CN102043228A - 一种自旋-仰角跟踪模式定日镜的稳定支撑装置 - Google Patents

Abstract

一种自旋-仰角跟踪模式定日镜的稳定支撑装置，属于太阳能应用技术领域。主要为采用该跟踪模式的定日镜提供坚固稳定、安装方便的支撑，并为建立更大型的定日镜提供了可靠的基础。其技术要点是，将传统自旋-仰角跟踪模式定日镜自旋轴的转动转化成圆形框架的转动，并且利用若干支撑杆对定日镜实现多点支撑，将其重量集中到底部较短的支撑杆上。本发明解决了传统自旋-仰角跟踪定日镜反射镜重心不在支撑杆上的问题。采用该支撑底座的定日镜有更好的稳定性和抗干扰能力，制造工艺简单，安装简便，便于装配，可大规模工业化应用。

Description

一种自旋-仰角跟踪模式定日镜的稳定支撑装置

技术领域

本发明创造属于太阳能应用技术领域，尤其涉及一种定日镜的支撑装置。

背景技术

定日镜是对太阳进行跟踪，并将光线反射到固定目标的装置。一般说来，定日镜的尺寸越大，集热面积越大，收集到的能量也越多。另外，在一定范围内(此范围和纬度相关)，集热器越高，则聚光的余弦效应就越小，收集的太阳能则越多。但是将集热器安装得很高，会带来诸多不便：首先，安装和维护的不便，其次，高处不便于热量的收集和保温。因此，在不能将集热器安装的太高的前提下，增大定日镜的聚光面积就成了收集更多能量的一个重要的方法。

目前，定日镜主要采用两种跟踪模式：方位角-仰角跟踪模式和自旋-仰角跟踪模式。

采用方位角-仰角跟踪模式的定日镜，机械设计较容易实现，其反射镜面的重心位于支撑轴的正上方，整体结构也比较稳定。但是，由于这种模式所能达到的聚光比不够高，因此为了能够达到较高的温度，往往需要多台定日镜同时指向一个目标，塔式集热器就是采用这种方法，利用一个大的定日镜阵列对塔内的液体进行加热，通过热转化对太阳能加以利用。

采用自旋-仰角跟踪模式的定日镜是近些年的进展，由陈应天教授等人在2001年的文章Non-imaging focusing heliostat(Solarenergy杂志，2001年71期155页)中首先提出。该跟踪模式由于采用非对称的反射面，相同条件下能够达到比方位角-仰角定日镜更高的聚光比，因此可以使用单个定日镜实现高倍聚光，具有更广泛的应用前景。

但是传统自旋-仰角跟踪模式定日镜(图3、图4)，反射镜固定在自旋轴的一端，靠一个点固定整个镜面。另外，自旋轴倾斜固定在支撑杆上，反射镜面的重心偏离了支撑杆。

当反射镜尺寸变大时，支撑杆需要变高，以使得反射镜面不接触地面，同时支撑杆承担的重量变得很大。因此，支撑杆要在变高的同时，承担更大的重量，而且是重心偏移的重量，这对支撑杆提出了很高的要求。传统单支撑杆的定日镜，完全依靠反射镜面中心一个点，通过自旋轴支撑，当有风时，镜面的晃动比较严重，容易造成聚光偏差，尤其，遇到雨雪，暴风等自然天气，会导致重心严重的偏移支撑杆，从而严重的影响定日镜的稳定性。当镜面尺寸变大时，情况会更为严重。由于上述支撑杆的限制，现有的自旋-仰角跟踪模式的定目镜要想达到很大的尺寸，有很大的困难。

发明内容

本发明创造主要目的是，提供一种新的定日镜支撑结构，从而可以使采用自旋-仰角跟踪模式的定日镜，达到较大的尺寸，同时有很好的稳定性和抗风能力，并且安装简便。

本发明创造设计的原理依据是：定日镜是通过跟踪并反射太阳光，使光线汇聚到指定目标，从而对太阳能源加以利用的装置。本支撑装置适用于采用自旋-仰角跟踪模式的定日镜。如图1所示，该跟踪模式的关键在于自旋轴指向目标集热器，通过围绕自旋轴和仰角轴两个方向的旋转来实现二维跟踪聚光。由于自旋轴指向目标集热器，仰角轴始终垂直于自旋轴，因此，围绕自旋轴的旋转，可以使得仰角轴垂直于通过太阳、目标集热器和反射镜面中心三点所在的平面。进一步，围绕仰角轴的旋转可以使得反射镜面中心处的太阳的入射角等于出射角，(即太阳射出的光线，在镜面中心处反射后，刚好照到目标集热器。)本发明创造是利用自旋-仰角跟踪模式定日镜的跟踪原理设计的稳定的支撑装置。

