塔式太阳能热发电中定日镜的设计及性能分析
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一般定日镜设计过程中,将传动部件的选型 约束条件设定为输出力矩大于自重负载与极限风 抗负载之和。本文给出定日镜在高度角和方位角 均实现静平衡,即镜子支架的两轴转动轴线均通 过重心。将定日镜自重负载理论值降为零,驱动力 仅需大于风抗负载,从而减小塔式太阳能热发电 中定日镜的运行负荷,降低传动部件生产成本以 及提高传动性能。
与镜子支架转动角度转变为非线性关系。通过建 模计算(图4),可建立电动推杆上电机及垂直轴蜗 杆上电机转动角度与镜子支架转动角度的关系, 表达式为:
19 SOLAR ENERGY 17/2013
SOLAR ENERGY
太 阳 能 技术产品与工程
{θ=arccos l 21 + l2 22l - 1 ln 2水 2 i 水2 +β-90¡
通过开环控制来确定镜子支架的两轴转动角度。
力学仿真,得到镜面变形模型;(3)导出变形镜面 模型,进行光学仿真;(4)验证光斑合理性。
六 镜子支架设计 为实现镜子支架关于两转轴静平衡,需将镜
b.变形仿真
பைடு நூலகம்
子支架重心设置在水平轴垂直轴交点。为避免镜 子支架与电动推杆或垂直轴干涉,该定日镜的镜 子被分为两片,且中间间隔一段距离[8]。从而实现 水平轴 0¡~90¡ 的工作范围。
质量和效益是相辅相成、相互依赖的,在稳 中求进的基础上,要把更多的精力放到经济增长 的质量和效益上。目前我们经济增长的质量和效 益亟待提高,要在提高企业发展质量和效益上下 功夫。在市场经济条件下,企业存在的根本目的就 是获取效益(或利润)。随着我国市场经济体系逐步 确立和经济的飞速发展,大多数商品市场逐渐转 变为买方市场,产品供过于求,企业之间的竞争也 日趋激烈。竞争不仅使有利可图的行业生产规模 迅速扩大,也推动着技术创新和成本降低。为了占 领市场,企业需要不断开发新产品,生产出性能更 高、价格更低的产品。要提高经济效益,就必须加 强企业的产品质量管理和成本管理,因此,在建立 现代化制度中强调质量管理和成本管理尤为重要。
镜子支架设计过程中,主要需从三方面考虑: ( 1 ) 刚性和强度满足长期稳定反射合理光斑的要 求;(2)结构实现两轴通过镜子支架重心;(3)镜子 支架转动惯量满足传动加速性能。
需选定电动推杆额定力矩大于镜面风抗负载即可。
电动推杆为标准设备,且仅选用普通轧制丝杆即
可满足传动精度要求。所以水平轴传动的生产和
目前业内企业激烈竞争的过程中只重视产能、追 求销售额、忽视产品质量和效益(利润)的做法是注 定要失败的。
三 坚定信心 稳中求进 稳中求进,是党中央确定的今年工作的总基
调。“坚持稳中求进,坚持科学发展,我国一定能 实现更长时期、更高水平、更好质量的发展”。历 史地看,“稳”才能更科学地发展、更持久地前进。 过去 20 多年里,正是靠稳扎稳打,一步一个脚印, 我们产业才“积小成为大成”,推动着我国太阳能 热利用事业不断向前,取得了举世瞩目的成就。当 前,复杂多变的国际政治经济环境及国内经济运 行的新情况新变化,对我们行业的发展提出了新 挑战。越是形势复杂多变,就越要头脑清醒、立场 坚定;越是面对风险挑战,就越要迎难而上、奋发 有为。我们必须深刻地认识到,在多种的思潮中, 思想无定力,难以凝聚发展力量;在错杂的环境 下,心若有旁骛,极易错失发展良机。只有不为困 难风险所惧,把思想认识统一到中央的决策部署 上,把智慧力量凝聚到既定的目标任务上,才能扎 扎实实地稳中求进,取得各项工作的新进展、新突 破、新成效,确保“十二五”太阳能热利用产业发 展目标顺利实现。
SOLAR ENERGY
太 阳 能 技术产品与工程
塔式太阳能热发电中
定日镜的设计及性能分析
浙江中控太阳能技术有限公司 ■ 张旭中 杨渊思 徐能 浙江晶星齿轮电机有限公司 ■ 张明军 浙江大学 ■ 黄文君
