CN103032969A - 一种半自动跟踪太阳灶及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半自动跟踪太阳灶及其控制方法，该太阳灶包括底架以及垂直固定设置在底架上的主轴，在主轴上套设有转动轴，转动轴固定连接有聚光镜和支锅架；转动轴与主轴之间设有由卷簧、承重轴承、定时器、擒纵机构组成的转动控制机构，用以驱动并控制转动轴绕主轴定速旋转；在聚光镜的下端中间处安装有手工转动的手柄和目测对准器。该太阳灶结构简单，利用手工对准太阳操作过程中提供的能量存贮在不使用复杂的电子跟踪系统条件下就能实现半自动跟踪太阳光的目的，能够有效降低制造与使用成本,并且操作简单，使用方便。

Description

一种半自动跟踪太阳灶及其控制方法

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，涉及一种跟踪太阳光的太阳灶，尤其是一种半自动跟踪太阳灶及其控制方法。

背景技术

目前太阳应用主要为太阳能热应用和光伏发电二个领域，其中光伏发电因为其光电利用效率低而使其推广应用受到限制；而太阳能热能推广应用中的主要技术障碍是太阳能密度低，仅能够应用于低温段：如太阳能热水器仅能够提供热水但是不能够提供开水饮用，更不用说工业热发电了；而利用聚光器通过汇聚的方法提高太阳能密度就是解决太阳能量密度低的基本方法。当然对于聚光器必然需要与之相配套的高精度自动跟踪装置，如斯特林太阳能发电等大系统；但是对于多年来一直提倡的在农村推广应用的太阳灶没有达到预期目标，其主要原因就是该系统在实际应用过程中一般因为成本原因采用无跟踪功能设计而使其使用性能受到限制；如果配套上普通的自动跟踪系统，一方面导致其成本上升，而更主要的另一方面原因是自动跟踪系统在恶劣的室外环境下长年累月使用过程中一旦出现故障，对于广大农村使用者农民来说就束手无策。以致于该技术问题已经成为太阳灶推广应用道路上的拦路虎。

随着国家节能降耗政策的具体实施以及防止水土流失、提高农村生活质量的实际需要，根据太阳灶具体工作环境及特点，改进并设计结构简单、操作方便、故障率低、能够满足农村实际需要的高性价比的具有跟踪太阳光性能的太阳灶系统，具有很大的实用价值。这也就是本发明专利所要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种半自动跟踪太阳灶及其控制方法，该太阳灶结构简单，不必使用复杂的电子跟踪系统就能实现半自动跟踪太阳光的目的，能够有效减少成本。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种半自动跟踪太阳灶，包括底架以及垂直固定设置在底架上的主轴，在主轴上套设有转动轴，所述转动轴固定连接有聚光镜和支锅架；所述转动轴与主轴之间设有由卷簧、承重轴承、定时器、擒纵机构组成的转动控制机构，用以驱动并控制转动轴绕主轴定时旋转；在所述聚光镜的下端中间处安装有手工转动的手柄和目测对准器。

上述转动控制机构中，承重轴承设置在转动轴的下端并套设在主轴上；所述卷簧设置在转动轴内并套设在主轴上，卷簧的二端分别与主轴和转动轴相连接；在转动轴内腔下部于卷簧下方依次设置定时器和擒纵机构；在所述擒纵机构下方设置有与主轴固定连接的环形齿，所述擒纵机构的擒纵轮与环形齿啮合，在环形齿的两侧还设置有限位栓。

上述底架由三根相互之间为120°的角铁焊接组成；三根角铁连接处与所述主轴垂直焊接成一体。

上述目测对准器由取样筒三根筋和底盘组成，底盘通过三根筋固定连接在取样筒下端，所述底盘直径大于取样筒的内径，且在底盘中间刻有直径与取样筒的内径相同的园环槽。

取样筒为空心钢管，内壁涂黑。

本发明还提出一种上述半自动跟踪太阳灶的控制方法：每天早晨在使用者手工操作下，通过手柄把聚光镜由左向右围绕主轴转动到被限位栓挡住的位置，这时候聚光镜在对准太阳光的位置，且此时已通过手工操作给卷簧和游丝贮存了能量；随后在定时器的控制下，通过擒纵机构使安装于转动轴内的擒纵轮每隔一定时间相对环形齿动作一次，这样在卷簧驱动下利用转动控制机构控制太阳灶从右向左与太阳自转方向和平均角速度相同的间歇转动，一直到达左极限位置而停止，实现自动跟踪太阳光。

