一种定日镜的支撑调整结构设计

牛文达，杨 帆，魏秀东

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130000）

一种定日镜的支撑调整结构设计

牛文达，杨 帆，魏秀东

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130000）

针对现有定日镜支撑技术的缺陷，设计了一种简单可靠、便于装调的定日镜支撑调整结构。通过对关键部件的有限元分析，验证了该结构设计的可靠性，为定日镜的支撑结构设计提供依据。

定日镜；支撑结构

0 引言

定日镜是太阳能塔式热发电系统中的重要聚光元件，可以利用定日镜跟踪太阳并将太阳辐射会聚在吸热装置上，从而获得高温热能[1]。定日镜主要由反射镜、支撑结构、跟踪传动结构及其控制系统等组成。其中，支撑结构的设计不仅关系到定日镜的聚光效率，同时也决定其强度和寿命。目前定日镜支撑结构多采用若干球头螺杆配合粘接反射镜的吸盘推拉平面反射镜进而获得需要的曲面镜，通过螺栓安装在支撑装置的主体上[2]。这种方式原理简单，但是实际过程中，平面反射镜经过推拉变形后，面形发生不均匀形变，轻者造成聚光效率的降低，重者则造成反射镜的碎裂，大大提高了整体的成本。针对这一缺陷，从理论上采用弧形反射镜单元支撑载体可以解决这个技术难题[3]，但是实际从加工成本和装调的角度上，反射面支撑单元需要和反射面具有相同的曲率，支撑装置主体也需要相应的曲率，不仅对加工要求很高，在装调和检测的过程中也会遇到很大的麻烦。基于上述原因，本文提出了一种定日镜的支撑结构的设计，能够解决所述的问题，便于加工、安装和调试，保证聚光效率。

1 定日镜支撑结构设计

如图1所示，该定日镜包括25个子镜单元，每个子镜单元由一个小桁架和四个子镜单元及每个小镜片对应一个球头调整装置组成，通过球头调整装置调节每个小镜片的角度使子镜单元拼接成需要的面形。小桁架固定于大桁架上，大桁架上配备有若干矢高基准块，可以调整子镜单元拼接而成的面形，减速器通过法兰连接固定于大桁架上，25个子镜单元固定于底部立柱和弯头上。

1.1 球头调整装置设计

如图2所示，1为反射镜吸盘与反射镜胶接，2为上侧调整螺母，与反射镜吸盘螺纹连接，3为下侧调整螺母通过螺栓与上侧调整螺母连接，4为球头螺杆。其中，球头螺杆固定于小桁架上，可以对其进行高度调节，其球头部分与上侧调整螺母和下侧调整螺母的锥面配合，锥角根据需要调整的角度而定。通过四个调整螺栓可以对与反射镜吸盘胶接的反射镜进行角度调整。

图1 定日镜整体结构Fig.1 The whole structure of heliostat

图2 球头调整装置Fig.2 The ball head adjusting device

1.2 小桁架设计

小桁架由空心方钢焊接而成，四周焊接有一定厚度的钢板，对应每个小镜片的球头调整装置处对应开有通孔，利用螺母调整反射镜的角度和高度。中心对应大桁架上矢高基准块的位置对应开有通孔，可以在大桁架上整体调整一个反射单元的高度和角度。整体空心方钢焊接的设计，大大缩小了加工成本。

1.3 大桁架设计

大桁架总体采用焊接结构，其横向桁架上焊接有不同高度的矢高基准块，每个矢高基准块高度由整体拼接反射镜的面形而定，纵向桁架通过腹杆焊接在连接传动机构的法兰上，同时通过四个空间斜腹杆焊接与纵向桁架焊接，两个横向肋杆与法兰焊接，大大提高了整体大桁架的支撑强度和刚度。由于整体采用标准空心方钢焊接，大大减小加工成本。

