专利名称：太阳能反射器元件与支撑结构的铰接式连接系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能反射器元件与支撑结构的铰接式连接系统。一方面该系统在反射器元件的寿命期间抵抗作用在系统上的力时保证空间和时间的不动性(连续性和永久性)，同时在将反射器元件固定及锚定到支撑结构的处理过程中保证时间弹性的平衡，其最小化反射器元件保持其在放松的平衡位置上时获得的应力，并因此保留了其光学集中特性。该铰接式连接系统可应用到通过太阳辐射集中的发电领域内的反射器元件与支撑结构的连接。
背景技术：
包括本发明在内的技术被称为太阳能热集中技术，由于集中太阳辐射时获得的高温，其允许获得的热蒸汽或空气用于按照常规方法的发电中。从由太阳辐射集中发电的不同变型中，本发明的固定元件对象的使用对抛物线型槽(PTC)技术是相当有利的。在本发明的上下文中，槽型几何形状是用来表示由平行线形成的表面和在表面的任何点与垂直于其的平面交叉确定的连贯曲线。在特定情况下，其中所提到的截面定义了一个大致抛物曲线，可以说它有一个抛物线型槽几何形状。抛物线型槽技术使用收集器，该收集器通过一系列具有抛物线型槽截面的反射器捕获太阳辐射，所述抛物线型槽截面将太阳光线集中到位于反射器焦线内的接收管上。工作流体流过此管被加热时，直到最后它的热量转移到锅炉或蓄电系统。反射器和接收管(也称为吸收器管)都组装到金属结构上，该金属结构为系统提供刚度并允许执行围绕旋转轴跟踪太阳的运动以优化入射辐射。由反射器、吸收器管、支撑结构和跟踪系统形成的组件被称为太阳能集热器。用于捕捉辐射的反射器在其制造中必须具有高几何精度的集中，这由被称为截距系数的反射器固有特性定义。截距系数被定义为存在于反射器在吸收器管上反射的能量和照射反射器的总能量之间的比率，以百分比表示。太阳能集中站的收集器是一个精确的系统，在其中组装捕获系统的结构必须具有足够的定位精度使得当组装反射器和吸收器管时，其彼此相对的位置能尽可能接近理论位置，并因此保持已制造的反射器具有的截距系数。然而，反射器在支撑结构上的设置和固定并不保证由反射器的截距系数定义的吸收器管上反射的太阳辐射的百分比，而是假设一旦组装过程结束会有不可避免的截距损失。所述的截距损失或多或少是重要的，这取决于金属结构的制造和组装精度、反射器的表面质量以及反射器和结构之间的连接质量。这使得有必要使用昂贵的工艺来制造和组装金属结构，保证最小的精度即使如此截距损失仍旧是不可避免的。同样地，反射器和结构之间的连接成为反射器制造工艺中一个关键的参数，其需要很高的组装精度，这使得它们接近合理技术的限度并且需要非常昂贵的质量控制。捕获太阳辐射以生成太阳热能的功能部件是收集器。由于近年来这一产业经历了巨大的发展，出现了各种各样的收集器设计，其中一些例子可参见文件ES2274710A1和ES2326303A1。 目前在生产厂中建造和操作的以抛物线型槽技术为基础的所用的收集器类型虽然具有不同的变体，但具有相同的基本特征。每个收集器的通用使用长度在100米和150米的范围内。反过来，每个收集器细分成一般是12米长的模块，其在组装过程中形成建设性单元。每个模块都由以下基本元件组成:-抛物线型槽反射器:太阳辐射直接照射反射器，反射器将其反射和集中在挤出的抛物线的焦线上。多种变化的反射器具有不同的材料，如塑料、玻璃、金属……然而，到现在为止，已证明其有效性并在太阳能领域商业使用的反射器使用的是玻璃基板。