點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐設(shè)計(jì)方法與研制實(shí)踐*

張喜良，崔芝瑛,4，臧春城，朱會(huì)賓，白鳳武,4?，王志峰,4

（1. 中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)能熱利用及光伏系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；3. 北京市太陽(yáng)能熱發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京 100190；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）

0 前 言

點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐系統(tǒng)是太陽(yáng)能高溫?zé)崂玫闹匾问街?，將大面積太陽(yáng)光匯聚到很小區(qū)域，實(shí)現(xiàn)超高溫度（＞ 3 000℃）和極強(qiáng)能流密度，容易獲得用常規(guī)手段無(wú)法達(dá)到的極端環(huán)境[1]。太陽(yáng)爐工作過程不受電場(chǎng)、磁場(chǎng)、化學(xué)產(chǎn)物等的干擾，是一種理想的高溫裝置[2]，廣泛應(yīng)用于軍事、材料、化學(xué)、化工、航空航天和太陽(yáng)能熱利用等諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究[3-5]。尤其對(duì)于近年來(lái)快速發(fā)展的塔式[6]和槽式[7]太陽(yáng)能熱發(fā)電站中的新型吸熱技術(shù)研發(fā)是一種不可或缺的實(shí)驗(yàn)裝置。

點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐是一種復(fù)雜的、擁有自動(dòng)控制的光學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)，根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為兩類：一類是直接入射型，聚光鏡直接朝向太陽(yáng)進(jìn)行聚光，早期太陽(yáng)爐設(shè)計(jì)多采用這類結(jié)構(gòu)[2,8]；另一類是定日鏡型，借助于可旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽(yáng)軌跡的定日鏡將太陽(yáng)光一次反射到固定的聚光鏡上，然后進(jìn)行二次聚焦。這類太陽(yáng)爐有輸出穩(wěn)定、聚焦位置固定等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前主流的研究對(duì)象，其一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示，太陽(yáng)爐由一次反射定日鏡、二次聚光器、吸熱換熱平臺(tái)等部分組成[9]。由于二次聚光器的反光表面往往是球面或旋轉(zhuǎn)拋物面，使得聚焦光斑呈很小的圓形，所以，又稱太陽(yáng)爐為點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐。在法國(guó)[10]和烏茲別克斯坦[11-12]均建有 1 MW 的大型點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐，一次反射過程由多臺(tái)平面反射鏡構(gòu)成的定日鏡場(chǎng)完成，二次聚光器依附建筑物構(gòu)建。此外，國(guó)際著名研究機(jī)構(gòu)內(nèi)一般都設(shè)有小型的太陽(yáng)爐系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、材料設(shè)備測(cè)試等[3,13-17]。在我國(guó)最大的太陽(yáng)爐位于寧夏，用于太陽(yáng)能制氫[18]。

圖1 點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐組成及工作原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the point focus solar furnace and the state in operation

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了一種點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐的研制過程。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)地點(diǎn)的實(shí)際太陽(yáng)資源情況和地理位置，通過基于蒙特卡洛光線追跡法在C++和Matlab平臺(tái)自主開發(fā)的點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐光學(xué)計(jì)算軟件，確定點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐設(shè)備尺寸；然后，依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)值，采用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行定日鏡和二次聚光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)定日鏡跟蹤過程研發(fā)跟蹤控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)完成后對(duì)主要部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析。結(jié)合我國(guó)黑龍江省哈爾濱市的工程實(shí)際需求，對(duì)整個(gè)聚光系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)備研制與安裝和調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性和正確性。

1 點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐系統(tǒng)光學(xué)計(jì)算

點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐的核心是由定日鏡和聚光鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)其光學(xué)系統(tǒng)的精準(zhǔn)評(píng)估與預(yù)測(cè)是設(shè)計(jì)與建造時(shí)的關(guān)鍵問題。根據(jù)點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐工作原理，聚光系統(tǒng)光學(xué)計(jì)算過程可分為4個(gè)部分，分別為太陽(yáng)模型、定日鏡一次反射、聚光鏡二次反射、吸熱器接收面能流計(jì)算，然后運(yùn)用蒙特卡洛光線追跡方法求解[19-20]。該求解過程基于如下假設(shè)：（1）入射到定日鏡面的太陽(yáng)光近似成 9.3 mrad的太陽(yáng)光錐；（2）定日鏡單元鏡面為平面；（3）所有被追跡的光線所帶的能量相等。