实现本发明创造的支撑装置结构如下：有至少3个高度不同固定在地面上的支撑杆；支撑导轨固定在支撑杆的顶部；定日镜的圆形框架放置在支撑导轨上，并可以在导轨上转动；仰角轴通过定日镜的圆形框架的中心，仰角轴的两端与圆形框架相连接，并且可以绕其自身的轴向转动；反射镜固定在仰角轴上，并可以随之一起转动，定日镜的圆形框架和仰角轴的转动，由两个跟踪电机分别控制，集热器收集经反射镜反射后的太阳光。

本发明创造与传统支撑方式相比，有益的效果是：

一、解决了重心偏离支撑杆的问题。传统单支撑杆的设计，会导致反射镜面/镜面阵列重心偏离支撑杆的问题。反射镜面/镜面阵列重心A(图4)距离支撑杆中心偏移了长度BC。新型支撑装置将原来自旋轴方向的转动，转变成定日镜的圆形框架的转动。没有了自旋轴的限制，就解决了传统自旋-仰角模式定日镜重心偏离支撑杆的问题。

二、缩短了承重支撑杆的长度。传统支撑装置利用一根支撑杆承重，该支撑杆支撑着在整个定日镜的中心，当定日镜的半径很大时，要求支撑杆的长度也很长，不容易实现稳定的支撑。因此采用传统支撑装置的定日镜不容易提高定日镜的半径，进而增大聚光面积。本新型支撑装置由于整个重量几乎压在位于底部的支撑杆上，且不论定日镜的半径多大，底部的支撑杆都很短很粗，因此可以很容易实现低成本、坚固的支撑。

三、具有更好的稳定性。新型支撑装置对整个镜面框架的支撑，由原来的只依靠一点，变为依靠整个圆形框架周围多点的支撑(主要是底部的支撑)，使得这个结构更稳定。另外，反射镜面固定在仰角轴上，而仰角轴的两端连接在圆形框架上，相比于传统支撑方式的定日镜，依靠仰角轴中心处一点的支撑来说，具有更好的抗风能力，从而使得整个定日镜在极端恶劣的天气条件下，具有更好的聚光精度。良好的稳定性使得反射镜面的尺寸可以做的很大，从而获得更大的聚光面积，收集更多的太阳能。

本发明创造的重要作用，就是在扩大定日镜尺寸的同时，可以保证定日镜的得到坚固的支撑和较高的稳定性。

附图说明

图1A为本发明创造支撑装置的定日镜立体图

图1B为图1A的支撑导轨局部放大图

图2A为本发明创造的支撑导轨轴承装置组配图(一)

图2B为本发明创造的支撑导轨轴承装置组配图(二)

图2C为本发明创造的支撑导轨轴承装置组配图(三)

图3为采用传统支撑方式的定日镜立体图

图4为图三所示定日镜侧视图

图5为本发明创造支撑装置的定日镜侧视图(上倾斜)

图6为本发明创造支撑装置的定日镜侧视图(中心)

图7为本发明创造支撑装置的定日镜侧视图(下倾斜)

具体实施方案

下面将结合附图对本发明创造的实施方案加以详细描述：

新型支撑装置的结构(如图1所示)主要包括：至少有3个高度不同固定在地面上的支撑杆1，支撑导轨2固定在支撑杆1的顶部；定日镜的圆形框架3被放置在支撑导轨2上，使圆形框架3圆心处的法线方向(即自旋轴4方向)指向集热器8，定日镜的圆形框架3可以在支撑导轨2上转动。另，将各个子镜安装到其背后的框架后，组成反射镜面/镜面阵列6，将反射镜面/镜面阵列6固定到仰角轴5上随之一起转动；仰角轴5通过定日镜的圆形框架3的中心，仰角轴5的两端与圆形框架3相连接，并且可以绕其自身的轴向转动，在该转动下自旋轴4的方向始终指向目标集热器不变。使用跟踪电机通过控制圆形框架3和仰角轴5的转动来实现对太阳的二维跟踪；集热器8收集反射镜面/镜面阵列6反射后的太阳光，从而加以利用。