本发明具有以下有益效果：

本发明在具体分析研究农民主要使用太阳灶烧水煮饭以及使用具体时间不确定的特点及太阳灶的工作环境与状态的基础上，结合太阳灶本身结构，在完全避免使用电子自动跟踪系统及其驱动电源的前提下，设计制作出具有半自动跟踪太阳光功能的太阳灶，不但具有简单的目测太阳光对准装置，而且利用操作者每天开始使用时手动操作太阳聚光灶体对准太阳光的操作动作同时完成随后自动跟踪太阳光所需要的机械能量贮备，并通过机械振动定时和擒纵机构以及专用轨道实现从此时刻开始的太阳灶自动跟踪太阳光功能；从而使得太阳灶达到结构简单、操作方便、性价比高的使用要求，为在农村大量推广应用从技术上铺平道路。

附图说明

图1为本发明的半自动跟踪太阳灶结构原理图；

图2为本发明的目测对准器3结构示意图；

图3为本发明的转动控制机构结构示意图。

其中：1为底架；2为主轴；3为目测对准器；3.1为取样筒；3.2为锥台形底盘；4为手柄；5为聚光镜；6为支锅架；7为开水壶；8为卷簧；9为转动轴；10为擒纵机构；10.1为环形齿；10.2为限位栓；10.3为擒纵轮；11为定时器；12为承重轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的半自动跟踪太阳灶，包括底架1以及垂直固定设置在底架1上的主轴2，在主轴2上套设有转动轴9，转动轴9固定连接有聚光镜5和支锅架6；转动轴9与主轴2之间设有由卷簧8、承重轴承12、定时器11、擒纵机构10组成的转动控制机构，用以驱动并控制转动轴9绕主轴2定时旋转；在聚光镜5的下端中间处安装有手工转动的手柄4和目测对准器3。本发明聚光镜5安装固定于支架上，伸向左右二边的聚光镜支架（图中未画出）连接固定于转动轴筒上。

底架1由一定长度的三根相互之间为120°（平面内）的角铁焊接组成，三根角铁连接处与所述主轴2垂直焊接成一体，构成太阳灶的支撑架而固定于地面。

如图3所示：本发明的转动控制机构中，承重轴承12设置在转动轴9的下端并套设在主轴2上；卷簧8设置在转动轴9内并套设在主轴2上，卷簧8的二端分别与主轴2和转动轴9相连接，在使用者操作对准转动聚光体过程中所产生并存储于卷簧和游丝的能量分别作为聚光镜5转动与定时器11工作的动力源；在转动轴9内腔下部于卷簧8下方依次设置定时器11和擒纵机构10；在擒纵机构10下方设置有与主轴2固定连接的环形齿10.1，擒纵机构10的擒纵轮10.3与环形齿10.1啮合，安装在转动轴上的齿轮能否在卷簧驱动下于环形齿上转动又受制于擒纵机构。在环形齿10.1的两侧还设置有限位栓10.2。环形齿10.1每个齿轮的齿宽为W=(2πR/360)*(n/60)，其中R为环形齿10.1的旋转半径，n为转动一个齿轮的周期（即几分钟转动一个齿轮）；在环形齿10.1左右的二个限位栓10.2与底架1的二个角铁A和B在水平内面角度相同，平面夹角为120°（根据纬度不同或者更大一些，接近赤道时可到150°），另外，承重轴承12是园台形承重轴承，与转动轴9上的轴瓦组成负重轴承组，承载聚光镜5及其他转动部件的重量。

本发明的转动控制机构利用机械等时振动装置控制擒纵机构10的卡、放动作（具体机构与工作原理和钟表中的机械定时器及擒纵机构相同，这里不再叙述），进而控制转动轴安装的齿轮在固定轴环形齿上的的运动状态（停止或者转动的间歇运动状态），实现聚光镜等转动部分在卷簧驱动下按照设计的平均角速度15°/小时的间断性转动，从而完成自动跟踪太阳光的功能；通常又通过组合齿轮把手工操作对准太阳光提供的转数增加后再传递给游丝的方法，以便提供（补充）机械等时振动装置的能量，这种方法及其相应机构因为常用，一说即明白，所以在整体结构图中省略未画出。

