碟式聚能支架及碟式聚能鏡的製作方法

2023-12-10 13:42:12

本發明涉及太陽能聚能設備技術領域，具體涉及一種碟式聚能支架及碟式聚能鏡。

背景技術：

現有技術中照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，與全球人類1年的能源消耗相當。相對於煤炭、石油和天然氣等不可再生資源，太陽能可視為一款真正的取之不盡、用之不竭的清潔能源。太陽能熱力發電區別於光伏發電系統，是光能發電的一種全新的能源利用形式，是一種新型的朝陽產業，具有非常廣闊的發展前景。現有技術中的碟式太陽能熱力發電是利用凹面鏡匯聚光線匯聚熱能，而後利用斯特林發動機將太陽能轉化為機械能輸出，最後通過斯特林發動機帶動發電設備達到產生電能的技術效果。現有技術中的太陽能採集設備通常存在陽光採集率低的技術問題，太陽能聚光鏡結構不合理，陽光光強追蹤響應不靈敏等技術缺陷極大的降低了太陽能的利用轉化效率。

因此研發一款碟式聚能支架及應用該支架的碟式聚能鏡，以提高現有技術中太陽能採集的有效利用率成為一種必需。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種碟式聚能支架及應用該碟式聚能支架的碟式聚能鏡，具有陽光追蹤精度高，光能捕捉效率高，光強相應靈敏的優點。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現：

一方面，本發明提供一種碟式聚能支架，包括：支撐柱、碟式聚光鏡支撐架、仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置；所述支撐柱通過所述陽光追蹤轉向裝置與所述仰角調節裝置連接，所述仰角調節裝置與所述碟式聚光鏡支撐架連接，還包括：陽光跟蹤系統，所述陽光跟蹤系統包括：室外光強採集傳感器和與所述室外光強採集傳感器連接的控制器；所述仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置分別與所述控制器連接。

在優選的實施方案中，所述碟式聚光鏡支撐架的軸截面弧線為雙曲線。

在優選的實施方案中，所述室外光強採集傳感器設置在所述碟式聚光鏡支撐架的實軸所在的直線上，所述控制器用於根據所述室外光強採集傳感器反饋的光強信息控制所述仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置動作；當所述仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置動作停止時，太陽的中心位於所述碟式聚光鏡支撐架的實軸所在的直線上。

在優選的實施方案中，所述仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置的驅動裝置均分別為步進電機。

在優選的實施方案中，還包括加熱裝置，所述加熱裝置固設在所述碟式聚光鏡支撐架上，當所述加熱裝置開啟時，所述碟式聚光鏡支撐架位於所述加熱裝置產生的溫度場範圍內。

另一方面，本發明還提供一種碟式聚能鏡，包括碟式聚能支架，所述碟式聚能鏡由若干片碟式聚光鏡拼接而成，所述碟式聚光鏡的外形與所述碟式聚能支架的外形相適配；所述碟式聚能支架為如前所述的碟式聚能支架。

在優選的實施方案中，所述碟式聚光鏡由鍍膜玻璃鏡和貼附在所述鍍膜玻璃鏡上的玻璃鋼組成。

在優選的實施方案中，所述玻璃鋼由熱固性塑料的模壓料在模具中加壓固化後形成。

在優選的實施方案中，所述模壓料包括：預浸膠布、纖維預混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC中的至少一種。

本發明的有益效果為：

一方面，本發明通過提供一種碟式聚能支架，通過為碟式聚光鏡支撐架設置仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置，為調節碟式聚光鏡支撐架的俯仰角及以重力方向為軸，東西朝向旋轉碟式聚光鏡支撐架提供了有力的結構支持；本發明進一步通過為碟式聚能支架設置陽光跟蹤系統，能夠充分利用室外光強採集傳感器的反饋信號，高效的追蹤太陽光，為提升太陽能的利用率提供了更進一步的技術支持。

