CN100526753C - 地轴式太阳炉聚光器 - Google Patents

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Abstract

一种地轴式太阳炉聚光器，它属于太阳能的热利用领域。该太阳炉聚光器采用地轴式单轴跟踪，保证在跟踪太阳过程中将阳光会聚到地轴延长线上固定一点，克服了传统聚光器跟踪方式复杂、聚光目标随动的缺陷。该聚光器旋转轴由同步电机驱动，跟踪太阳时角；聚光镜与转轴成45°处为其零位置，定期调节聚光镜的倾角，其角度变化等于赤纬角度变化的一半。聚光镜面形采用可以校正象散的非旋转对称曲面，例如：轮胎面，具有比球面、抛物面都较高的聚光性能，其制造方法与抛物面相似。该聚光器可以用于人们的生活所需，如开水，暖气，空调等，在使用二次聚光器的情况下，可以达到工业生产所需的高温，如太阳能制氢。

Description

地轴式太阳炉聚光器
技术领域
本发明涉及太阳能的热利用技术，是一种能够收集太阳能的聚光设备，主要用于加热。
背景技术
传统的太阳炉一般用单个抛物面反射镜作为聚光器并通过双轴驱动跟踪太阳，始终保证太阳光的入射方向与主光轴平行，聚光镜的焦点随聚光镜一起运动，接收器放置在聚光镜的焦点处并随之运动，这必然导致接收器对聚光镜的遮挡，影响收集效率。同时，因接收器随动，受自身重力的限制，太阳炉的规模一般较小。抛物面镜本身受到面型加工精度和跟踪精度的限制，采光面积过大时，聚光效果不理想。另外，传统的聚光设备采用双轴跟踪，控制系统复杂，成本较高。
发明内容
现有的太阳炉聚光器因跟踪方式复杂，聚光目标随动，制造和运行成本较高，本发明提供一种地轴式太阳炉聚光器，该聚光器跟踪方式简单，聚光焦点不随聚光器运动，聚光器的采光口径可根据实际需要设计，其使用方便且制造和运行成本较低。
本发明地轴式太阳炉聚光器所采用的技术方案是：
一、跟踪结构方案：采用地轴式单轴跟踪，使用同步电机(例如：步进式电机)驱动聚光镜使其匀速绕与地轴平行的旋转轴转动，其角速度等于太阳时角的变化(每小时转过15°)；虽然每天赤纬角也在不断变化，但变化很小(每24小时变化约0.06°)，只需对聚光镜的倾角(聚光镜与旋转轴的夹角)进行定期手动调节，其角度变化等于赤纬角度变化的一半。调节的时间间隔长短根据设计需要来定，如果要求聚光精度较高，则间隔不能过长。一般生活应用中，7～10天调节一次即可。
1、地轴方向的确定：根据地球绕太阳的运动特点可知，某地的地轴与地面的夹角等于当地纬度，方向指向北极星，利用瞄准望远镜可精确装定该旋转轴，亦可通过观察日规针影的指向来粗略确定。
2、倾角的调节：倾角的大小由赤纬角确定，一年中赤纬角变化范围为—23.45°～23.45°，春秋分日赤纬角为0°，此时倾角为45°，一年中倾角变化范围为45°±11.725°。聚光镜的零位置设在倾角为45°处，定期手动调节倾角以跟踪赤纬角的变化。
二、聚光器面形设计方案：聚光镜在跟踪太阳过程中始终能保持阳光入射面与镜面的子午截面重合，因此面形可以采用能够校正象散的非旋转对称曲面，例如：轮胎面。轮胎面在大视场下仍有高的聚光性能，其制作方法可参照传统抛物面，采用胎模法制作。本发明聚光镜的特征是：聚光镜面形采用校正象散的非旋转对称曲面，其子午截面与弧矢截面的曲率半径不等，以轮胎面为例。聚光镜材料为镀铝玻璃反射镜，模具采用胎模法制成。对于采光面积较大的聚光镜，镜面采用很多块小玻璃反射镜拼接而成，并在镜体背面用钢筋支架联结，保证镜体可以折叠。根据具体应用来设计轮胎面两截面曲率半径的大小。
三、位置关系设计方案：该聚光器可时刻将太阳光会聚到旋转轴延长线上的某一固定点，该点位置由所设计聚光镜的焦距f决定。
太阳炉的位置可由下式确定：
H＝f·sinΦ+h0，L＝f·cosΦ，h0>D/2，
式中，H为太阳炉距地面的高度，Φ为当地纬度，h0为聚光镜距地面高度，D为聚光镜的特征尺寸。根据太阳炉的安装位置，确定聚光镜的焦距，从而确定该消象散曲面的特征参数。
另外，太阳炉和聚光镜二者的相对位置可以互换，其跟踪方式和聚光效果不变。本发明的特征是：太阳炉放置在旋转轴的延长线上，其高度由聚光镜焦距及当地纬度决定。
本发明根据以上结构、形状、和位置关系三个设计方案可知，具有以下技术特征：仅有一个旋转轴且与地轴平行，用单电机驱动，聚光镜的倾角可以手调。旋转轴及其驱动箱固定在支架上面的工作台上，与工作台表面严格平行。工作台通过纬度调节轴与支架相连，通过调节使工作台表面与地面的夹角等于当地纬度，然后固定工作台。支架垂直于底座并可相对底座转动，利用瞄准望远镜找到地轴的准确方向，最后将支架固定在底座上。底座与大地固联，保证在大风天气仍固定不动。驱动箱内安装电机驱动旋转轴旋转，旋转轴与夹持聚光镜的横梁固联，驱动聚光镜跟踪太阳时角。横梁上设倾角调节轴和倾角刻度盘，并由纬度调节旋钮固定，可定期(一般7～10天)调节聚光镜的倾角，跟踪赤纬角的变化。驱动箱内设有离合器，以保证早晨时将聚光镜调回起始位置，驱动箱前面设有旋转角度刻度盘。
本发明的有益效果是：
第一、使用单轴跟踪，控制简单，成本较低，能达到较高的跟踪精度；
第二、聚光镜跟踪太阳运转时，其焦点固定不动，有利于太阳能的采集，有利于增大太阳炉的规模，驱动装置不受太阳炉重力影响；
第三、炉体不会对聚光镜形成遮挡，使聚光镜有较高的利用效率；
第四、镜面采用可以校正象散的非旋转对称曲面，而不采用球面或抛物面，大大提高了聚光性能，而其制造方法与抛物面相似，容易加工制作；
第五、镜面采用很多块小的镀铝玻璃反射镜拼接而成，可以折叠，有利于镜体的保养，延长镜体使用寿命，且易于制造及运输；
第六、该太阳炉可以用于人们生活的所需(如开水，暖气，空调等)，如果加二次聚光镜，可以达到工业生产所要求的温度(如工业制氢等)。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明的结构示意图，也为摘要附图。
图2为本发明的侧面视图。
图3为本发明的背面视图。
图中：太阳炉1，聚光镜2，驱动箱3，旋转轴4，赤纬轴5，支架6，底座7，纬度调节旋钮8，倾角刻度盘9，旋转角度刻度盘10，工作台11，电机12，离合器13；
具体实施方式
根据具体应用情况，按照附图1、2、3，设计并制作聚光镜，然后进行安装、调试。
1、轮胎面的制作：轮胎面是一种特殊柱面，制作方法与旋转抛物面相似，首先根据所设计轮胎面的曲面公式，制作轮胎面刮板曲线，然后利用刮板制作胎模。轮胎面的刮板沿固定轨道运动以制作凸模，该轨道为一段圆弧，其曲率与轮胎面弧矢截面圆弧的曲率相等。利用制好的凸模制作聚光镜，对于面积较大的聚光镜，采用分块的制作方法，并在镜体背面用钢筋支架将每一小块连接成整体，镜体可以拆卸、折叠，便于运输和使用。聚光镜2的采光口径可根据实际需要设计在1m～10m之间，本实施例制作口径2m的聚光镜。
2、聚光镜的安装和调试：将电机12和旋转轴4固定到工作台11上，将工作台11安置在支架6上，调节旋钮8，使旋转轴与地面夹角等于当地纬度，然后固定；转动支架6，利用瞄准望远镜确定旋转轴的方向，使其与地轴方向平行，然后固定；旋转轴4与聚光镜2固联，电机12驱动旋转轴4并带动整个聚光镜2转动以跟踪太阳，通过旋转角度刻度盘10调整聚光镜2的旋转初始位置，在跟踪过程中，可以监视聚光镜跟踪太阳的情况；定期手动调节赤纬轴5，使聚光镜的倾角变化等于赤纬角度变化的一半，利用纬度调节旋钮8和倾角刻度盘9将聚光镜2精确定位，由于赤纬角一天内变化甚微，因此只需定期调整，一般每隔7～10天调整一次。