為獲得太陽(yáng)入射光線與定日鏡一次反射面的夾角，需要確定太陽(yáng)位置。太陽(yáng)位置精確計(jì)算的方法有很多種，這里采用經(jīng)典太陽(yáng)位置簡(jiǎn)化計(jì)算式[21]：

式中：αsun為太陽(yáng)高度角，rad；γsun為太陽(yáng)方位角，rad；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋瑀ad；δ為太陽(yáng)赤緯角，rad；ω為太陽(yáng)時(shí)角，rad。其中：

式中，n為計(jì)算時(shí)間對(duì)應(yīng)日期在一年中的順序，ts為真太陽(yáng)時(shí)。

獲得太陽(yáng)位置后，定日鏡跟蹤太陽(yáng)軌跡將投射到鏡面上的太陽(yáng)光線反射到二次聚光器開口上，使一次反射光線中心相互平行，且平行于二次聚光器的主光軸（即二次聚光器反光面的旋轉(zhuǎn)中心），完成一次反射過程。與地面相固定的二次聚光器再將一次反射光進(jìn)行二次反射，旋轉(zhuǎn)拋物面或球形反射面使得二次反射光聚焦在焦平面的固定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)二次反射過程。光學(xué)計(jì)算采用蒙特卡洛的光線追跡法通過追蹤大量太陽(yáng)光線在聚光系統(tǒng)中的軌跡，統(tǒng)計(jì)追跡光線經(jīng)鏡面反射后最終到達(dá)吸熱器計(jì)算區(qū)域內(nèi)光線的數(shù)目，獲得在吸熱器表面的能流密度預(yù)測(cè)值[22]：

式中：Nk為追跡光線到達(dá)第k個(gè)區(qū)域的數(shù)目；Sk為該區(qū)域表面積；I0為每根光線所帶能量大小，計(jì)算式為：

式中：DNI為太陽(yáng)法向直射輻照度，W/m2；Sh為定日鏡總面積，m2；η1為定日鏡反射率；η2為聚光鏡反射率；η3為遮擋率；Nt為追跡總光線數(shù)。

1.1 點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐的光學(xué)計(jì)算按照表1中所給參數(shù)進(jìn)行。由于存在灰塵等原因，鏡面反射率保守取值為0.8。太陽(yáng)爐系統(tǒng)的布置方式為：一次反光定日鏡和二次聚光器呈正南正北布置，定日鏡放置于二次聚光器北側(cè)，吸熱器位于兩者之間。

表1 點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of the optical design

1.2 定日鏡反射光在二次聚光器上的投影情況

由于定日鏡實(shí)時(shí)追蹤太陽(yáng)軌跡，其朝向姿態(tài)會(huì)隨時(shí)間改變，故一次反射光光器上投射面積也會(huì)發(fā)生變化。為驗(yàn)證設(shè)備參數(shù)的合理性，通過光學(xué)計(jì)算程序，給出在典型日 9：00～16：00，定日鏡反射光在二次聚光器開口平面上的照射情況。選取的典型日分別為春分日、夏至日和冬至日，從圖2 可以看到定日鏡和二次聚光鏡的尺寸匹配，該設(shè)計(jì)方案合理。

圖2 典型日定日鏡在二次聚光器截光口平面上的投影Fig. 2 Heliostat projection in the aperture area of concentrator on typical days

1.3 點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐聚光系統(tǒng)焦平面上能流密度分布計(jì)算

經(jīng)自編程序計(jì)算，得到在設(shè)計(jì)點(diǎn)含保守誤差情況下焦平面上的能流密度分布情況如圖 3，表2給出了設(shè)計(jì)要求的參數(shù)與仿真結(jié)果。設(shè)計(jì)要求是該系統(tǒng)需滿足的最低標(biāo)準(zhǔn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可行性驗(yàn)證初期需留有裕度，以備應(yīng)對(duì)太陽(yáng)爐各部分硬件在制作、安裝和運(yùn)行過程中的誤差，如跟蹤誤差和鏡面誤差等。由于各類誤差很難量化，這里給出保守誤差條件下的極端結(jié)果，實(shí)際情況與仿真結(jié)果會(huì)有所不同。