進一步的，本發明通過將碟式聚光鏡支撐架的軸截面弧線設置為雙曲線，有助於達到更好的弧面聚光的技術效果，相比拋物線及圓弧，其聚光性更為突出，更有利於實現光線匯聚，能夠讓匯聚光線更好的包裹在聚光區域，而非僅集聚在一點，避免由光線匯聚形成的聚能區域具備溫度過高灼傷集熱設備。

進一步的，本發明通過將室外光強採集傳感器設置在碟式聚光鏡支撐架的實軸所在的直線上，有助於達到精確追蹤光強的技術效果。

進一步的，本發明通過為碟式聚光鏡支撐架設置加熱裝置，有助於達到冬季融化殘餘積雪的技術效果，有助於及時提高反光效率，提高太陽能的利用率；此外，加熱裝置的設置還能額外取得在清潔反射鏡面後快速烘乾鏡面上殘餘水霧的技術效果。

另一方面，本發明通過提供一種碟式聚能鏡，通過採用上述碟式聚能支架能夠達到高效匯聚光線，快速響應光強變化，及時調整對光角度的技術效果，時刻保持碟式聚能鏡處於最佳匯聚光線的工作狀態，為提升太陽能的利用效率提供了有力的結構支持。

進一步的，本發明通過為鍍膜玻璃鏡貼附玻璃鋼，有助於提升碟式聚光鏡的結構強度，並進一步提升其抗老化，耐衝擊的技術效果，有助於延長由碟式聚光鏡拼接後形成的碟式聚能鏡的使用壽命。

進一步的，本發明通過採用熱固性塑料的模壓料在模具中加壓固化後製成的玻璃鋼，為提升鍍膜玻璃鏡的結構強度，延長其使用壽命提供有力的結構支持。

進一步的，本發明通過採用預浸膠布、纖維預混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC中的至少一種作為模壓料為製備玻璃鋼提供了有力的材料支持，形成的玻璃鋼能夠取得更好的透光率及更為良好的結構強度。

附圖說明

下面根據附圖對本發明作進一步詳細說明。

圖1是本發明實施例1中碟式聚能支架的結構示意圖；

圖2是本發明實施例2中碟式聚能支架的局部結構示意圖；

圖3是本發明實施例3中碟式聚能鏡結構示意圖；

圖4是本發明實施例3中碟式聚光鏡弧線計算方法示意圖；

圖5是本發明實施例3中碟式聚能支架的局部單位的構造圖。

圖中：

100、支撐柱；200、碟式聚光鏡支撐架；300、仰角調節裝置；400、陽光追蹤轉向裝置；500、陽光跟蹤系統；510、室外光強採集傳感器；520、控制器；600、加熱裝置；700、碟式聚光鏡；D、碟式聚能鏡的直徑；d、聚焦點直徑；L、聚焦點離弧底鏡面高度；a、半實軸；c、半焦距；m、與聚焦點圓面距離最近的雙曲線焦點據聚焦點圓面的距離；F、40*40*4的方形管；G、40*30*4的U形管。

具體實施方式

實施例1：

如圖1所示，本發明提供一種碟式聚能支架，包括：支撐柱100、碟式聚光鏡支撐架200、仰角調節裝置300和陽光追蹤轉向裝置400；所述支撐柱100通過所述陽光追蹤轉向裝置400與所述仰角調節裝置300連接，所述仰角調節裝置300與所述碟式聚光鏡支撐架200連接，還包括：陽光跟蹤系統500，所述陽光跟蹤系統包括：室外光強採集傳感器510和與所述室外光強採集傳感器連接的控制器520；所述仰角調節裝置300和陽光追蹤轉向裝置400分別與所述控制器520連接。

優選的，在本實施例的一個優選技術方案中，所述碟式聚光鏡支撐架的軸截面弧線為雙曲線。本發明通過將碟式聚光鏡支撐架的軸截面弧線設置為雙曲線，有助於達到更好的弧面聚光的技術效果，相比拋物線及圓弧，其聚光性更為突出，更有利於實現光線匯聚，能夠讓匯聚光線更好的包裹在聚光區域，而非僅集聚在一點，避免由光線匯聚形成的聚能區域具備溫度過高灼傷集熱設備。

