一種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法，屬于機械制造領域，該鏡面由支撐機構和多個花瓣片組成，每個花瓣片為扇形，在徑向具有拋物線曲率，在周向為圓弧結構，花瓣片安裝在支撐機構上，并沿圓周方向均勻布置，支撐機構包括頂端支撐環，多個中間支撐環，底端支撐環和徑向連接條，各個支撐環依次連接在徑向連接條上，該支撐機構在空間形成離散的雙曲率拋物面。該方法包括以下步驟：確定花瓣片彎折后的位移值；確定支撐機構的中間支撐環的數量和尺寸；確定徑向連接條的長度，并將徑向連接條與各個支撐環連接起來，使各個支撐環在空間形成離散的雙曲率拋物面；各花瓣片在多個中間支撐環位移約束下產生彎折變形，形成雙曲率拋物面。本發明能夠減小制造裝配難度，降低制造成本。
【專利說明】—種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械制造領域，特別涉及一種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法。
【背景技術】
[0002]太陽能是一種可再生能源，具有絕對干凈、不受資源分布地域的限制、可在用電處就近發電、能源質量高等特點。因此，對太陽能利用的研究和推廣，受到越來越多國家的重視。為了利用太陽能進行光熱發電，就需要聚集太陽光，獲得高密度光能。通常利用太陽能聚光器聚集太陽光，并通過相關裝置轉化成電能。碟式太陽能聚光器將太陽光直接聚集到位于碟式鏡面焦點處的熱接收器上，能夠高倍聚焦太陽光，系統光學效率高、啟動損失小；分布靈活，對場地要求小，既可以采用分布式小規模發電，也可以組成系統大規模并網發電。因此碟式太陽能聚光器系統將具有廣闊的推廣應用前景。
[0003]碟式太陽能聚光器系統通常由聚光鏡、跟蹤機構和熱接收器等組成。聚光鏡通常固定在主動跟蹤太陽運動的跟蹤機構上，從而實時跟蹤太陽，反射并聚焦太陽光到熱接收器上。為了使聚光鏡高效聚集太陽光，一般采用大型聚光鏡。因此，在設計制造高效大型碟式太陽能聚光器過程中不僅要考慮聚光鏡的巨大結構尺寸，而且需要保證聚光鏡的精度。目前，大型碟式太陽能聚光鏡主要采用桁架與分塊結構，雖然分塊式結構可以用模塊化的小尺寸鏡體結構組裝為大型聚光鏡，但是這種方法結構復雜，裝配難度較大，精度保障困難，聚光效率低，成本昂貴。因此，采用桁架與分塊結構方法設計制造大型碟式太陽能聚光器存在一些技術難點，簡化大型碟式太陽能聚光器的結構及制造方法是亟待解決的問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了改善桁架與分塊結構方法的缺陷，提出了一種大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法，本發明的聚光器鏡面形成雙曲率拋物面，能夠保證聚光效率，同時該方法能夠大大簡化設計制造過程，減小制造裝配難度，降低制造成本。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0006]一種大型碟式太陽能聚光器鏡面，其特征在于，該聚光器鏡面由支撐機構和多個花瓣片組成，每個花瓣片為扇形，在徑向具有拋物線曲率，在周向為圓弧結構，花瓣片安裝在支撐機構上，并沿圓周方向均勻布置，相鄰花瓣片之間留有縫隙，以此減小風載荷對鏡面形狀的影響；所述支撐機構包括頂端支撐環，多個中間支撐環，底端支撐環和徑向連接條；所述徑向連接條由沿周向均勻布置的多個長條狀結構組成，所述頂端支撐環，中間支撐環和底端支撐環均為圓環狀結構，圓環半徑逐漸減小，依次連接在徑向連接條上，該支撐機構在空間形成離散的雙曲率拋物面。
[0007]所述頂端支撐環和底端支撐環上分別有頂端限位凹槽和底端限位凹槽，用于固定花瓣片的兩端。
[0008]所述的多個中間支撐環由外向內半徑依次縮小，所述花瓣片與各中間支撐環接觸，各花瓣片在中間支撐環位移約束下產生彎折變形，形成雙曲率拋物面。
[0009]本發明還提出一種上述大型碟式太陽能聚光器鏡面的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0010]I)根據給定雙曲率拋物面的參數確定支撐機構的頂端支撐環、底端支撐環的直徑，徑向連接條數量以及每個花瓣片的尺寸，每個花瓣片在彎折前為一個平面扇形薄片；