圖3 含誤差情況下太陽(yáng)爐聚光系統(tǒng)能流密度分布Fig. 3 Heat flux on focal area when considering errors

表2 計(jì)算點(diǎn)仿真結(jié)果Table 2 Compare simulation results with the requirements

2 定日鏡研制

2.1 定日鏡總體設(shè)計(jì)

充分考慮定日鏡的制作成本、運(yùn)輸成本以及安裝調(diào)試成本，采用模塊化設(shè)計(jì)。如圖4所示，定日鏡反光部分是由9行、7列共63個(gè)反光鏡單元組成。為便于安裝和調(diào)節(jié)過程的操作，反光鏡單元之間的間隙為30 mm。定日鏡反光表面總凈面積為70.3 m2，反光表面外輪廓尺寸為8 706 mm × 8 457 mm，定日鏡旋轉(zhuǎn)中心距地面高度為4 450 mm。各反光鏡單元反光面尺寸為1 219 mm × 915 mm（超白鍍銀鏡標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為2 438 mm × 1 830 mm），該規(guī)格大大提高了鍍銀鏡的利用率，對(duì)控制定日鏡的成本具有重要意義。

在滿足定日鏡強(qiáng)度和剛度要求的基礎(chǔ)上，整體設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作安裝方便，成本較低。本定日鏡系統(tǒng)包括立柱、傳動(dòng)箱、反光鏡支架、單元反光鏡以及控制系統(tǒng)等。定日鏡采用方位加俯仰的跟蹤方式，可全天候跟蹤太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤精度好于3 mrad，在6級(jí)風(fēng)下仍可正常工作，8級(jí)風(fēng)下可進(jìn)行自我保護(hù)。

圖4 一次反光定日鏡總成圖Fig. 4 Diagram of the heliostat

2.2 定日鏡單元反光鏡的設(shè)計(jì)

為使單元反光鏡容易調(diào)平，并簡(jiǎn)化支架結(jié)構(gòu)，在單元反光鍍銀鏡背面設(shè)計(jì)了12個(gè)支撐點(diǎn)，通過陶瓷塊與單元反光鏡支架相連接，陶瓷塊與鍍銀鏡通過膠結(jié)的方式連接，即單元反光鏡是由鍍銀鏡、陶瓷塊、單元反光鏡支架以及必要的膠粘劑和螺栓緊固件組成，如圖5所示。

圖5 定日鏡單元反光鏡結(jié)構(gòu)三維示意圖Fig. 5 3D diagram of the heliostat reflector structure

2.3 單元反光鏡面型調(diào)整

選一個(gè)具有較高平整度和面積足夠大的平臺(tái)，將一次反光定日鏡單元反光鏡倒扣在平臺(tái)上，即鍍銀反光鏡一側(cè)與平臺(tái)相接觸。松開12個(gè)點(diǎn)處連接陶瓷塊的 M6螺栓，使鍍銀鏡與平臺(tái)充分接觸，并將單元反光鏡支架調(diào)整到最低，即單元反光鏡支架與鍍銀鏡之間的距離最小。之后，鎖緊各螺母，一個(gè)單元反光鏡面型調(diào)整完畢。

2.4 單元反光鏡的安裝與整體面型的調(diào)整

將單元反光鏡通過4個(gè)M12的螺栓與整體桁架相連接，通過吊線的辦法或全站儀測(cè)量，將各單元反光鏡的法線方向調(diào)節(jié)一致，為達(dá)到良好的外觀視覺效果，最好將每個(gè)單元反光鏡反光面調(diào)整到一個(gè)面內(nèi)，鎖緊各螺母，調(diào)整完畢。調(diào)整后的定日鏡反光效果如圖6所示。

圖6 一次反光定日鏡反射光斑Fig. 6 Light spot of the heliostat

2.5 定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)

2.5.1 定日鏡跟蹤控制原理

定日鏡由傳動(dòng)系統(tǒng)、支架、反光鏡及控制系統(tǒng)4部分組成。控制系統(tǒng)采用方位、俯仰雙軸驅(qū)動(dòng)的方式控制定日鏡自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行，將不同時(shí)刻的太陽(yáng)平行光線反射至二次聚光鏡，再經(jīng)匯聚反射至吸熱器中，達(dá)到獲得高溫的目的。