抛物线型的太阳能反射器的一个典型配置是一个单片或层状玻璃，热处理可有可无，4或5毫米厚，并具有大概1700毫米乘以1600毫米的展开尺寸。一般来说，每个模块有28个在其上布置并沿7个抛物线型槽截面组装的反射器，这样每个截面由四个独立的反射器组成。-吸收器管:它接收来自反射器的集中辐射，它将以热能形式传递给在其中循环的流体。-机械支撑结构:它用于支撑剩余部件以确保相对于彼此的相对位置，并为系统提供刚性。-跟踪系统:机械装置围绕单个轴线来转动组件以优化在反射器的孔径区域上的入射太阳辐射。该金属结构必须能承受运输和组装应力以及操作应力，例如风应力和热应力等。反过来，它必须允许所有不同的部件有合适和足够精确的连接以保证组件的光学性能。结构设计有多种变化。然而，当今最普遍的设计，本发明对其非常有利的是所谓的“中心主体和臂结构”。此结构包括一个中心主体，也称为扭力盒或管，其平行于吸收器管的轴线布置，一套臂垂直地固定于该轴线，这套臂通常具有一个悬臂式金属桁架结构。所述反射器随后以确定数量的刚性连接固定在这些臂上，一般每个反射器具有至少四个刚性连接。这种类型的结构实施例描述在上述文件ES2274710A1、ES2326303A1中。在太阳能热发电厂操作所需的全部部件中，反射器是生产能力方面最关键的一环。决定反射器质量的特性是取决于反射涂层应用的材料和方法的反射率和完全取决于反射器几何形状的优点的截距系数。这两个参数值直接与在太阳能热站产生的能量值成正t匕，并由此与其收入水平成正比。这意味着，截距系数增加百分之一则自动反映发电厂的财政收入增加约百分之一(略少)。当今包括抛物线型槽技术在内的主要集中技术，概念上是基于抛物线的几何性质。从这些性质的应用可以推断出截距系数完全取决于与抛物线在所有点正切的线的方向。因此，当抛物线的实际形状相对于其理论的几何形状呈现变化时，这意味着在该点的切线斜率发生了变化。在这些条件下，反射光线不再照到理论焦点，而是相对于自身呈现出角偏差，这个角度值正好是由理论切线和的新的实际切线在这一点上定义的值的两倍。可从前面的段落推断出极端敏感性的抛物线几何形状，其中小的局部变形为10至20毫弧度，甚至是使用常规的测量系统不能测量的更小的局部变形，可导致在焦点处的辐射入射损失，并因此给太阳能热站的效益造成严重的经济损失。在制造反射器的过程中，只能通过直接或间接的光线反射方法来测定光学几何形状(或截距系数)。在测量过程中，反射器的抛物型槽基板必须支撑在支撑点上，所述支撑点设置在与相对于彼此和基板表面的完全相同的相对位置上，这将在支撑结构内具有理论的支持点。所述支撑用于作为在基板尺寸控制过程中的支持件，所述支持件建设性地设计为简单支撑，以防止在基板上产生应力，这可使基板变形并因此扭曲测量结果。简单的支持被理解为两个结构构件之间的连接，其允许一个构件相对于其他构件旋转但不移动。一般来说，现场组装的反射器在其支撑结构上使用四个支持件，虽然在例外的情况下，像在趋于具有高风载荷的区域可以使用多达九个。目前制造抛物线型槽式反射器的技术允许在吸收器管的直径为70毫米时，达到的截距系数值大于99.5%。制造过程的例子描述在文件EP2096375A1中，由本申请的相同发明人开发的。反射器的制造不会因为形成其基板而结束，相反必需提供装置将反射器固定在机械结构上。当今使用的解决方案是在反射器的每个支撑点将其固定在结构上，所述支撑点由陶瓷零件组成，其连接在与太阳辐射入射面相对的反射器表面上。该连接是通过使用粘接剂粘附，从而确保适当的强度和耐久性。