圆形框架可以是一个圆周整体；也可以由至少两个部分圆弧组成，其连接的部分在框架的内侧，不影响其在导轨上的转动。

支撑导轨其截面是呈U型的卡槽，如图2A所示，圆形框架可以在光滑的U型卡槽中滑动；或采用其底部镶有若干承重轴承，支撑圆形框架的转动，如图2B所示；或采用在其底部和侧面镶有若干承重轴承，起承重和支持转动的作用，如图2C所示；或将所述的承重轴承变为滚动轴承。

定日镜的圆形框架由电机驱动在导轨上转动，该转动可以利用销齿电机和圆形框架外圈上内陷的凹痕来实现，如图1所示，也可以采用其他转动方式，例如改变定日镜的圆形框架上凹痕的位置和形状等，来达到相同的旋转效果。

反射镜面可以是一个镜面体，其镜面可以是平面镜、球面镜或抛物镜；也可以由多个子镜组成，将各个子镜安装到其背后的框架后，组成反射镜面阵列，其中每个子镜可以是平面镜、球面镜或抛物镜。

镜面阵列由多个子镜组成时，其中每个子镜可以固定不动，也可以具有子跟踪功能，由电机驱动改变其指向，达到聚光的目的。

安装实施

安装时，首先根据地理位置(如维度、海拔等)、日照时长、集热用途等因素选择合适的定日镜安装方案，确定定日镜的大小，集热器的高度等因素后，定日镜的圆形框架圆心处的法向(即自旋轴方向)可以采用不同角度指向目标集热器。本发明尤其适用于接近竖直方向指向目标的定日镜设计。如图1、图5所示，对应于定日镜向上倾斜30度指向目标集热器的情况，目标集热器的高度比较高，余弦效应最小。图6对应于定日镜竖直放置的情况，此时定日镜的重量完全落在底部的支撑杆上，几乎没有侧应力，目标集热器与定日镜中心等高。图7为定日镜向下倾斜30度指向目标集热器，此时目标集热器放置在低处，便于能量的收集和储存，但是余弦效应较大。对于不同的方案，只需改变各个支撑杆的长度即可。

不论何种方案，不论定日镜的尺寸大小如何，由于负责承重的支撑杆始终在底部，长度较短，因此本发明创造的支撑装置能够轻松实现坚固、稳定的支撑。此外，对于不同方案的定日镜，只需调整几个支撑杆的长度和倾角即可，制造工艺简单，便于装配，可大规模工业化应用。

Claims (8)

1.一种自旋-仰角跟踪模式定日镜的稳定支撑装置，其特征是：至少有3个高度不同固定在地面上的支撑杆；支撑导轨固定在支撑杆的顶部；定日镜的圆形框架放置在支撑导轨上，并可以在导轨上转动；仰角轴通过定日镜的圆形框架的中心，仰角轴的两端与圆形框架相连接，并且可以绕其自身的轴向转动；反射镜固定在仰角轴上，并可以随之一起转动，定日镜的圆形框架和仰角轴的转动，由两个跟踪电机分别控制。

2.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征是：所述的圆形框架可以是一个圆周整体；或者由至少两个部分圆弧组成，其连接的部分在框架的内侧。

3.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征是：所述的支撑导轨其截面是呈U型的卡槽，圆形框架可以在光滑的U型卡槽中滑动；或采用其底部镶有承重轴承，支撑圆形框架的转动；或采用在其底部和侧面镶有承重轴承，起承重和支持转动的作用；或将所述的承重轴承变为滚动轴承。

4.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征是：定日镜的圆形框架由电机驱动在导轨上转动，该转动利用销齿电机和圆形框架外圈上内陷的凹痕来实现。

5.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征是：所述的反射镜面是一个镜面体，其镜面是平面镜或球面镜或抛物镜。

6.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征是：所述的反射镜面由多个子镜组成，将各个子镜安装到其背后的框架后，组成反射镜面阵列，其中每个子镜是平面镜或球面镜或抛物镜。

7.根据权利要求1、6所述的支撑装置，其特征是：所述的反射镜面由多个子镜组成镜面阵列，其中每个子镜具有子跟踪功能，由电机驱动改变其指向。

8.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征是：支撑杆的长度和倾角可以调节。

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