[0011]2)確定所述花瓣片彎折后的位移值:設花瓣片彎折后為具有雙曲率的拋物面扇形；根據花瓣片上各個點彎折前后對應坐標的變化得到彎折后各個點的位移值；
[0012]3)確定支撐機構的中間支撐環的數量和尺寸:根據花瓣片上各個點彎折后的位移值，在彎折前的花瓣片上選取一系列點作為位移約束點，將該點在彎折后的位移值作為中間支撐環施加的位移約束，對彎折過程仿真，得到彎折后的花瓣片的形狀，從仿真結果中提取彎折后的花瓣片的形狀曲線，對提取的形狀曲線采用垂直入射光進行光路模擬，計算花瓣片彎折后的聚光效率；通過對位移約束點進行不同的組合，得到使得聚光效率最大的位移約束點組合，由該位移約束點組合中的位移約束點數量和位置確定支撐機構的中間支撐環的數量和尺寸；
[0013]4)根據各支撐環的尺寸確定徑向連接條的長度，使徑向連接條能夠將頂端支撐環，底端支撐環和多個中間支撐環連接起來，并使各個支撐環在空間形成離散的雙曲率拋物面；
[0014]5)將多個花瓣片沿支撐機構的圓周方向均勻布置，相鄰花瓣片之間留有縫隙，各個花瓣片的頂端和底端分別固定在頂端支撐環和底端支撐環上，并在多個中間支撐環位移約束下產生彎折變形，形成雙曲率拋物面。
[0015]本發明的特點及有益效果是:
[0016]本發明采用花瓣片的方式形成碟式太陽能聚光器鏡面，并利用外部支撐的方式對碟式太陽能聚光器的花瓣片進行彎折變形，形成雙曲率拋物面；通過對花瓣片位移約束進行理論分析和仿真計算，并對在不同位移約束點施加位移約束后的變形情況進行比較，確定支撐機構的中間支撐環的數量和尺寸，使得花瓣片盡量接近理想的雙曲率拋物面。
[0017]本發明能夠大大簡化制造過程，減小制造裝配難度，并能夠保證聚光器鏡面的聚光效率，降低制造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明實施例大型碟式太陽能聚光器鏡面的結構示意圖；
[0019]圖2是本發明實施例中的支撐機構的整體結構示意圖；
[0020]圖3是本發明實施例中的支撐機構的頂端支撐環結構示意圖；
[0021]圖4是本發明實施例中的支撐機構的底端支撐環結構示意圖；
[0022]圖5是本發明實施例中的花瓣片彎折前的結構示意圖；
[0023]圖6是本發明實施例中的花瓣片彎折后的結構示意圖；
[0024]圖中:1_支撐機構、2-花瓣片、11-頂端支撐環、12-中間支撐環、13-徑向連接條、14-底端支撐環、111-頂端限位凹槽、141-底端限位凹槽。
【具體實施方式】
[0025]本發明提出的大型碟式太陽能聚光器鏡面及其制造方法結合附圖及實施例詳細說明如下:
[0026]本發明碟式太陽能聚光器鏡面實施例結構如圖1所示，該實施例的碟式太陽能聚光器鏡面由支撐機構I和花瓣片2組成，該實施例中鏡面的雙曲率拋物面焦距為f =200mm，所述花瓣片2為六個，每個花瓣片2為扇形，在徑向具有拋物線曲率，在周向為圓弧結構，六個花瓣片2安裝在支撐機構I上，并沿圓周方向均勻布置，每個花瓣片所占的圓心角為50°，相鄰花瓣片2之間留有圓心角為10°的縫隙，以此減小風載荷對鏡面形狀的影響，花瓣片采用的材料為彈簧鋼，并在彈簧鋼表面用反光材料鍍膜增加鏡面反光性能。如圖
2、3和4所示，所述支撐機構I包括頂端支撐環11，中間支撐環12，底端支撐環14和徑向連接條13，支撐機構I采用鋼型材料作為支撐結構；所述徑向連接條13由沿圓周方向均勻布置的多個長條狀結構組成，所述頂端支撐環11，中間支撐環12和底端支撐環14均為圓環狀結構，圓環半徑逐漸減小，并依次連接在徑向連接條13上，其中頂端支撐環11的半徑為500mm,即聚光器鏡面的開口半徑為500mm,底端支撐環14的半徑為80mm ;如圖3和4所示，所述頂端支撐環11和底端支撐環14上分別有頂端限位凹槽111和底端限位凹槽141，用于固定花瓣片2的兩端，所述中間支撐環12由四個圓環構成，圓環半徑由外向內依次為400mm、325mm、225mm和10mm ;所述頂端支撐環11，底端支撐環14和中間支撐環12的高度位置由其半徑和雙曲率拋物面方程確定，使各個支撐環在空間形成離散的雙曲率拋物面，所述花瓣片2與中間支撐環12接觸，各花瓣片2受到中間支撐環12給予的位移約束，進行彎折變形，形成雙曲率拋物面。
