CN102563919B - 一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，其中包括一个或多个聚光定日镜和一个小型聚光镜，所述的聚光定日镜跟踪太阳并将太阳光聚集和反射到小型聚光镜上，该小型聚光镜将太阳光作第二次聚光。聚光定日镜是一种由子镜阵列组成的、作双轴跟踪的无光像聚光定日镜，子镜能够进行行和列方向的转动，并对聚光定日镜在跟踪太阳的时候随时对所聚光斑进行像差修正，其特证是：子镜的行和列方向的转动是通过一种非线性凸轮对子镜的推动实现的；聚光定日镜采用自旋与仰角跟踪法来跟踪太阳。本发明提高了太阳炉性价比，使太阳炉普及化，适合于太阳能提纯金属材料，太阳能光电，太阳能光热，太阳能制氢，太阳能焚化炉等的使用，其产业化使用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳聚光装置，一种能跟踪太阳，高倍聚集太阳光并利用所聚的太阳光产生高温的装置，特别是一种采用自旋仰角跟踪方式以及采用行列运动像差修正方式的太阳炉。
现有的利用聚集太阳光产生高温的光热技术涉及太阳跟踪器和反射式（譬如碟式或槽式的抛物面）或透射式（譬如菲涅尔透镜）聚光镜的使用。在较大型（热功率>10kW）的太阳能光热应用当中，高聚光比的装置能达到1500℃以上的高温，这种太阳聚光装置被称为太阳炉。传统技术的太阳炉有两种光学结构：
一种太阳炉的采光面为一个反射式的抛物面（碟式），加热目标置于在抛物面的光学焦点上。在操作的时候，抛物面跟踪太阳以确保抛物面的光学轴平行于太阳光入射方向，因此加热目标是悬挂在空中并且一直相对地面移动。其不足之处是：悬挂在空中并且一直移动的目标在应用上带来的不便大大的限制了其应用范围，比如说在冶金和高温金属镀膜等方面的应用就很难进行。
另一种太阳炉的采光面是由至少一个平面或球面定日镜组成，定日镜跟踪太阳并同时把太阳光反射在一个抛物面反射镜上，抛物面反射镜的光学轴平行于从定日镜反射过来的入射的太阳光，而加热目标则是放置在抛物面反射镜的光学焦点上。抛物面反射镜的面积与定日镜的总面积大约相等。在操作的时候，该抛物面反射镜和加热目标相对地面是固定的。其不足之处在于其庞大的抛物面反射镜的光学精度的要求会大大增加制造成本；两阶式的结构也使得整个系统十分庞大而复杂，材料及维修成本都十分高昂。
上述方案中的定日镜有两个特点：一是定日镜的反射面几乎都采用普通的球面或平面；二是定日镜的跟踪都使用传统的方位+仰角公式。这两个特点导致上述太阳炉存在着以下难以克服的问题：普通球面或平面反射镜无法克服由于太阳运动而产生的像差，由于入射光的偏轴效应效应，定日镜在光学焦点上形成的光斑大小在一天之内产生较大幅度的变化，而方位＋仰角跟踪系统也不能保证定日镜中心点的入射光线和反射光线始终位于子午面内，因此聚光光强和聚区的光密度出现大幅度波动，光热转换效率不理想。尽管某些定日镜开始采用不同曲率半径的球面，以减小光斑的尺寸，但大大增加的光学设计的复杂性导致制造成本也跟着大幅增长。
文献1(Chen, Y.T., et al (2002), “Report of the first prototype of non-imaging focusing heliostat and it’s application in high temperature solar furnace” Solar Energy Vol.72 No.6, p.531-544. 陈应天等（2002）太阳能 72（6），531-544),文献2（CN101004298）和文献3(CN101368764)，公开了一种新型太阳炉，其特点是该太阳炉由采用自旋和仰角跟踪方式的聚光定日镜和一个远小于定日镜的聚光镜组成，所述的定日镜由一个行列排列的方形子镜群组成，每个子镜可以进行行和列方向的运动以实现在偏轴情况下的像差的修正。由于实现了偏轴像差的修正，其聚光光斑比传统光学的聚光定日镜的光斑小，并且稳定。根据文献2和文献3所述的技术特征，新型太阳炉的二次聚光镜的采光面积和新型太阳炉的定日镜的采光面积的比是五十分之一或更小，由于二次聚光镜的采光面积很小，因此可以实现低成本高精度的制造，太阳炉的制造成本也因此显著地比传统的太阳炉低。虽然文献1, 文献2和文献3所公开的新型太阳炉相比传统的太阳炉有着显著的技术进步，然而在原公开的新型太阳炉的定日镜的设计中，为了达到精确的像差修正，每行每列子镜都需要有独立的驱动器。这样的设计不但增加了制造成本，也使工作的稳定性降低。本专利将披露新型太阳炉的定日镜的子镜群的行列像差修正装置可以进一步进行简化，从而在降低成本的同时更加提高新型太阳炉的设备稳定性。