摘 要:提出一种基于水平轴和方位轴、具有二维空间转动、实现两轴静平衡的定日镜结构设计方法,实 现塔式太阳能热发电中定日镜高精度跟踪系统、低负荷运转及低成本施工和制作。该定日镜水 平轴传动采用电动推杆传动,垂直轴传动采用一齿差传动,水平轴和垂直轴转动的轴线均通过 重心,从而实现两轴静平衡;设计了两片间隔式反射镜支架结构,使其结构满足太阳能反射镜 子支架转动要求以及反射光斑满足校正要求。通过仿真计算,对光斑、输入输出角度关系及成 本进行了分析,论证了该定日镜的可行性。
θ=
n垂 i垂
(2)
式中,θ 为镜子与水平面的夹角;ω 为镜子绕
垂直轴的夹角;β 为主梁上两转轴的连线与镜子的
夹角;n 水、n 垂分别为电动推杆和蜗杆上电机转动 的角度;i 水为电动推杆伸长量与电机转动角度的 比值;i 垂为垂直轴传动比。
从式(2)分析可得,输入与输出角度能建立确
定的关系式,即在保证传动精度的情况下,可实现
安装均能满足批量生产要求。
对图2进行力学分析,可得出电动推杆额定力
矩与风抗负载的关系,表达式为:
√ F 电≥
2M 风 s 4l22s2-(l22+s2-l12)2
(1)
式中,F 电为电动推杆额定力矩;M 风为转化到 水平轴上的风抗力矩;l1、l2、s 分别为水平轴轴心 和电动推杆上两个旋转轴心三者之间的距离。校核
镜子支架的重心处于垂直轴上,即垂直轴输 出力矩仅需大于极限风抗转化至垂直轴的力矩。
三 高度角传动设计 图2为定日镜水平轴力学分析图。由图2可知,
结构设计时将镜子支架重心放置在水平轴中心, 镜子支架实现力学静平衡,即电动推杆选型时,仅
图 3 一齿差传动
五 角度计算 将电动推杆代替常规齿轮传动后,电机输入
国内外对多种定日镜结构进行了设计和研究, 通过大量实验,最后都普遍采用将定日镜的主体结 构设计成 T 型结构[1~3],即一根垂直轴支撑一根水 平轴做主框架,并将此两轴做为转动轴。多数定日 镜为保证有效反射面积,将镜面和定日镜重心偏离
水平轴[4,5]。此类设计提高了负载,最终提高了传动 部件的设计要求,也增加了定日镜运行损耗。
参考文献 [1] Review of CSP technologies and cost drivers overview[R].South
Asia Energy Unit Sustainable Development Department,2010. [2] Schell S. Design and evaluation of esolar's heliostat fields[J], Solar Energy,2011, 85(4):614 - 619. [3] Sargent&Lundy,LLC. Assessment of parabolic trough and power tower solar technology cost and performance forecasts[R]. NREL/ SR-550-34440, 2003. [4] Strachan J W, Houser R M. Testing and evaluation of large-area heliostats for solar thermal applications[R]. Sandia National Laboratories, Albuqueerque, New Mexico 87185. [5] Falcone P K. A handbook for solar central receiver design, Sandia National Laboratories Livemore,SAND-86-8009,1986. [6] 王文斌.机械设计手册(新版)(第 3 卷)[M]. 北京: 机械工业出版 社, 2004. [7] 张展.实用齿轮设计计算手册[M]. 北京: 机械工业出版社,2011. [8] Wu Zhiyong, Wang Zhifeng, Zang Chuncheng, et al. An experimental and numerical study of the gap effect on wind load on heliostat [J]. Renewable Energy, 2010, 35 (4) :797 -806.