本发明实现控制功能的另一个方法就是利用电子电路定时输出信号，然后通过电磁继电器间歇吸合与断开方式控制转动轴上齿轮在卷簧作用下在固定轴环形齿条上的平均转动速度，并将此转换为聚光体的水平面内的旋转运动，从而同样能够实现聚光体自动跟踪太阳光的效果。但是此方法虽然简单易行，却需要通过光伏电池板或者干电池方式提供电能源，使得使用成本增大。

另外，在聚光镜5下端中间处安装有手工转动的手柄4和目测对准器3，而且要求目测对准器3的中心线必须处于与聚光镜5截面垂直的方向，如图2所示。所述目测对准器3由取样筒3.1三根筋3.2和底盘3.3组成，底盘3.3通过三根筋3.2固定连接在取样筒3.1下端，所述底盘3.3直径D2大于取样筒3.1的内径D1，且在底盘3.3中间刻有直径与取样筒3.1的内径D1相同的园环槽3.4（光圈）。取样筒3.1为空心钢管，内壁涂黑，长度L≥130mm；

实施方法

1）对于北半球地区使用者来说，安装太阳灶时三根角铁中的A与B固定端的连线AB必须与赤道方向平行（东西方向）。这样一来由于固定轴上二个定位栓与此角度相同，从而保证转动轴的转动角度范围为120°，即从每天早晨9点到下午4点的8小时时间内为太阳灶有效工作时间且具有自动跟踪功能，。（这里以此数据举例说明，实际上对于不同纬度和季节来说，可能够工作10小时，如夏天在深圳有效工作时间可以延长到从早上8点到下午的5点期间的10个小时都是有效工作时间。那么对应的在固定轴上的二个定位栓之间的角度应该是150°而不是120°。）

2）动力源卷簧的安装要求是：在转动轴处于左限制位置时，卷簧仍然具有满量程1/4的贮能状态而非自由状态；而一旦每天早上使用者手工操作把转动轴从左极限位置搬到右极限位置时，卷簧应该处于满量程3/4的贮能状态。

运动特点：每天早晨9点在使用者手工操作下，聚光镜与转动轴一起从左极限位置转动到右极限位置并且同时贮能（或者与操作时刻太阳光对准位置）；然后在卷簧驱动下利用控制部件有效控制太阳灶从右向左与太阳自转方向和平均角速度相同的间歇转动，一直到达左极限位置而停止；从而达到自动跟踪太阳光的目标。

在按照上述方法安装的太阳灶的基础上，每天早上使用者出工前的9点（或者8点）首先通过手柄把聚光体由左向右围绕固定轴转动到被限位栓挡住的位置，这时候必然是对准太阳光的位置，而且此时已经通过手工操作转动聚光体的动作给卷簧和游丝贮存了能量。随后在定时器的控制下，通过擒纵机构使得安装于转动轴里的齿轮按照设计要求每隔一定时间（例如每4分钟）动作一次，那么就意味着这一次转动一个齿轮的弧长对应的角度为（15°/60）*4=1°。实际上聚光体由于在卷簧作用下以及定时器有效控制下将间歇性转动可以看成是以平均每小时15°的均匀角速度转动，即与地球自转角速度相同，虽然只是间歇（通过试验证明一般3-5分钟转动一次即可，具体根据需要设定）而不是像地球一样连续均匀的自转，但是由于采用汇聚的太阳光把开水壶的水加热止沸腾即可，不需要精确跟踪太阳实现成像聚光，所以只要把太阳光能够有效的聚焦在一定区域即可，从而基本实现自动跟踪太阳光的功能，满足了实际使用的需要，但是却在不消耗（或者在电子定时器中消耗很小能源）能源和巧妙设计的机械结构，利用操作者每天开始使用时刻对准太阳光的动作实现驱动能量贮存，保证了当天此刻以后太阳灶自动跟踪太阳光功能，实现了结构简单、操作方便、使用成本低等技术优势，从而大大提高了太阳灶的性价比，为其推广应用从技术方面扫平了障碍。