此外，该连接必须具有弹性模量，使得通过维持刚性的连接条件，允许吸收来自基板材料和陶瓷零件本身之间的不均匀膨胀的应力。硅酮已被证明是能满足这些条件的合适材料。陶瓷零件具有空腔，一具有凹形内螺纹部分的金属嵌件容纳其中。陶瓷零件和金属嵌件组件被称为陶瓷垫片。这种类型的固定描述在文件EP0098404B1 中。 该陶瓷垫片可直接或通过整合有称作为中间型材的结构的金属部分固定到金属结构。中间型材的功能是最小化由不精确的结构制造和组装导致的在支撑点内的定位误差。该中间型材由弯曲的金属型材组成，该弯曲的金属型材具有一个连接于结构的平面和另一个面对陶瓷垫片的平面。安装孔形式的开口允许在其位置上固定陶瓷垫片，该开口在后者的平面上加工。通常使用三维测量系统和工具(激光跟踪器)来保证该操作的精度。最后的连接是通过拧入垫片金属嵌件的凹形零件的双头螺栓，以及组件与相应的螺母锁定。鉴于上述抛物线的几何灵敏度，在抛物线锚固点结构上的定位必须具有高精度，所以当这些点一般是4个时，组成了参考支撑系统以确定反射器的截距系数。考虑到反射器的机械属性，精度的要求显著增加。反射器不是刚性元件，与此相反它是弹性元件，即，该元件大幅度的变形与它实现的功能有关。已经看到，几个毫弧度有序的多么微小的变形可导致管的截距损失。将反射器固定到结构的建设性解决方案不仅必须满足设计和组装精度，而且同时在产品的寿命期间，确保空间和时间的不动性来抵抗作用在系统上的力(风载荷、其自身的
重量，……)。出于这个原因，反射器通过有限数量的刚性连接，使用上述的陶瓷垫片作为连接元件而连接于结构。该反射器通过陶瓷垫片的锚定限制了每个支持件的所有自由度，这意味着该系统，理解为具有四个装箱型支持件的反射器具有18个一定程度的静不定性，即，有超过18个“限制的运动”，这是绝对必要的。装箱型支撑被理解为，两个结构构件之间的连接，其防止在任何方向上的一个构件相对另一个的旋转和位移。
系统的运动过度受限具有的缺点是要求其每个支持件附加的几何精度，因为任何的偏差将导致具有较小刚度的元件变形。在这种情况下，可变形的元件是反射器，其抗弯刚度(因为它是片材)小于剩余连接元件和结构本身。影响收集器中的锚固点位置的因素有以下几种:-金属结构制造和组装中的误差-中间型材上的误差-所述垫片制造中的误差-在反射器中垫片的定位误差-在支撑区域中反射器本身的误差。金属结构制造和组装中的误差是金属结构制造和组装的任何工艺中典型的空间不确定性误差。确保锚固位置所要求的精度在建筑时间和劳动方面是一个昂贵的过程，因为它需要通常呈现低精度的操作，如切割、焊接、钻孔。工艺成本也进一步的增加，因为它需要使用定位夹具，依靠激光装置等的三维测量。甚至一旦反射器放置在其锚固点，其依靠侧向移动的最终定位可引起结构的较小刚性元件，如中间型材的偏差。一旦模块主体已制造完成，该主体由扭力盒和用于反射器的支撑臂形成，只有安装孔中心位置而不是接触角的一个测量采取激光装置。如果在其与陶瓷垫片接触的区域，中间型材的最终平坦性是不正确的，则会在刚性连接中产生应力从而导致反射器的变形。例如，已经发现，根据变形点产生一毫米百分之二十的偏差，在支撑平面的偏差是3或4个毫弧度。与金属结构一起，所述垫片在反射器的正确定位具有很重要的作用，是在其固定过程中待控制的一个重要的参数，特别是所述垫片在垂直于抛物线型槽式反射器的焦线(吸收器管轴线)的平面内的角偏差，假定它是包含抛物线截面切线的平面。每个反射器有至少4个垫片，每一个依次可在两个不同的方向，正向或负向上偏离。