该镜架完全由普通钢管及型材拼接而成,通 过合理的结构设计保证整体支撑刚性;通过设计 可调整的支撑点来保证连接镜面后镜面的平整度 要求。这样整个镜架的制造难度与成本非常低,而 且可拆卸方便运输。
确定镜子支架的主要形式后,需对镜子的支 承点进行设计及优化,以满足反射合理光斑要求。 如图5所示,基本流程为:(1)建立模型;(2)进行静
电动推杆的输出力矩时,需仿真计算出定日镜多角
度的风抗负载(即提取出水平轴风抗力矩 M 风),从 而按式(1)计算出电动推杆所需最小输出力。
四 方位角传动设计 方位角传动采用了蜗杆传动与一齿差传动两
级传动[6,7]。其中,蜗杆传动可实现自锁、大传动 比;二级传动为一齿差传动,如图 3 所示,其具备 传动比大和体型小的特点。综上特点,可将垂直轴 传动部件与垂直轴集成为一体。该垂直传动体型 小,便于安装、拆卸,且又保证了整体刚性。
关键词: 塔式太阳能热发电;定日镜;电动推杆;一齿差传动;两片间隔式反射镜支架结构
一 引言 塔式太阳能热发电是利用批量定日镜将阳光
反射至吸热器上,吸热器工质吸收高倍聚焦太阳 能将光能转换成热能,通过换热器产生高温高压 过热蒸汽推动汽轮机发电,从而将太阳能转化为 电能。定日镜是太阳能塔式热发电系统中的重要 聚光元件,它通过双轴转动实现追日,并将阳光反 射至吸热器。因此,对定日镜的传动精度、镜子反 射光斑的合理性提出了较高的要求。同时,由于定 日镜为塔式太阳能热发电站的主要组成元件,其 制作、安装和维护成本应成为主要设计约束条件。
1 台 2500
2500
1 台 2500
12
100 kg 1200
12
230 kg 2760
100
14m2 1400
-
- 10360
单镜成本 / 元·m-2
178.6 178.6 85.7 197.1 100.0 740.0
(转第11页)
20 SOLAR ENERGY 17/2013
SOLAR ENERGY
产业论坛 太阳能
计、能源计量、实验方法等多方面涵盖了太阳能热 利用从产品生产到工程安装售后等各个环节。 2013 年行业正在积极建立 3 项国标和 2 项行业新标准: 壁挂热水器设计安装与验收标准、搪瓷水箱生产 标准。严格执行这些标准将大大促进产品质量和 性能的提高。为此,我们应紧紧以质量标准体系为 依托,对所制定的标准搞好宣贯工作,企业应认真 贯彻执行。同时要采取切实可行的办法,对执行标 准的情况进行有效监管,从而使产品质量有法可 依、有据可依。
该定日镜水平轴传动机构采用电动推杆,使 镜子支架绕水平轴转动(高度角工作范围0 ~90 );
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技术产品与工程 太 阳 能
垂直轴传动机构采用一齿差传动机构,使镜子支 架绕垂直轴转动(方位工作范围0 ~360 )。驱动镜 子支架绕两轴传动,从而实现镜面法线方向能指 向工作范围内的任意方向。
(接第 20 页) 镜成本较低,因其选型、制造与安装无 特殊要求。
八 结论 本文针对降负载、优化选型、降单镜成本等
目标,设计了一套定日镜。通过计算输入输出的关 系,论证了其开闭控制的可行性。给出了镜子支架 的设计及仿真计算流程,确立了该定日镜的镜子 支架形式。其能够满足追日功能,且结构简单、安 装简便、负载小、成本低,具备开发和应用价值。
本文介绍一种在水平轴和方位轴均达到静平 衡的定日镜,该定日镜采用电动推杆、一齿差传 动、两片间隔式的镜子支架结构等。本文将从传动 性能、反射光斑、成本、角度计算等方面对该定日 镜进行分析、设计和论证。
二 定日镜系统设计 塔式太阳能热发电中,定日镜功能设计目标
为可实现高精度校正、追日以及将合理光斑反射 至吸热器。本文给出满足以上功能设计目标的定 日镜,如图 1 所示。该定日镜由镜子支架、水平轴 传动、垂直轴传动、底座 4 大部件组成。
c.光学仿真
图 5 光斑仿真计算流程
七 成本 本节对定日镜进行成本估算,研究对象为基