图3 大桁架Fig.3 The bigger truss

1.4 弯头和底部立柱设计

传统定日镜采用双轴跟踪设计，跟踪装置机构复杂，成本极高。本文所述的定日镜采用的是目标定位跟踪方式，即第一轴指向目标，第二轴与第一轴正交且位于镜面内。为使第一轴指向目标吸收塔，设计一个弯头，由两个空心钢管焊接而成，两个空心钢管成一定的夹角，夹角由目标吸收塔的高度和距离而定，弯头的两侧焊接两个钢板分别与传动机构和底部支柱螺栓连接。为保证弯头的强度，在弯角处均匀焊接四个加强肋板，保证强度可靠的同时，保证其刚度和精度。底部支柱由标准的空心钢管两侧分别焊接钢板，一侧与弯头螺栓连接，另一侧与地基采用膨胀螺栓连接。

2 等效风载静力学分析

2.1 风载荷计算

风荷载的计算公式为：

w=μsμzβzω0

式中：μs—风载体型系数；μz—风压高度变化系数；βz—Z高度处的风振系数（风振系数把风成份中的脉动风引起的风振效应转换成等效静力荷载所乘的系数）；ω0—基本风压，可根据地区查表（全国各城市的雪压和风压值）得到。依据参考文献[4]可定为1.67；μz对B类地貌，当高度h≤12m时，取1.0，由于镜面板高度小于10m，所以取为1.0；文献[5]中计算了相应的风振系数，最大为3.0， 计算中取βz=3.0；查表可得长春地区基本风压为0.45kN/m2。所以定日镜的风荷载取为：

w=1.67×1×3×0.45=2.2545kN/m2=2254.5Pa

2.2 关键零部件的有限元分析

把脉动的风压等效成静态风压加载到小镜片和桁架中，进行静力学有限元分析，得到如图4、图5所示的结果，从图中可以看出，小镜片和大桁架变形很小，故支撑结构稳定牢固，设计合理。

图4 镜片变形分析Fig.4 Deformation analysis of reflector

3 结论

为了克服推拉平面镜变形而获得所需要面形的设计缺陷以及加工成本高、装调难度大的实际问题，本文设计了一种简单可靠、便于装调的定日镜支撑调整结构，经过理论计算，把脉动风载等效成静态风载，利用ANSYS对关键零部件进行静力学有限元分析，结果表明，关键部件变形很小，证明了本文设计的支撑调整结构可靠合理，为定日镜的支撑结构设计提供依据。

图5 桁架变形分析Fig.5 Deformation analysis of high truss

[1]魏秀东，卢振武，林梓，等.太阳能塔式电站轮胎面定日镜的设计及性能分析[J].光子学报，2008，11.

[2]王志峰，臧春城，刘晓冰，等.一种定日镜支撑装置[P].中国：CN101187724A,2010，06，02.

[3]倪伟跃，李胜涛，李艳厦，等.一种定日镜的反射镜用支撑调形装置[P].中国：CN201600486A.

[4]宫博，李正农，王莺歌，等．太阳能定日镜结构风载体型系数风洞试验研究[J]．湖南大学学报，2008，9．

[5]王莺歌，李正农，宫博，等．定日镜结构风振响应的时域分析[J]．振动工程学报，2008，5．

Design on the Supporting and Adjusting Structure of Heliostat

NIU Wen-Da，YANG Fan，WEI Xiu-Dong
（Changchun Institute of Optics,Fine mechanics and Physics,Chinese Academy of Science,Changchun Jilin 130000,China）

In view of the defect on the supporting structure of heliostat,we design a heliostat supporting and adjusting structure that is simple and reliable,moreover,easy to assemble and test.By finite element analysis on some key unit,we prove that the structure is pretty reliable,so this article provides technological support for design of heliostat supporting and adjusting structure.

heliostat；supporting structure

TH7

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.001

1002－6673（2014）03－001－02

2014－04－08

项目来源：国家973计划 （2010CB227101）；国家863计划（2012AA050602）

牛文达（1983-），男，吉林长春人，硕士生，助理研究员。从事太阳能跟踪设备研制。已发表论文六篇；杨帆（1984-），男，吉林长春人，硕士生，助理研究员。从事太阳能跟踪设备与光栅尺研制。已发表论文四篇。