優選的，在本實施例的一個優選技術方案中，所述室外光強採集傳感器設置在所述碟式聚光鏡支撐架的實軸所在的直線上，所述控制器用於根據所述室外光強採集傳感器反饋的光強信息控制所述仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置動作；當所述仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置動作停止時，太陽的中心位於所述碟式聚光鏡支撐架的實軸所在的直線上。本發明通過將室外光強採集傳感器設置在碟式聚光鏡支撐架的實軸所在的直線上，有助於達到精確追蹤光強的技術效果。

優選的，在本實施例的一個優選技術方案中，所述仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置的驅動裝置均分別為步進電機。

優選的，在本實施例的一個優選技術方案中，支撐柱和碟式聚光鏡支撐架採用表面陽極氧化處理的鋁合金外殼作為外層表面防護，能夠更進一步耐老化，並擁有更長的使用壽命。

優選的，在本實施例的一個優選技術方案中，支撐柱和碟式聚光鏡支撐架在製作時採用全自動無鉛焊接，符合國家規範。

使用時，可利用控制器控制仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置動作，自動精確捕捉每一絲光線，讓太陽光利用率最大化，系統簡約，跟蹤精度高，整個碟式聚光鏡支撐架的工作姿態不受天氣、季節、和地理位置影響，適合廣泛應用於太陽能光伏發電、光熱發電，及熱利用設施自動跟蹤中，為太陽能跟蹤工程提供配套和系統的解決方案提供強有力的結構支持。

優選的，本實施例中上述控制器具備下述功能：

1.晴天光控跟蹤，陰天時控運行，雨雪天休眠，傍晚復位東方豎直狀態或水平狀態。

2.大風保護模式、大雪模式。風天或雪天，主動調整碟式聚光鏡支撐架的姿態，以便整碟式聚光鏡支撐架承受當前最小的風壓及儘可能覆蓋最少量的積雪。

3.過載保護、短路保護、瞬間幹擾信號抑制功能。當室外光強採集傳感器瞬間被強光照射時，控制器能夠做出智能識別，不會發出調整仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置動作的指令。

4.工作狀態顯示，即使顯示當前的光照強度。

本發明通過提供一種碟式聚能支架，通過為碟式聚光鏡支撐架設置仰角調節裝置和陽光追蹤轉向裝置，為調節碟式聚光鏡支撐架的俯仰角及以重力方向為軸，東西朝向旋轉碟式聚光鏡支撐架提供了有力的結構支持；本發明進一步通過為碟式聚能支架設置陽光跟蹤系統，能夠充分利用室外光強採集傳感器的反饋信號，高效的追蹤太陽光，為提升太陽能的利用率提供了更進一步的技術支持。

實施例2：

如圖2所示，本實施例在實施例1的基礎上，還包括加熱裝置600，所述加熱裝置600固設在所述碟式聚光鏡支撐架200上，當所述加熱裝置600開啟時，所述碟式聚光鏡支撐架位於所述加熱裝置產生的溫度場範圍內。本發明通過為碟式聚光鏡支撐架設置加熱裝置，有助於達到冬季融化殘餘積雪的技術效果，有助於及時提高反光效率，提高太陽能的利用率；此外，加熱裝置的設置還能額外取得在清潔反射鏡面後快速烘乾鏡面上殘餘水霧的技術效果，為雨後快速讓鏡面投入聚能工作提供有力的結構支持。

實施例3：

圖3所示，本實施例在上述實施例基礎上提供一種碟式聚能鏡，包括碟式聚能支架200，所述碟式聚能鏡由若干片碟式聚光鏡700拼接而成，所述碟式聚光鏡700的外形與所述碟式聚能支架200的外形相適配；所述碟式聚能支架為上述實施例中的碟式聚能支架。