于一齿差传动、丝杆和 14m2 镜子的定日镜。具体 价格估算见表 1。分析表 1 可知,每 m2 镜子的定日
项目
垂直轴传动 水平轴传动 垂直管 镜子支架 镜子 定日镜成本
表 1 价格估算表
单价
用量 总价
/元
/元
2500
与镜子支架转动角度转变为非线性关系。通过建 模计算(图4),可建立电动推杆上电机及垂直轴蜗 杆上电机转动角度与镜子支架转动角度的关系, 表达式为:
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{θ=arccos l 21 + l2 22l - 1 ln 2水 2 i 水2 +β-90¡
通过开环控制来确定镜子支架的两轴转动角度。
力学仿真,得到镜面变形模型;(3)导出变形镜面 模型,进行光学仿真;(4)验证光斑合理性。
六 镜子支架设计 为实现镜子支架关于两转轴静平衡,需将镜
b.变形仿真
பைடு நூலகம்
子支架重心设置在水平轴垂直轴交点。为避免镜 子支架与电动推杆或垂直轴干涉,该定日镜的镜 子被分为两片,且中间间隔一段距离[8]。从而实现 水平轴 0¡~90¡ 的工作范围。
质量和效益是相辅相成、相互依赖的,在稳 中求进的基础上,要把更多的精力放到经济增长 的质量和效益上。目前我们经济增长的质量和效 益亟待提高,要在提高企业发展质量和效益上下 功夫。在市场经济条件下,企业存在的根本目的就 是获取效益(或利润)。随着我国市场经济体系逐步 确立和经济的飞速发展,大多数商品市场逐渐转 变为买方市场,产品供过于求,企业之间的竞争也 日趋激烈。竞争不仅使有利可图的行业生产规模 迅速扩大,也推动着技术创新和成本降低。为了占 领市场,企业需要不断开发新产品,生产出性能更 高、价格更低的产品。要提高经济效益,就必须加 强企业的产品质量管理和成本管理,因此,在建立 现代化制度中强调质量管理和成本管理尤为重要。
镜子支架设计过程中,主要需从三方面考虑: ( 1 ) 刚性和强度满足长期稳定反射合理光斑的要 求;(2)结构实现两轴通过镜子支架重心;(3)镜子 支架转动惯量满足传动加速性能。
需选定电动推杆额定力矩大于镜面风抗负载即可。
电动推杆为标准设备,且仅选用普通轧制丝杆即
可满足传动精度要求。所以水平轴传动的生产和
目前业内企业激烈竞争的过程中只重视产能、追 求销售额、忽视产品质量和效益(利润)的做法是注 定要失败的。
三 坚定信心 稳中求进 稳中求进,是党中央确定的今年工作的总基
调。“坚持稳中求进,坚持科学发展,我国一定能 实现更长时期、更高水平、更好质量的发展”。历 史地看,“稳”才能更科学地发展、更持久地前进。 过去 20 多年里,正是靠稳扎稳打,一步一个脚印, 我们产业才“积小成为大成”,推动着我国太阳能 热利用事业不断向前,取得了举世瞩目的成就。当 前,复杂多变的国际政治经济环境及国内经济运 行的新情况新变化,对我们行业的发展提出了新 挑战。越是形势复杂多变,就越要头脑清醒、立场 坚定;越是面对风险挑战,就越要迎难而上、奋发 有为。我们必须深刻地认识到,在多种的思潮中, 思想无定力,难以凝聚发展力量;在错杂的环境 下,心若有旁骛,极易错失发展良机。只有不为困 难风险所惧,把思想认识统一到中央的决策部署 上,把智慧力量凝聚到既定的目标任务上,才能扎 扎实实地稳中求进,取得各项工作的新进展、新突 破、新成效,确保“十二五”太阳能热利用产业发 展目标顺利实现。
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塔式太阳能热发电中
定日镜的设计及性能分析
浙江中控太阳能技术有限公司 ■ 张旭中 杨渊思 徐能 浙江晶星齿轮电机有限公司 ■ 张明军 浙江大学 ■ 黄文君
摘 要:提出一种基于水平轴和方位轴、具有二维空间转动、实现两轴静平衡的定日镜结构设计方法,实 现塔式太阳能热发电中定日镜高精度跟踪系统、低负荷运转及低成本施工和制作。该定日镜水 平轴传动采用电动推杆传动,垂直轴传动采用一齿差传动,水平轴和垂直轴转动的轴线均通过 重心,从而实现两轴静平衡;设计了两片间隔式反射镜支架结构,使其结构满足太阳能反射镜 子支架转动要求以及反射光斑满足校正要求。通过仿真计算,对光斑、输入输出角度关系及成 本进行了分析,论证了该定日镜的可行性。