本专利披露了一种在新型太阳炉的设计中如何使用统一的子镜像差修正驱动装置，使每一行和每一列子镜接收同一个驱动动作或者共享一个驱动源，。这样一种设计在原理上是可以实现的。因为新型太阳炉中的定日镜的子镜运动所依赖的行列运动的自适应调节的参数只有一个，即太阳光线的入射角；同时，新型太阳炉的定日镜的整体跟踪所依赖的跟踪方式中的仰角等于太阳光线的入射角。当然整体跟踪与入射角的函数关系同子镜的行列运动与入射角的函数关系相差甚远，然而依赖这种函数关系的单值性，子镜行列运动就可以通过一种特殊的变化的凸轮同定日镜的整体运动的自旋或仰角联系起来，从而共享一个驱动源。如果能做到这一点，那么新型定日镜的子镜数量的增加或减少都不会改变子镜像差修正驱动装置的数量。另外，理论的研究还发现，每行每列的修正运动尽管不同，然而它们同入射角的函数关系是有一定规律的。这种规律则表现在1，田子镜组成的矩阵中，上行与下行函数形式不同；2，左列与右列的函数是对称的；3，相邻行列的函数形式相同，差异只在于系数。根据这些特点，本发明公开一种新的技术方案，其特点是将在现有技术里用于推动子镜的所有驱动器都可省却，利用软传输方式将变速后的仰角运动传输到不同的行列中的非线性凸轮以进行自适应调节。所述的非线性凸轮的设计原理在于凸轮的轮廓曲线的曲率半径是该定日镜的光入射角的函数，也就是说直接把每行或者每列的子镜像差修正的运动公式（也是入射角的函数）用凸轮外形轮廓表现出来，这么以来每一行和每一列子镜的凸轮都只能接受同一种驱动动作，因此新型太阳炉的定日镜则可省去大量的驱动器。由于新型定日镜的仰角和太阳光入射角是一致的而非线性凸轮的转角实际上也是太阳光入射角的函数，这样子镜像差修正的驱动源则可以和新型定日镜的仰角驱动装置共享，比如在仰角的传动轴上安装一种非线性凸轮，将入射角转换成推动子镜的非线性凸轮的转角，在这种情况下，使用仰角驱动装置，子镜像差修正的驱动装置的数量则为零。
一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，包括一个或多个聚光定日镜和一个聚光镜，所述的聚光定日镜跟踪太阳并将太阳光聚集和反射到聚光镜上，该聚光镜将太阳光作第二次聚光，在聚光镜的焦点上形成一个高温区，所述的聚光定日镜是一种由一个子镜阵列组成的、作双轴跟踪的无光像聚光定日镜，所述的子镜能够进行行和列方向的转动，使聚光定日镜在跟踪太阳的时候对所聚的光斑进行像差修正。其特证是：所述的子镜的行和列方向的转动是通过一种非线性凸轮对子镜的推动实现的，所述的非线性凸轮的曲率半径r有三种类型并由以下公式定义：
凸轮的转角为，
t = kθ； （1）
负责子镜阵列上半部行方向运动的凸轮的曲率半径（其中n>0），
负责子镜阵列下半部行方向运动的凸轮的曲率半径（其中n<0），
； （3）
负责子镜阵列列方向运动的凸轮的曲率半径，
在以上三式中，
k是自定义的凸轮转角放大倍数，d是子镜的旋转支点的支撑杆和凸轮的旋转中心的垂直距离，L是所述的定日镜的焦距，n 指的是子镜行数或列数，n=±1,±2,±3,...,±N，所述的N＝(行或列方向的子镜的数量-1)/2, 所述的子镜的数量是奇数，最接近中央子镜的行或列数为n=-1,+1，其他的以此类推，H是邻近两行或者两列子镜之间的距离，θ是所述定日镜在跟踪太阳的时候的光入射角，r flat 是使子镜处于水平位置即转角为零度的凸轮的曲率半径；所述的非线性凸轮的转角t的驱动来自一个或者多个不同的硬性连接或者软连接方式从所述的定日镜的仰角驱动装置传递过来的转动角度。
根据上述的一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉的聚光定日镜，其特征是具有自旋轴及仰角转动轴，采用自旋与仰角跟踪法来跟踪太阳，其中仰角转动轴转角q由公式
给出，自旋轴转角ρ由公式
给出,式中δ太阳方位偏角，Φ是当地纬度，ω是太阳时角，λ是定日镜的目标角，φ是定日镜的面向角，β是变量(π/2-2θ)。
根据上述的采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，其另一特征是所述的二次聚光镜的口径面积与其聚光定日境的采光面积之比小于等于1:50。
