提升镀膜玻璃镜的结构强度，延长其使用寿命提供有力的结构支持。

优选的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述模压料包括：预浸胶布、纤维预混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC中的至少一种。本发明通过采用预浸胶布、纤维预混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC中的至少一种作为模压料为制备玻璃钢提供了有力的材料支持，形成的玻璃钢能够取得更好的透光率及更为良好的结构强度。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上，提供制作碟式聚能支架的计算过程如下：

载荷计算：

(1)横向作用风载

ω_k——任意高度处的风载荷标准值KN/m²；

ω₀——基本风压KN/m²，取0.5；

μ_z——风压高度变化系数，取1.0；

μ_s——风荷载体型系数，取1.3；

β_z——顺风向Z高度处的风振系数，计算得2.6128；

计算得ω_k＝1.69832KN/m²。

(2)竖向风载，荷载标准值取0.3KN/m²。

(3)雪荷载，取0.40KN/m²。

(4)玻璃荷载，按自重25.6KN/m³计算，1.2mm厚镀膜玻璃自重荷载0.03072KN/m²。

(5)玻璃钢荷载，按按自重22KN/m³计算，4.5mm厚镀膜玻璃自重荷载0.099KN/m²。

(6)施工时活荷载取2.0KN/m²。

(7)由可变荷载效应控制的组合，计算S＝3.376KN/m²。

托架单个扇面计算：

托架单个扇面长5.422m；外弧长2.837m；单块玻璃钢尺寸约1.1×0.55m；最大跨度5块连续，总长度2.87m。

(1)U形管计算

钢材材质Q235，材料强度设计值215N/m m²。外边最大跨纵肋跨中弯矩组合设计值计算：

q＝3.376×0.55/2＝0.928KN/m；

$M=\frac{1}{8}{\mathrm{ql}}^2=0.955KN\·m;$

抵抗矩W＝55×5×2/6＝91.66cm³；

选25U，W＝81.68cm³，不满足要求；

选29U，W＝106cm³，满足要求；满足要求。29U详细参数参见U型钢参数表。

(2)外框40方钢管计算：

如果选用40×40×3.5方钢管，计算如下：

临界轴力

不满足要求。

如果选用40×40×4的方钢管，E＝2×105Mpa，I＝14.37cm⁴，截面面积A＝5.49cm²，临界轴力344Mpa，满足要求，故选用40×40×4的方钢管。

(3)托架钢支架梁方管计算：

钢材材质Q235，材料强度设计值215N/mm²；受弯构件挠度容许值1/1000＝5.422mm；简化后的线荷载q＝3.376×(114/12)/(2×5.422)＝2.958KN/m；计算长度l按规范取悬臂长度的2倍＝5.422×2＝1084.4cm。

悬臂材料选择：如果选用40×40×4的方钢管，E＝2×105Mpa，I＝14.37cm⁴，方形管b＝4cm，拼装的梁高104cm，支架梁的截面惯性弯曲变形验算，悬臂远端部最大位移：计算后f＝6.82mm＞5.422mm，不满足要求。改选用50×50×6的方钢管，E＝2×105Mpa，I＝33.35cm⁴，方钢管b＝5cm，拼装的梁高105cm，支架梁的截面惯性弯曲变形验算，悬臂远端部最大位移计算后f＝5.30mm<5.422mm，满足要求，因此悬臂管材料选择选用50×50×6的方钢管。

(4)立柱计算：

荷载计算：增加横向作用风载，增加转动设备重量1200公斤，增加上部结构自重。均布活荷载不与雪荷载及施工荷载同时组合计算，

S＝1.2×0.12972+1.4×1.69832+1.4×0.3＝2.953kN/m²。活荷载重：2.953×114＝336.642kN；上部钢架结构自重：方管40×40×4长约为269m，重1226公斤；钢支架管约360m长，重2811公斤，小计4037公斤。最大偏心距，在聚光镜完全与支撑立柱垂直时最大偏心距为3m，则附加弯矩

M＝3×(336.42+4.037×9.8)＝1127.95kN/m；

P＝336.42+1.2×9.8+4.037×9.8＝387.74kN。

钢材材质Q235，材料强度设计值215N/mm²，E＝2×105Mpa；圆管截面积如果选用600mm壁厚4mm的圆钢管，A＝2825.8744cm²，如果选用600mm壁厚4mm的圆钢管，I＝635850cm⁴；受弯构件挠度容许值＝8mm；简化后的线荷载q＝336.42/8＝42.05kN/m；计算长度＝8m。弯曲变形验算：悬臂远端部最大位移：计算后不满足要求。改选用760mm×壁厚8mm的圆钢管，I＝1636831.74cm⁴，计算后满足要求。强度验算：760mm×壁厚8mm的圆钢管，A＝4533.66cm²，

强度满足要求。因此选择760mm×壁厚8mm的圆钢管。

(5)拉铆钉计算：

单块承受外力设计值：N＝(3.376+1.69832)×(1.1×0.55)＝3.07kN；

方管壁厚t＝4mm；镀膜玻璃厚度1.2mm选取直径2.5mm，强度设计值的拉铆钉，计算：

$N_v^b=n_v\frac{{\mathrm{\&pi;d}}_c^2}{4}{f}_v^b=2\&times;\frac{3.14\&times;{2.5}^2}{4}\&times;140\&times;{10}^{-3}=1.37kN;$

$N_C^b=d\&Sigma;{\mathrm{tf}}_c^b=2.5\&times;1.2\&times;215\&times;=0.645kN;$

N取两者中小值

需要锚栓个数

锚栓距离：L＝3d＝7.5mm，取5mm的整数，选择为10mm；优选梅花型布置。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。