但是在农村，太阳灶使用者很可能在早上出工后12点左右回来才使用太阳灶烧开水等用途，这种情况下操作者利用手柄由左向右转动聚光体的同时，用眼睛关注目测对准器中穿过圆柱筒的太阳光是否与底盘上刻制的光环重合，一旦重合，证明目前聚光体已经对准太阳光，这时候把开水壶放置于支架上即可。因为此后聚光体和前述运动状态相同，将在卷簧的推动下，由于定时器的有效控制而一直间歇式转动方式实现自动跟踪太阳光，直到下午4点或者5点被限位栓挡住而停止间歇式运动。

值得一提的是，此方法同样可以推广应用于光伏发电系统中电池板的半自动跟踪功能来提高发电量。特别是如果采用电子定时器，则把其所使用的电源用可充电池代替，每天利用光伏电池板的所发的电力给蓄电池充电，那么在实现自动跟踪前提下，使用成本几乎和全部机械结构差不多，但是结构简单多了，推广应用更有优势。

Claims (6)

1.一种半自动跟踪太阳灶，其特征在于，包括底架（1）以及垂直固定设置在底架（1）上的主轴（2），在主轴（2）上套设有转动轴（9），所述转动轴（9）固定连接有聚光镜（5）和支锅架（6）；所述转动轴（9）与主轴（2）之间设有由卷簧（8）、承重轴承（12）、定时器（11）、擒纵机构（10）组成的转动控制机构，用以驱动并控制转动轴（9）绕主轴（2）定时旋转；在所述聚光镜（5）的下端中间处安装有手工转动的手柄（4）和目测对准器（3）。

2.根据权利要求1所述的半自动跟踪太阳灶，其特征在于，所述转动控制机构中，承重轴承（12）设置在转动轴（9）的下端并套设在主轴（2）上；所述卷簧（8）设置在转动轴（9）内并套设在主轴（2）上，卷簧（8）的二端分别与主轴（2）和转动轴（9）相连接；在转动轴（9）内腔下部于卷簧（8）下方依次设置定时器（11）和擒纵机构（10）；在所述擒纵机构（10）下方设置有与主轴（2）固定连接的环形齿（10.1），所述擒纵机构（10）的擒纵轮（10.3）与环形齿（10.1）啮合，在环形齿（10.1）的两侧还设置有限位栓（10.2）。

3.根据权利要求2所述的半自动跟踪太阳灶，其特征在于，所述底架（1）由三根相互之间为120°的角铁焊接组成；三根角铁连接处与所述主轴（2）垂直焊接成一体。

4.根据权利要求1所述的半自动跟踪太阳灶，其特征在于，所述目测对准器（3）由取样筒（3.1）三根筋（3.2）和底盘（3.3）组成，底盘（3.3）通过三根筋（3.2）固定连接在取样筒（3.1）中心延长线的下端，且中心线的方向就是太阳灶接收截面的方向；所述底盘（3.3）直径大于取样筒（3.1）的内径，且在底盘（3.3）中间刻有直径与取样筒（3.1）的内径相同的园环槽（3.4）。

5.根据权利要求4所述的半自动跟踪太阳灶，其特征在于，所述取样筒（3.1）为空心钢管，内壁涂黑。

6.一种权利要求1-5任意一项所述半自动跟踪太阳灶的控制方法，其特征在于，每天早晨在使用者手工操作下，通过手柄（4）把聚光镜（5）由左向右围绕主轴（2）转动到被限位栓（10.2）挡住的位置，这时候聚光镜（5）在对准太阳光的位置，且此时已通过手工操作给卷簧（8）贮存了能量；随后在定时器（11）的控制下，通过擒纵机构（10）使安装于转动轴（9）内的擒纵轮（10.3）每隔一定时间相对环形齿（10.1）动作一次，这样在卷簧（8）驱动下利用转动控制机构控制太阳灶从右向左与太阳自转方向和平均角速度相同的间歇转动，一直到达左极限位置而停止，实现每天手动操作后自动跟踪太阳光功能。

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