显而易见的是，有许多造成不同影响的组合，尤其是当反射器具有抛物线截面时。控制所述垫片的放置角偏差的容许极限的难度增加，这是由于事实上它们不会附着到理论表面，而是附着到实际的反射器基板上，其自身也有制造公差并因此在表面上有重要或不重要的角偏差。除了定位以及在较小的程度上，源自其面，即陶瓷垫片的基本平行面的的不平坦性的陶瓷制造误差也可导致反射器刚性连接的变形。影响最终结果的另一个变量是在结构中固定所述垫片的顺序。拧紧的第一垫片将决定其余部分的位置。垫片和结构之间的拧紧力矩也对结果产生略微影响。更大的力矩施加到一定限度，基板中产生的变形就越大，所以性能将会恶化。因此拧紧力矩是该工艺中控制的又一参数。反射器的几何质量是太阳能热站整体性能的根本。反射器整个表面上的角偏差统计分析结果表明，反射光线的角偏差分布可接近正常的统计分布。因此，具有可接受截距系数但具有高标准偏差值的反射器将对支持件的小变形呈现更高的灵敏度。相反，角偏差接近其标称值的反射器将具有更大的余量来吸收误差。可以断言，一系列工艺本身所固有的误差存在于每个收集器部件的制造和随后的现场组装过程中。如今，限制这些误差在合理值之内涉及的制造、质量控制和组装成本都很高，尽管成本高，但由于反射器表面引起的变形，截距损失仍不可避免地发生在吸收器管上。一旦在现场组装，从结构本身制造的观点出发，通过处理问题，就会做出更认真的尝试以将光学性能的损失最小化。文件ES2326303A1描述的解决方案是以制造工艺为基础，通过它实现具有更大刚度元件的更精确的结构，所述结构形成在元件中。为结构提供额外刚度的问题是该组件的尺寸需求变得更大，因为不可能减少反射器的应力，一旦反射器被刚性地固定到整个组件，它就会经受该应力。因此，此解决方案增加了制造成本而没有解决源自在反射器中放置陶瓷垫片而没有其理论位置角偏差的问题。为了分析和更好地理解相对于反射器的初始截距系数值在该领域中观测到的性能损失，已尝试作为实验室中的一个整体再现系统行为从而使得允许知道陶瓷垫片位置的真实效果。为了这个目的，利用其进行过一组测量的工具已被设计和建造。被用来模拟支撑结构的工具，表示其实际截面，反射器的四个支撑点设在平行于水平面的同一平面内。所述工具再现了实际结构的自由程度。下文所述的所有测试都是基于说明书内的结构支撑点的空间位置进行的。在所述测试中观测到的值会在那些情况的实践中劣化，其中实际的现场结构可在既定的公差范围之外。使用被称之为QDEC的测量设备来确定截距系数。该设备使用基于反射测定法的测量方法，其允许计算在所述反射器表面的切线偏差，并通过一系列的照片从中计算焦点上的角偏差。该设备目前由CSP服务销售，并已与德国航空航天中心(DLR)合作开发。为了进行测量，模拟实际结构的工具布置在QDEC设备为该目的限定的位置中。两组反射器在第一组测试中进行了分析:-A组:反射器具有可接受的截距系数并用于具有70毫米直径的接收器管，且垫片位置的角偏差小于10毫弧度。-B组:反射器具有可接受的截距系数并用于具有70毫米直径的接收器管，且在垂直于接收器管的平面内的垫片位置大于10毫弧度。对于这两种情况下的截距系数值在下列假设中进行了分析:-假设1:在反射器的制造中发生的尺寸控制情况下测量的部分:在测量过程中参考工具的简单四点支撑。假设I产生的测量对应于截距系数值，其在正常的制造过程中表示反射器的特征。-假设2:具有粘附性标准陶瓷垫片的反射器简单支撑在模拟收集器金属结构的工具上。