上述的采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉还有一个特征是：所述的聚光定日镜是由至少3行以及至少3列具有光学反射面的子镜组成，其中子镜的光学反射面可以是平面镜、包含球面在内的二次曲面镜或者是由公式
定义的高次曲面镜以及上述三种镜的混合使用，式中LC是曲面的焦距，θc是最小光斑入射角，公式的坐标系由图4给出。上述的采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉还有一个特征是所述的子镜所进行的行方向的转动σn和列方向的转动γn由以下公式给出，
定义的高次曲面镜以及上述三种镜的混合使用，式中LC是曲面的焦距，θc是最小光斑入射角，公式的坐标系由图4给出。上述的采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉还有一个特征是所述的子镜所进行的行方向的转动σn和列方向的转动γn由以下公式给出，
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：本发明的原理结构图由图1.1，图1.2，图1.3，图1.4,图1.5和图2给出，其中定日镜2朝正南，其自旋轴6沿水平方向指向聚光反射镜3；定日镜2跟踪太阳1，把太阳光反射并且同时聚焦到聚光反射镜3；聚光反射镜3是个口径350mm, 曲率半径700mm的球面镜，聚光反射镜3放置于目标距离4为5m的位置；该球面镜把入射的太阳光作第二次聚焦，在其焦点的周围的空间形成高温区5。定日镜2的反射面由5行和5列共25片子镜7的子镜阵列组成，子镜是尺寸为500mm x 500mm的平面镜,位于子镜阵列的中心的子镜是中央子镜8。定日镜2是以自旋仰角跟踪方式跟踪太阳的，自旋仰角跟踪方式的原理由图2示意，其中的自旋轴转角由自旋角26给出，而仰角轴转角则是由仰角27给出，定日镜2的面向角29从正北30沿着方位角方向计算，定日镜的目标角28从地表沿着高低角方向计算。定日镜2跟踪太阳时所使用的太阳光入射角指的是中央子镜法线12和太阳入射线的夹角。定日镜2的自旋轴6朝向聚光反射镜3，定日镜2的仰角轴9与自旋轴6垂直。定日镜2的目标距离4是聚光反射镜3和中央子镜8沿着自旋轴6轴向上的距离。自旋轴6和仰角轴9在跟踪太阳时的转角由公式（5）和公式（6）给出。
定日镜2在跟踪太阳的同时还可以进行聚光，其聚光特性是以安装子镜在各个不同的角度的方式实现的，如图3所示。当太阳光的入射角变化时定日镜所聚的光斑出现像差，导致光斑变大，聚光比下降；像差的修正可以用图5.1和图5.2所示的行和列的运动来实现。图5.1中示意了一个由五行五列组成的子镜矩阵中，四个行和四个列方向的轴向运动：每行子镜的行方向的修正由当地子镜列方向的转轴的转角γn 33实现，每列子镜的列方向的修正由当地子镜行方向的转轴的转角σn34实现。在所有子镜的法线都平行于中央子镜8的法线的情况下，σn 34是当地行子镜的法线29和中央子镜8的法线的夹角，γn 33是当地列子镜的法线36和中央子镜8的法线的夹角。H σ 32是邻近两行子镜之间的距离，H γ35是邻近两列子镜之间的距离。前述的n 指的是子镜行数或列数，n=±1,±2,±3,...,±N，所述的N＝(行或列方向的子镜的数量-1)/2, 所述的数量是奇数。最接近中央子镜8的行或列数为n=-1,+1，其他的以此类推。行和列的修正由的公式（8）和公式（9）给出。
实现以上的像差修正的工作需要提供8种驱动子镜的动作：σ1，σ2，σ-1，σ-2，γ1，γ2，γ-1，γ-2，为了减少驱动源的使用可以将式（4）和式（5）编入硬件形成特殊的非线性凸轮21，凸轮的形状由以下公式定义：
1. 实现σ1 的非线性凸轮形状，
2. 实现σ2 的非线性凸轮形状，
3. 实现σ-1 的非线性凸轮形状，
4. 实现σ-2 的非线性凸轮形状，
5. 实现γ1 和γ-1的非线性凸轮形状，
6. 实现γ2 和γ-2的非线性凸轮形状，