定日鏡跟蹤控制原理是事先計(jì)算出太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即定日鏡所在地理位置觀測(cè)的太陽(yáng)方位（包括太陽(yáng)方位角和高度角），根據(jù)光學(xué)反射原理和“中心點(diǎn)原則”計(jì)算出定日鏡方位軸和高度軸的角度，即定日鏡方位角和高度角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)日實(shí)時(shí)跟蹤?！爸行狞c(diǎn)原則”是指當(dāng)定鏡中心點(diǎn)反射的太陽(yáng)光線入射在接收面（吸熱器表面）的中心點(diǎn)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)定日鏡對(duì)太陽(yáng)實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)跟蹤。在這里，假設(shè)太陽(yáng)光直線傳播且為平行線。

定日鏡的方位角和高度角實(shí)際可由定日鏡面的法向量表示，即某時(shí)刻定日鏡的姿態(tài)可由該時(shí)刻其鏡面法向量唯一確定。因此，為了實(shí)現(xiàn)某時(shí)刻將定日鏡中心點(diǎn)反射太陽(yáng)光至吸熱器面中心點(diǎn)，只要確定該時(shí)刻定日鏡面法向量即可。

基于上述跟蹤原理，同時(shí)考慮到控制系統(tǒng)成本的制約，采用開環(huán)控制（即程序控制）的方法。結(jié)合太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)模型和位置算法，以及定日鏡的模型和跟蹤策略，實(shí)現(xiàn)定日鏡的跟蹤控制。

2.5.2 定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)研制

定日鏡控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。由CPU板給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供脈沖信號(hào)和方向信號(hào)等控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在高度角方向和方位角方向分別由不同的角度傳感編碼器進(jìn)行鏡面角度檢測(cè)并將檢測(cè)值反饋到控制器，進(jìn)而由控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析,從而使系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

研制的太陽(yáng)爐用定日鏡控制系統(tǒng)包括控制柜、控制器、電機(jī)及動(dòng)力線、編碼器信號(hào)線、限位傳感器等。電機(jī)依照定日鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，選取功率400 W、扭矩1.27 N·m、防護(hù)等級(jí)IP65，考慮到成本因素選取國(guó)產(chǎn)直流無(wú)刷電機(jī)。

定日鏡控制器與外接的帶光電編碼器的直流無(wú)刷電機(jī)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)系統(tǒng)，控制電機(jī)的運(yùn)行，分為水平和俯仰兩臺(tái)電機(jī)。水平和俯仰各帶有左右限位和零點(diǎn)檢測(cè)開關(guān)，能夠?qū)﹄姍C(jī)位置進(jìn)行檢測(cè)和限制。以太網(wǎng)傳輸模塊進(jìn)行Modbus-TCP通訊，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)之間的整體協(xié)調(diào)控制。同時(shí)，控制板還帶有高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘（real time clock, RTC）芯片，能夠獲得精確的時(shí)間，完成天文公式太陽(yáng)角度的本地計(jì)算?？刂破魃系膸щ娍刹量删幊讨蛔x存儲(chǔ)器（electrically erasable programmable read only memory,EEPROM）存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)一些本地參數(shù)，保證掉電后不丟失。控制板自帶溫度傳感器，對(duì)控制板所在的環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)過熱情況時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警和保護(hù)。定日鏡跟蹤控制器照片如圖7所示，定日鏡跟蹤控制流程如圖8所示。

圖7 定日鏡控制系統(tǒng)照片：定日鏡控制器（左）；定日鏡就地控制器線路板（右）Fig. 7 Photos of Heliostat control system

圖8 控制邏輯圖Fig. 8 Control logical diagram

3 二次聚光器研制

3.1 二次聚光器設(shè)計(jì)說(shuō)明

二次聚光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。光學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果表明，二次聚光器的反射面為拋物面，其焦距為 6 m，拋物反射面的中心距地面4 580 mm，與一次反光定日鏡的中心相對(duì)應(yīng)。整體拋物反射面由19 × 20陣列的反射鏡單元組成，行列間隙 10 mm，可得到較好的光斑能流密度。反射鏡單元采用的玻璃鍍銀鏡尺寸為450 mm × 450 mm × 4 mm，該規(guī)格尺寸是根據(jù)單元鏡的聚光效果，經(jīng)過多次試驗(yàn)得來(lái)的。背部支撐采用具有一定剛性的金屬框架結(jié)構(gòu)，以保持反射面形狀。圖9為二次聚光器反射鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 二次聚光器反射鏡單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 9 Diagram of concentrator facet structure