在陶瓷垫片的凹形内螺纹部分插入的双头螺栓是自由的，没有任何螺母将其拧紧，因此，在每个支持件中没有任何转动自由度(除了围绕双头螺栓轴线的转动，这与确定的技术问题的目的不相关)的相关程度限制。测量结果将显示由制造部件(结构、反射镜、垫片)的误差所引起的最小误差，即使这些部件是在可接受的尺寸公差值中。-假设3:具有粘附性标准陶瓷垫片的反射器支撑在工具上，该工具模拟在装箱型支撑中的收集器金属结构，即每个支撑件的所有自由度均受限制。连接是通过拧紧在双头螺栓上的螺母并使用为这样的现场操作定义的标准拧紧力矩来固定的，所述双头螺栓插入到陶瓷垫片的凹形内螺纹部分。该测量结果将显示对收集器的光学性能损失是由支撑件的自由度限制和随之而来的反射器变形引起。
权利要求
1.种太阳能反射器元件与支撑结构的铰接式连接系统(1、1’、1’’)，包括 连接主体(2、2’、2’’)，用于固定在反射器元件(13)相对太阳辐射的入射面的面上，其包括一个接收凸形固定元件(3、3’、3’ ’ )的孔(14、14’、14’ ’)， 至少一个合适的接合装置，其允许在反射器元件(13)和支撑结构之间的连接空间内自由转动， 其中所述至少一个合适的接合装置包括一个通孔，其允许凸形固定元件(3、3’、3’’)在此穿过，该凸形固定元件(3、3’、3’’)具有容纳在所述连接主体(2、2’ )的孔(14)的第一端和接收凹形固定元件(5、5’ )的第二端，该凹形固定元件(5、5’ )用于刚性地固定整个反射器元件(13)和支撑结构组件。
2.据权利要求1所述的铰接式连接系统(I)，其特征在于， 连接主体(2)包括两个球形壳体(6、7)，通过孔(14)连接，并在空间内具有共同的转动中心， 系统(I)包括一个具有通孔(15)的球形垫圈(4)，和 凸形固定元件(3)包括一个球形头部(9)，其中 球形垫圈(4)安置在连接主体(2)的球形壳体(7)上， 凸形固定元件(3)的球形头部(9)安置在连接主体(2)的球形壳体(6)上，以及 通孔(14)的直径基本上大于所述凸形固定元件(3)的直径，以允许所述凸形固定元件(3)在空间中围绕任意轴线穿过连接主体(2)的球形壳体(6)和(7)的固定转动点的转动。
3.据权利要求2所述的铰接式连接系统(I)，其特征在于，通孔(14)的直径允许凸形固定元件(3)以一定角度转动，其 最大值为3° ,优选为2°。
4.据权利要求2至3中任意一项所述的铰接式连接系统(I)，其特征在于，它包括一个设置在支撑结构(10)和凹形固定元件(5)之间的垫圈(12)。
5.据权利要求2至4中任意一项所述的铰接式连接系统(I)，其特征在于，它包括应用于连接主体(2)的区域上并固定在反射器元件(13)相对太阳辐射的入射面的面上的保护膜(8)。
6.据权利要求1所述的铰接式连接系统(I’)，其特征在于， 连接主体(2’)包括壳体(19)，在其中设置有带螺纹孔(14’ )的凹形部件(17)， 系统(I’ )包括双球形垫圈(4’、4’ ’ )的第一组件和双球形垫圈(6’、6’ ’ )的第二组件，其中 双球形垫圈(4’、4’’)的第一组件设置在连接主体(2’)和支撑结构(10)之间，双球形垫圈(6’、6’ ’ )的第二组件设置在支撑结构(10)的相对面，以及在连接位置中，凸形固定元件(3)穿过双球形垫圈(4’、4’ ’ )的第一组件的孔、支撑结构(10)的安装孔和双球形垫圈(6’、6’ ’ )的第二组件并固定到凹形固定元件(5’ )上，以及双球形垫圈(4’、4’’ )的第一组件、支撑结构(10)和双球形垫圈(6’、6’’ )的第二组件的孔均具有直径基本上大于凸形固定元件(3)的直径，以允许所述双球形垫圈的第一和第二组件移动。