以上的6种非线性凸轮都共享同一种驱动动作t。子镜的像差修正动作的实施方法由图1.3，图1.4和图1.5所示意。子镜由镜托13保护和支撑，镜托13通过支杆组件14固定到框架15上，支杆组件14和镜托13的接触点是一个万向结，镜托13的方位的固定由拉簧16实现。凸轮座组件17里的非线性凸轮21的转动动作推动滚轮20进而在导向座22的引导下直线推动导向柱组件19；导向柱组件19的另一末端顶着镜托13的一个点，这个点和万向结支点之间的距离为d, 导向柱组件19对镜托13的推动就能实现子镜在行方向的转动（σn）或者在列方向的转动（γn）。在图1.3中，镜托13底下有两套凸轮座组件17，用于实现子镜在行方向的转动（σn）或者在列方向的转动（γn）。非线性凸轮21的转动t通过非线性凸轮旋转轴23和传动杆18的转动来实现。传动杆18的运动可以直接来自机电驱动器或者通过软传动来自无源驱动，比如从仰角传动装置通过气动和液压传动传到传动杆18，实现0驱动器。
附图说明
图1.1是太阳炉的原理结构侧视图；
图1.2是太阳炉的原理结构后视图；
图1.3是太阳炉的原理结构镜托连接图；
图1.4是太阳炉的原理结构凸轮装配示意图；
图1.5是太阳炉的原理结构中的凸轮结构图；
图2是定日镜的自旋仰角跟踪法的示意图；
图3是子镜安装在各个不同的角度以使定日镜实现聚光的示意图；
图4是高次曲面几何示意图；
图5.1是以行和列的运动进行第一级像差修正的正面示意图；
图5.2是以行和列的运动进行第一级像差修正的侧面示意图。
Claims (4)
1.一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，包括一个或多个聚光定日镜和一个聚光镜，所述的聚光定日镜跟踪太阳并将太阳光聚集和反射到聚光镜上，该聚光镜将太阳光作第二次聚光，在聚光镜的焦点上形成一个高温区，所述的聚光定日镜是一种由一个子镜阵列组成的、作双轴跟踪的无光像聚光定日镜，所述的子镜进行行和列方向的转动，并对该聚光定日镜在跟踪太阳的时候对所聚的光斑进行像差修正，其特证是：所述的子镜的行和列方向的转动是通过一种非线性凸轮对子镜的推动实现的，所述的非线性凸轮的曲率半径r有三种类型并由以下公式定义：
凸轮的转角为，
t＝kθ；
负责子镜阵列上半部行方向运动的凸轮的曲率半径，其中n＞0，
负责子镜阵列下半部行方向运动的凸轮的曲率半径，其中n＜0，
负责子镜阵列列方向运动的凸轮的曲率半径，
在以上三式中，
k是自定义的凸轮转角放大倍数，d是子镜的旋转支点的支撑杆和凸轮的旋转中心的垂直距离，L是所述的定日镜的焦距，n指的是子镜行数或列数，n＝±1，±2，±3，...，±N，所述的N＝(行或列方向的子镜的数量-1)/2，所述的子镜的数量是奇数，最接近中央子镜的行或列数为n＝-1，+1，其他的以此类推，H是邻近两行或者两列子镜之间的距离，θ是所述定日镜在跟踪太阳的时候的太阳光入射角，rflat是使子镜处于水平位置即转角为零度的凸轮的曲率半径，也是该凸轮的最小的曲率半径；所述的非线性凸轮的转角t的驱动来自一个或者多个步进电机、直流电机、交流电机、气动源、液压源或从所述的定日镜的仰角驱动装置传递过来的动力。
2.根据权利要求1所述的一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉的聚光定日镜，其特征是具有自旋轴及仰角转动轴，采用自旋与仰角跟踪法来跟踪太阳，其中仰角转动轴转角q由公式
给出，自旋轴转角ρ由公式
给出，式中δ太阳方位偏角，Φ是当地纬度，ω是太阳时角，λ是定日镜的目标角，
φ是定日镜的面向角，β是变量，为π/2-2θ。
3.根据权利要求1所述的一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，其特征是所述的聚光定日镜是由至少3行以及至少3列具有光学反射面的子镜组成，其中子镜的光学反射面是平面镜、包含球面在内的二次曲面镜、由公式
定义的高次曲面镜或者上述三种镜的混合使用，式中LC是曲面的焦距，θc是最小光斑入射角。
4.根据权利要求1所述的一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，其特征是所述的子镜所进行的行方向的转动σn和列方向的转动γn由以下公式给出，
其中，L是所述的定日镜的焦距，定日镜的焦距同定日镜的目标距离是同一物理量，θ是所述定日镜在跟踪太阳的时候的光入射角，Hσ是邻近两行子镜之间的距离，Hγ是邻近两列子镜之间的距离，n指的是子镜行数或列数，n＝±1，±2，±3，...，±N，所述的N＝(行或列方向的子镜的数量-1)/2，所述的子镜的数量是奇数，最接近中央子镜的行或列数为n＝-1，+1，其他的以此类推。
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