Claims (6)

1、地轴式太阳炉聚光器，包括太阳炉(1)、聚光镜(2)、旋转轴(4)、支架(6)和底座(7)，其特征是地轴式太阳炉聚光器还包括：驱动箱(3)、赤纬轴(5)、纬度调节旋钮(8)、倾角刻度盘(9)、旋转角度刻度盘(10)、工作台(11)、电机(12)、离合器(13)；各部件安装位置及连接关系：太阳炉(1)放置在聚光镜(2)的焦点处，即在旋转轴(4)的延长线上，其高度由聚光镜(2)的焦距及当地纬度决定；旋转轴(4)固定到驱动箱(3)上，将驱动箱(3)安置在支架(6)上，支架(6)垂直于底座(7)并可相对底座转动，驱动箱(3)内安装电机(12)驱动旋转轴(4)旋转，调节旋转轴(4)上的纬度调节旋钮(8)，使旋转轴(4)与地面夹角等于当地纬度，然后固定；转动支架(6)，使旋转轴(4)的方向与地轴方向平行，然后固定；通过旋转角度刻度盘(10)调整聚光镜的旋转初始位置，在跟踪过程中，定期调节赤纬轴(5)，利用倾角刻度盘(9)将聚光镜精确定位。
2、根据权利要求1所述的地轴式太阳炉聚光器，其特征是：为了提高聚光性能，聚光镜(2)面形采用消象散曲面，设计采光面积较大时，镜体使用小块反射镜拼接而成，背面用钢筋支架固定，并且镜体可以折叠。
3、根据权利要求1所述的地轴式太阳炉聚光器，其特征是：旋转轴(4)与地轴平行，仅需单轴驱动聚光镜(2)转动，炉体位置固定不动；旋转轴(4)采用同步电机驱动，匀速跟踪太阳时角；定期手动调节聚光镜与旋转轴间夹角，使聚光镜的倾角变化等于赤纬角度变化的一半。
4.根据权利要求1所述的地轴式太阳炉聚光器，其特征是：聚光镜(2)进行倾角调节的初始位置设置在倾角为45°处。
5、根据权利要求1所述的地轴式太阳炉聚光器，其特征是：太阳炉(1)和聚光镜(2)二者的相对位置可以互换，聚光器的跟踪方式和聚光效果不变。
6、根据权利要求1所述的地轴式太阳炉聚光器，其特征是：驱动箱(3)内设有可以在早晨将聚光镜(2)调回旋转初始位置的离合器(13)。
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