[0027]本發明提出的上述大型碟式聚光器鏡面的制造方法的【具體實施方式】，包括以下步驟:
[0028]I)根據給定雙曲率拋物面的參數確定支撐機構I的頂端支撐環11直徑X_，底端支撐14環直徑Xmin，徑向連接條13數量n，花瓣片2的數量與徑向連接條13的數量相同，每個花瓣片2在彎折前為一個平面扇形薄片，彎折前的花瓣片2的圓心角為α，厚度為h ；
[0029]2)確定所述花瓣片2彎折后的位移，具體實現過程如下:
[0030]如圖5和6所示，設花瓣片2彎折后為具有雙曲率的拋物面扇形，花瓣片采用的材料為彈簧鋼，并在彈簧鋼表面用反光材料鍍膜增加鏡面反光性能；由于本方法中通過支撐機構I給定位移約束使花瓣片2彎折，因此，需要計算花瓣片2彎折后的位移值。如圖5所示，彎折前的花瓣片2扇形的圓心角為α，在其中一條半徑上建立坐標系0-S，坐標原點位于扇形圓心處；在該花瓣片2上,對于以O為圓心的任意一條圓弧AB,圓弧半徑為s,則圓弧AB的長度為:
[0031]h.a
[0032]該圓弧上任意一點P的坐標都可以用圓弧半徑s和相應的圓心角Θ來表示，記為P(s, Θ)。
[0033]假設在彎折過程中，圓弧AB的位置和長度不變，即s和^不變。如圖6所示，彎折后的花瓣片2的形狀為理想的雙曲率拋物面，在彎折后的花瓣片2上建立坐標系0-ΧΖ，坐標原點位于花瓣片2的端點處，花瓣片2在坐標系O-XZ中的拋物線方程為:
[0034]
【權利要求】
1.一種大型碟式太陽能聚光器鏡面，其特征在于，該聚光器鏡面由支撐機構和多個花瓣片組成，每個花瓣片為扇形，在徑向具有拋物線曲率，在周向為圓弧結構，花瓣片安裝在支撐機構上，并沿圓周方向均勻布置，相鄰花瓣片之間留有縫隙，以此減小風載荷引起的鏡面變形；所述支撐機構包括頂端支撐環，多個中間支撐環，底端支撐環和徑向連接條；所述徑向連接條由沿周向均勻布置的多個長條狀結構組成，所述頂端支撐環，中間支撐環和底端支撐環均為圓環狀結構，圓環半徑逐漸減小，依次連接在徑向連接條上，該支撐機構在空間形成離散的雙曲率拋物面。
2.如權利要求1所述的支撐機構，其特征在于，所述頂端支撐環和底端支撐環上分別有頂端限位凹槽和底端限位凹槽，用于固定花瓣片的兩端。
3.如權利要求1所述的支撐機構，其特征在于，所述的多個中間支撐環由外向內半徑依次縮小，所述花瓣片與各中間支撐環接觸，各花瓣片在中間支撐環位移約束下產生彎折變形，形成雙曲率拋物面。
4.一種制造如權利要求1所述的大型碟式太陽能聚光器鏡面的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)根據給定雙曲率拋物面的參數確定支撐機構的頂端支撐環、底端支撐環的直徑，徑向連接條數量以及每個花瓣片的尺寸，每個花瓣片在彎折前為一個平面扇形薄片； 2)確定所述花瓣片彎折后的位移值:設花瓣片彎折后為具有雙曲率的拋物面扇形；根據花瓣片上各個點彎折前后對應坐標的變化得到彎折后各個點的位移值； 3)確定支撐機構的中間支撐環的數量和尺寸:根據花瓣片上各個點彎折后的位移值，在彎折前的花瓣片上選取一系列點作為位移約束點，將該點在彎折后的位移值作為中間支撐環施加的位移約束，對彎折過程仿真，得到彎折后的花瓣片的形狀，從仿真結果中提取彎折后的花瓣片的形狀曲線，對提取的形狀曲線采用垂直入射光進行光路模擬，計算花瓣片彎折后的聚光效率；通過對位移約束點進行不同的組合，得到使得聚光效率最大的位移約束點組合，由該位移約束點組合中的位移約束點數量和位置確定支撐機構的中間支撐環的數量和尺寸； 4)根據各支撐環的尺寸確定徑向連接條的長度，使徑向連接條能夠將頂端支撐環，底端支撐環和多個中間支撐環連接起來，并使各個支撐環在空間形成離散的雙曲率拋物面； 5)將多個花瓣片沿支撐機構的圓周方向均勻布置，相鄰花瓣片之間留有縫隙，各個花瓣片的頂端和底端分別固定在頂端支撐環和底端支撐環上，并在多個中間支撐環位移約束下產生彎折變形,形成雙曲率拋物面。
【文檔編號】G02B7/185GK104133287SQ201410368302
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】吳軍, 陳曉磊, 吳明碩, 王立平, 李鐵民 申請人:清華大學