二次聚光器支撐結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求在風(fēng)速32 m/s時(shí)進(jìn)行，保證整體結(jié)構(gòu)能抵抗風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩作用而不被破壞；在風(fēng)速14 m/s進(jìn)行剛度校核設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)工作時(shí)保持較好的聚光精度。

支撐結(jié)構(gòu)整體為模塊化桁架結(jié)構(gòu)形式，包括 4組主體支架模塊和28組反射鏡支架模塊。每個(gè)主體支架模塊以4根具有雙向弧度的立柱作為主支撐，構(gòu)成模塊的各構(gòu)件間焊接而成。相鄰主體支架模塊之間為獨(dú)立的連桿和連接板，采用螺栓連接方式將4組支架模塊連接為一個(gè)整體，螺栓連接方式可以縮短安裝周期。反射鏡支架模塊安裝在主體支架上，用于支撐璃反射鏡。圖10為二次聚光器結(jié)構(gòu)的示意圖，支撐結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）整體支撐結(jié)構(gòu)形狀為雙向曲率的拋物面，便于反射鏡單元的安裝與調(diào)試；

（2）整體支撐結(jié)構(gòu)采用模塊化，便于生產(chǎn)、存放、運(yùn)輸、安裝等，大大縮短生產(chǎn)周期；

（3）支撐結(jié)構(gòu)的各組成構(gòu)件均采用熱鍍鋅表面處理方法，螺栓標(biāo)準(zhǔn)連接件采用不銹鋼材質(zhì)，增強(qiáng)了支架的耐腐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命，且可實(shí)現(xiàn)20年免維護(hù)，節(jié)省了維護(hù)成本。

圖10 二次聚光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Diagram of the concentrator

根據(jù)系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件，通過有限元計(jì)算模型分析二次聚光鏡支撐結(jié)構(gòu)所受外部載荷后，對(duì)結(jié)構(gòu)模型施加載荷和邊界約束，然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)所承受的外載荷包括風(fēng)荷載、雪荷載、溫度載荷、地震載荷等，此處主要分析了風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)自重對(duì)支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。按照總體設(shè)計(jì)要求，以風(fēng)速32 m/s進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，即結(jié)構(gòu)在該風(fēng)荷載作用下不被破壞；以風(fēng)速14 m/s進(jìn)行剛度計(jì)算，即結(jié)構(gòu)在該風(fēng)荷載條件下產(chǎn)生的變形不影響聚光器系統(tǒng)的聚光性能。

以風(fēng)向垂直于整體反射面時(shí)為例，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算過程和結(jié)果。

3.1.1 風(fēng)荷載的計(jì)算

風(fēng)荷載如式（7）[23]，式中的各項(xiàng)參數(shù)以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定作為參考選取計(jì)算。

式中：F為每個(gè)反射鏡單元所受風(fēng)載荷，kN；βz為高度z處的風(fēng)陣系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ws為基本風(fēng)壓，kN/m2，A為反射鏡的迎風(fēng)面積，m2；v為風(fēng)速，m/s。強(qiáng)度計(jì)算和剛度計(jì)算時(shí)，F(xiàn)取值分別為312 N和60 N。

3.1.2 整體支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算

圖11為風(fēng)速32 m/s的風(fēng)荷載作用下支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖。最大應(yīng)力為 112.85 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，最大應(yīng)力發(fā)生在第二平臺(tái)層的桿件上。

圖11 支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布示意圖Fig. 11 Stress distribution diagram of bracket structure

3.1.3 整體支架結(jié)構(gòu)的剛度分析

圖12 為風(fēng)速14 m/s的風(fēng)荷載作用下支架結(jié)構(gòu)的變形示意圖。

圖12 支架結(jié)構(gòu)變形示意圖Fig. 12 Deformation diagram of bracket structure

y向最大位移量對(duì)應(yīng)的位移值為x= 0.007 mm、y= -3.52 mm、z= -0.53 mm；z向最大位移量對(duì)應(yīng)的位移值為x= 0.004 mm、y= -3.50 mm、z= -0.57 mm。結(jié)構(gòu)位移量均小于5 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，支撐結(jié)構(gòu)的剛性能夠滿足聚光性能要求。