優選的，在本實施例的一個優選技術方案中，所述碟式聚光鏡由鍍膜玻璃鏡和貼附在所述鍍膜玻璃鏡上的玻璃鋼組成。本發明通過為鍍膜玻璃鏡貼附玻璃鋼，有助於提升碟式聚光鏡的結構強度，並進一步提升其抗老化，耐衝擊的技術效果，有助於延長由碟式聚光鏡拼接後形成的碟式聚能鏡的使用壽命。

其中，在本實施例的一個優選技術方案中，碟式聚光鏡弧線計算過程如下：碟式聚光鏡弧線為雙曲線，遵循雙曲線反射幾何關係將太陽光聚焦到焦點處，圖4所示，碟式聚能鏡的直徑D為12米，展開面積約107平方米，聚焦點直徑d為0.3米，聚焦點離弧底鏡面高度L為9.27米，設定碟式聚光鏡弧線的半實軸a長10米，依據雙曲線方程算得虛軸長即可得到雙曲線截面的弧線方程中半焦距c為10米，虛軸長為33.462米，並進一步通過幾何關係算得與聚焦點圓面距離最近的雙曲線焦點據聚焦點圓面的距離m為0.2217米。

依據上述尺寸製作單片碟式聚光鏡，碟式聚光鏡由鍍膜玻璃鏡和貼附在所述鍍膜玻璃鏡上的玻璃鋼組成，玻璃鋼表面碟體板厚度優選為4.5mm，鍍膜玻璃鏡厚度為1.2mm。碟式聚能支架優選採用軍用雷達片式鋼梁結構，材料選擇為Q235，鋼梁截面形狀以方形和U形為主。圖5所示，碟式聚能支架的局部單位的構造圖，兩側選用40*40*4的方形管F，中間選用40*30*4的U形管G作為支撐，進而為裝配單片碟式聚光鏡提供穩固的結構支撐。

本發明通過提供一種碟式聚能鏡，通過採用上述碟式聚能支架能夠達到高效匯聚光線，快速響應光強變化，及時調整對光角度的技術效果，時刻保持碟式聚能鏡處於最佳匯聚光線的工作狀態，為提升太陽能的利用效率提供了有力的結構支持。

優選的，在本實施例的一個優選技術方案中，所述玻璃鋼由熱固性塑料的模壓料在模具中加壓固化後形成。本發明通過採用熱固性塑料的模壓料在模具中加壓固化後製成的玻璃鋼，為提升鍍膜玻璃鏡的結構強度，延長其使用壽命提供有力的結構支持。

優選的，在本實施例的一個優選技術方案中，所述模壓料包括：預浸膠布、纖維預混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC中的至少一種。本發明通過採用預浸膠布、纖維預混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC中的至少一種作為模壓料為製備玻璃鋼提供了有力的材料支持，形成的玻璃鋼能夠取得更好的透光率及更為良好的結構強度。