7.据权利要求6所述的铰接式连接系统(I’)，其特征在于，双球形垫圈的第一和第二组件的孔的直径允许所述组件转动。
8.据权利要求1所述的铰接式连接系统(I’’)，其特征在于，连接主体(2’’)包括一个凸起和弯曲的中央区(20)，其具有一个通孔(14’’)和与窗口(18)连通的侧孔， 系统(I’ ’ )包括一个具有通孔(15’ )的球形垫圈(4’ ’ ’)，以及 凸形固定元件(3’ ’ )包括一个球形头部(9’ ’)，其中 球形垫圈(4’ ’ ’ )安置在连接主体(2’ ’ )的凸起和弯曲的中央区(20)的表面上， 在操作情况下，调整凸形固定元件(3)的球形头部(9)至连接主体(2’’)的凸起和弯曲的中央区(20)的内表面，以及 通孔(14’ ’ )的直径基本上大于所述凸形固定元件(3’ ’ )的直径，以允许所述凸形固定元件(3’ ’ )在空间中围绕任意轴线穿过连接主体(2’ ’ )的固定转动点的转动。
9.据权利要求8所述的铰接式连接系统(I’’)，其特征在于，连接主体(2’’)包括一个平的较低薄层(21)，用于固定至反射器元件(13)。
10.据权利要求8所述的铰接式连接系统(I’’)，其特征在于，通孔(14)的直径允许凸形固定元件(3)以一定角度转动，其最大值为3° ,优选为2°。
11.据权利要求8至10中任意一项所述的铰接式连接系统(I’’)，其特征在于，它包括一个设置在支撑结构(10)和凹形固定元件(5’’)之间的垫圈(12’’)。
12.种太阳能集中器的反射器，包括至少一个根据任意一前述权利要求所述的铰接式连接(1、I’、1’ ’)于其支撑结构的系统。
13.种太阳能反射安装，包括至少一个根据权利要求12所述的反射器。
14.种将反射器元件(13)连接于其支撑结构的方法，包括以下步骤: -提供至少一个根据权利要求1至11中任意一项所述的连接系统(1，IM"); -在反射器元件(13)相对于太阳辐射的入射面的面上、与支撑结构相对应的连接区域一致的位置上固定至少一个连接系统(1、I’、1’ ’)； -利用至少一个连接系统(1、I’、I’’)在支撑结构上定位反射器元件；以及 -固定所述组件来获得刚性连接。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能热集中收集器中使用的反射器元件及其支撑结构之间的铰接式连接系统。由于反射器上的角偏差，该系统允许在其所有锚固点内的反射镜和支撑结构之间的连接而没有任何形式的应力。它包括一个连接主体(2)，用于固定在反射器元件(13)相对太阳辐射的入射面的面上，其包括用于接收一个凸形固定元件(3)的孔(14)和适合的接合装置，该装置允许在反射器元件(13)和所述支撑结构之间的连接空间内自由转动。该适合的接合装置包括允许螺纹杆(3)由此穿过的通孔(15)，螺纹杆(3)具有固定在连接主体(2)的孔中的第一端和接收螺母或凹形螺纹部分的第二端，该凹形螺纹部分用于刚性地固定整个反射器元件(13)和支撑结构组件。
文档编号F16B43/02GK103097831SQ201180037550
公开日2013年5月8日 申请日期2011年5月30日 优先权日2010年5月31日
发明者何赛普·乌瓦奇·卡尔特盖, 伊格纳西奥·加西亚-孔德·诺列加 申请人:里奥玻璃太阳能有限公司