3.2 二次聚光器反射鏡單元面型的調(diào)整

嚴(yán)格意義上講，拋物面二次聚光器反光面不同位置上的反光鏡單元面型不同，為降低制造成本，這里允許聚光效果有一定的偏差，認(rèn)為不同位置上的反光鏡單元面型相同，因此，二次聚光器反光面就由許多個(gè)具有相同面型的反光鏡單元組成。由于二次聚光器反光鏡單元的數(shù)量較多，調(diào)整面型的工作量大，為了提高調(diào)整面型的效率，從光學(xué)分析入手尋找突破。

圖13 物體在平面鏡中成像示意圖Fig. 13 Diagram of the object imaged in a plane mirror

如圖 13 所示，二次聚光器反光鏡單元面型被調(diào)整為曲面之前為平面鏡，在反光鏡單元前方一定距離放置一個(gè)與反光鏡單元外輪廓一樣的物體AB，這一距離就是二次聚光器的焦距。在物體 AB的中點(diǎn)位置觀察到其在反光鏡單元中的像為與物體 AB形狀相同，且被縮小的像A"B"；隨著反光鏡單元反光面被調(diào)整為曲面，且曲率越來(lái)越大，則物體 AB在反光鏡單元中的像A"B"也會(huì)變得越來(lái)越大，當(dāng)像A"B"的外輪廓接近于反光鏡單元的外輪廓時(shí)，則視為二次聚光器反光鏡單元的面型調(diào)整到位，如圖14所示。這種調(diào)整面型的方法是基于物體在凹面鏡中的成像得來(lái)的，不依賴于晴好的天氣，可以顯著提高調(diào)整面型的效率。

圖14 物體在凹面鏡中成像示意圖Fig. 14 Diagram of the object imaged in a concave mirror

3.3 二次聚光器整體面型的調(diào)整

將調(diào)好面型的反光鏡單元安裝在二次聚光器的支架上，在二次聚光器焦平面的焦點(diǎn)處放置一個(gè)足夠大的耐高溫靶面，在靶面上標(biāo)出二次聚光器焦點(diǎn)的位置。啟動(dòng)一次反光定日鏡，使其正常跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，把所有反光鏡單元的聚光光斑調(diào)整到靶面上焦點(diǎn)的位置，至此，太陽(yáng)爐的調(diào)試完成，如圖15。經(jīng)測(cè)試，光斑中心區(qū)域直徑為180 mm，小于設(shè)計(jì)值的200 mm，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖15 太陽(yáng)爐研制調(diào)試實(shí)際過程：（a）二次聚光器面形調(diào)整過程中的光斑變化；（b）研制完成的系統(tǒng)圖片；（c）熔化鋼板Fig. 15 Construction process of the solar furnace：(a) spot variation during the process of the shape adjustment of the secondary concentrator; (b) solar furnace system; (c) melting steel panel in solar furnace system

4 結(jié) 論

對(duì)點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐的光學(xué)計(jì)算、定日鏡和二次聚光器設(shè)計(jì)及二次聚光系統(tǒng)的整機(jī)調(diào)試方法進(jìn)行研究，通過在哈爾濱市建立一套系統(tǒng)樣機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)及調(diào)試方法進(jìn)行了驗(yàn)證。獲得了點(diǎn)聚焦太陽(yáng)爐的全套設(shè)計(jì)方法和產(chǎn)品研制技術(shù)，結(jié)論如下：

（1）根據(jù)用戶需求，通過開發(fā)的點(diǎn)聚焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，可以計(jì)算出典型日一次反光定日鏡在二次聚光器采光面上的聚光情況，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)二次聚光器的焦距及焦平面上的峰值熱功率。

（2）針對(duì)平面型定日鏡和二次聚光器提出了模塊化設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)化了整體支架結(jié)構(gòu)，便于運(yùn)輸和安裝。

（3）定日鏡的反光鏡單元采用12點(diǎn)支撐，保證了反射鏡的高精度調(diào)平。

（4）經(jīng)熔化鋼板測(cè)試實(shí)驗(yàn)，光斑中心區(qū)域直徑為180 mm，小于設(shè)計(jì)值的200 mm，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。