實施例4：

本實施例在上述實施例的基礎上，提供製作碟式聚能支架的計算過程如下：

載荷計算：

(1)橫向作用風載

ωk——任意高度處的風載荷標準值KN/m2；

ω0——基本風壓KN/m2，取0.5；

μz——風壓高度變化係數，取1.0；

μs——風荷載體型係數，取1.3；

βz——順風向Z高度處的風振係數，計算得2.6128；

計算得ωk＝1.69832KN/m2。

(2)豎向風載，荷載標準值取0.3KN/m2。

(3)雪荷載，取0.40KN/m2。

(4)玻璃荷載，按自重25.6KN/m3計算，1.2mm厚鍍膜玻璃自重荷載0.03072KN/m2。

(5)玻璃鋼荷載，按按自重22KN/m3計算，4.5mm厚鍍膜玻璃自重荷載0.099KN/m2。

(6)施工時活荷載取2.0KN/m2。

(7)由可變荷載效應控制的組合，計算S＝3.376KN/m2。

託架單個扇面計算：

託架單個扇面長5.422m；外弧長2.837m；單塊玻璃鋼尺寸約1.1×0.55m；最大跨度5塊連續，總長度2.87m。

(1)U形管計算

鋼材材質Q235，材料強度設計值215N/m m2。外邊最大跨縱肋跨中彎矩組合設計值計算：

q＝3.376×0.55/2＝0.928KN/m；

<![CDATA[ M = 1 8 ql 2 = 0.955 K N m ; ]]>

抵抗矩W＝55×5×2/6＝91.66cm3；

選25U，W＝81.68cm3，不滿足要求；

選29U，W＝106cm3，滿足要求；滿足要求。29U詳細參數參見U型鋼參數表。

(2)外框40方鋼管計算：

如果選用40×40×3.5方鋼管，計算如下：

臨界軸力

不滿足要求。

如果選用40×40×4的方鋼管，E＝2×105Mpa，I＝14.37cm4，截面面積A＝5.49cm2，臨界軸力344Mpa，滿足要求，故選用40×40×4的方鋼管。

(3)託架鋼支架梁方管計算：

鋼材材質Q235，材料強度設計值215N/mm2；受彎構件撓度容許值1/1000＝5.422mm；簡化後的線荷載q＝3.376×(114/12)/(2×5.422)＝2.958KN/m；計算長度l按規範取懸臂長度的2倍＝5.422×2＝1084.4cm。

懸臂材料選擇：如果選用40×40×4的方鋼管，E＝2×105Mpa，I＝14.37cm4，方形管b＝4cm，拼裝的梁高104cm，支架梁的截面慣性彎曲變形驗算，懸臂遠端部最大位移：計算後f＝6.82mm＞5.422mm，不滿足要求。改選用50×50×6的方鋼管，E＝2×105Mpa，I＝33.35cm4，方鋼管b＝5cm，拼裝的梁高105cm，支架梁的截面慣性彎曲變形驗算，懸臂遠端部最大位移計算後f＝5.30mm<5.422mm，滿足要求，因此懸臂管材料選擇選用50×50×6的方鋼管。

(4)立柱計算：

荷載計算：增加橫向作用風載，增加轉動設備重量1200公斤，增加上部結構自重。均布活荷載不與雪荷載及施工荷載同時組合計算，

S＝1.2×0.12972+1.4×1.69832+1.4×0.3＝2.953kN/m2。活荷載重：2.953×114＝336.642kN；上部鋼架結構自重：方管40×40×4長約為269m，重1226公斤；鋼支架管約360m長，重2811公斤，小計4037公斤。最大偏心距，在聚光鏡完全與支撐立柱垂直時最大偏心距為3m，則附加彎矩

M＝3×(336.42+4.037×9.8)＝1127.95kN/m；

P＝336.42+1.2×9.8+4.037×9.8＝387.74kN。

鋼材材質Q235，材料強度設計值215N/mm2，E＝2×105Mpa；圓管截面積如果選用600mm壁厚4mm的圓鋼管，A＝2825.8744cm2，如果選用600mm壁厚4mm的圓鋼管，I＝635850cm4；受彎構件撓度容許值＝8mm；簡化後的線荷載q＝336.42/8＝42.05kN/m；計算長度＝8m。彎曲變形驗算：懸臂遠端部最大位移：計算後不滿足要求。改選用760mm×壁厚8mm的圓鋼管，I＝1636831.74cm4，計算後滿足要求。強度驗算：760mm×壁厚8mm的圓鋼管，A＝4533.66cm2，

強度滿足要求。因此選擇760mm×壁厚8mm的圓鋼管。

(5)拉鉚釘計算：

單塊承受外力設計值：N＝(3.376+1.69832)×(1.1×0.55)＝3.07kN；

方管壁厚t＝4mm；鍍膜玻璃厚度1.2mm選取直徑2.5mm，強度設計值的拉鉚釘，計算：

N取兩者中小值

需要錨栓個數

錨栓距離：L＝3d＝7.5mm，取5mm的整數，選擇為10mm；優選梅花型布置。

本發明不局限於上述最佳實施方式，任何人在本發明的啟示下都可得出其他各種形式的產品，但不論在其形狀或結構上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的技術方案，均落在本發明的保護範圍之內。