θ=
n垂 i垂
(2)
式中,θ 为镜子与水平面的夹角;ω 为镜子绕
垂直轴的夹角;β 为主梁上两转轴的连线与镜子的
夹角;n 水、n 垂分别为电动推杆和蜗杆上电机转动 的角度;i 水为电动推杆伸长量与电机转动角度的 比值;i 垂为垂直轴传动比。
从式(2)分析可得,输入与输出角度能建立确
定的关系式,即在保证传动精度的情况下,可实现
安装均能满足批量生产要求。
对图2进行力学分析,可得出电动推杆额定力
矩与风抗负载的关系,表达式为:
√ F 电≥
2M 风 s 4l22s2-(l22+s2-l12)2
(1)
式中,F 电为电动推杆额定力矩;M 风为转化到 水平轴上的风抗力矩;l1、l2、s 分别为水平轴轴心 和电动推杆上两个旋转轴心三者之间的距离。校核
镜子支架的重心处于垂直轴上,即垂直轴输 出力矩仅需大于极限风抗转化至垂直轴的力矩。
三 高度角传动设计 图2为定日镜水平轴力学分析图。由图2可知,
结构设计时将镜子支架重心放置在水平轴中心, 镜子支架实现力学静平衡,即电动推杆选型时,仅
图 3 一齿差传动
五 角度计算 将电动推杆代替常规齿轮传动后,电机输入
国内外对多种定日镜结构进行了设计和研究, 通过大量实验,最后都普遍采用将定日镜的主体结 构设计成 T 型结构[1~3],即一根垂直轴支撑一根水 平轴做主框架,并将此两轴做为转动轴。多数定日 镜为保证有效反射面积,将镜面和定日镜重心偏离
水平轴[4,5]。此类设计提高了负载,最终提高了传动 部件的设计要求,也增加了定日镜运行损耗。
参考文献 [1] Review of CSP technologies and cost drivers overview[R].South
Asia Energy Unit Sustainable Development Department,2010. [2] Schell S. Design and evaluation of esolar's heliostat fields[J], Solar Energy,2011, 85(4):614 - 619. [3] Sargent&Lundy,LLC. Assessment of parabolic trough and power tower solar technology cost and performance forecasts[R]. NREL/ SR-550-34440, 2003. [4] Strachan J W, Houser R M. Testing and evaluation of large-area heliostats for solar thermal applications[R]. Sandia National Laboratories, Albuqueerque, New Mexico 87185. [5] Falcone P K. A handbook for solar central receiver design, Sandia National Laboratories Livemore,SAND-86-8009,1986. [6] 王文斌.机械设计手册(新版)(第 3 卷)[M]. 北京: 机械工业出版 社, 2004. [7] 张展.实用齿轮设计计算手册[M]. 北京: 机械工业出版社,2011. [8] Wu Zhiyong, Wang Zhifeng, Zang Chuncheng, et al. An experimental and numerical study of the gap effect on wind load on heliostat [J]. Renewable Energy, 2010, 35 (4) :797 -806.
该镜架完全由普通钢管及型材拼接而成,通 过合理的结构设计保证整体支撑刚性;通过设计 可调整的支撑点来保证连接镜面后镜面的平整度 要求。这样整个镜架的制造难度与成本非常低,而 且可拆卸方便运输。
确定镜子支架的主要形式后,需对镜子的支 承点进行设计及优化,以满足反射合理光斑要求。 如图5所示,基本流程为:(1)建立模型;(2)进行静
电动推杆的输出力矩时,需仿真计算出定日镜多角
度的风抗负载(即提取出水平轴风抗力矩 M 风),从 而按式(1)计算出电动推杆所需最小输出力。
四 方位角传动设计 方位角传动采用了蜗杆传动与一齿差传动两
级传动[6,7]。其中,蜗杆传动可实现自锁、大传动 比;二级传动为一齿差传动,如图 3 所示,其具备 传动比大和体型小的特点。综上特点,可将垂直轴 传动部件与垂直轴集成为一体。该垂直传动体型 小,便于安装、拆卸,且又保证了整体刚性。
关键词: 塔式太阳能热发电;定日镜;电动推杆;一齿差传动;两片间隔式反射镜支架结构
一 引言 塔式太阳能热发电是利用批量定日镜将阳光
反射至吸热器上,吸热器工质吸收高倍聚焦太阳 能将光能转换成热能,通过换热器产生高温高压 过热蒸汽推动汽轮机发电,从而将太阳能转化为 电能。定日镜是太阳能塔式热发电系统中的重要 聚光元件,它通过双轴转动实现追日,并将阳光反 射至吸热器。因此,对定日镜的传动精度、镜子反 射光斑的合理性提出了较高的要求。同时,由于定 日镜为塔式太阳能热发电站的主要组成元件,其 制作、安装和维护成本应成为主要设计约束条件。
1 台 2500
2500
1 台 2500
12
100 kg 1200
12
230 kg 2760
100
14m2 1400
-
- 10360
单镜成本 / 元·m-2
178.6 178.6 85.7 197.1 100.0 740.0
(转第11页)
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产业论坛 太阳能
计、能源计量、实验方法等多方面涵盖了太阳能热 利用从产品生产到工程安装售后等各个环节。 2013 年行业正在积极建立 3 项国标和 2 项行业新标准: 壁挂热水器设计安装与验收标准、搪瓷水箱生产 标准。严格执行这些标准将大大促进产品质量和 性能的提高。为此,我们应紧紧以质量标准体系为 依托,对所制定的标准搞好宣贯工作,企业应认真 贯彻执行。同时要采取切实可行的办法,对执行标 准的情况进行有效监管,从而使产品质量有法可 依、有据可依。
该定日镜水平轴传动机构采用电动推杆,使 镜子支架绕水平轴转动(高度角工作范围0 ~90 );
18 SOLAR ENERGY 17/2013
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技术产品与工程 太 阳 能
垂直轴传动机构采用一齿差传动机构,使镜子支 架绕垂直轴转动(方位工作范围0 ~360 )。驱动镜 子支架绕两轴传动,从而实现镜面法线方向能指 向工作范围内的任意方向。
(接第 20 页) 镜成本较低,因其选型、制造与安装无 特殊要求。
八 结论 本文针对降负载、优化选型、降单镜成本等
目标,设计了一套定日镜。通过计算输入输出的关 系,论证了其开闭控制的可行性。给出了镜子支架 的设计及仿真计算流程,确立了该定日镜的镜子 支架形式。其能够满足追日功能,且结构简单、安 装简便、负载小、成本低,具备开发和应用价值。
本文介绍一种在水平轴和方位轴均达到静平 衡的定日镜,该定日镜采用电动推杆、一齿差传 动、两片间隔式的镜子支架结构等。本文将从传动 性能、反射光斑、成本、角度计算等方面对该定日 镜进行分析、设计和论证。
二 定日镜系统设计 塔式太阳能热发电中,定日镜功能设计目标
为可实现高精度校正、追日以及将合理光斑反射 至吸热器。本文给出满足以上功能设计目标的定 日镜,如图 1 所示。该定日镜由镜子支架、水平轴 传动、垂直轴传动、底座 4 大部件组成。
c.光学仿真
图 5 光斑仿真计算流程
七 成本 本节对定日镜进行成本估算,研究对象为基
于一齿差传动、丝杆和 14m2 镜子的定日镜。具体 价格估算见表 1。分析表 1 可知,每 m2 镜子的定日
项目
垂直轴传动 水平轴传动 垂直管 镜子支架 镜子 定日镜成本
表 1 价格估算表
单价
用量 总价
/元
/元
2500