CN103576700B - 一种日光定向反射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种日光定向反射系统，它包括反射面(2)、旋转轴(5)、滑槽机构(6)、连杆A(71)、连杆B(72)、传感单元A(81)、传感单元B(91)、驱动单元A(83)、驱动单元B(93)、和控制系统(10)。本发明根据反射光线接收目标不变的情况，首先确定反射光线接收目标中心的方向，通过对准技术固定系统中一个运动轴的方向，并保证该轴只发生旋转运动，然后采用自动追日技术，让系统中另一个运动轴寻找太阳，并通过巧妙的结构设计，让定日镜始终以两运动轴所成夹角的角平分线为法线，最终实现定向反射的目的。

Description

一种日光定向反射系统

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，具体涉及一种基于光电传感和等腰连杆结构的自动日光定向反射系统。

背景技术

太阳能作为一种可再生清洁能源，越来越受到社会各界的普遍关注，其应用范围也更加广泛，例如太阳能热水、太阳能空调、太阳能光伏发电及太阳能光热发电等。针对这些应用，太阳能自动追日技术得到了长足的发展，这也为太阳能利用效率的提高做出了很大的贡献。然而，太阳能的应用已逐渐不再局限于阳光直射的范畴，太阳能定向反射技术也开始被关注，这对太阳能效率的突破性提高有着至关重要的作用。太阳能定向反射技术更多地应用在塔式光热发电系统中，其传感和动作机制基本沿用于自动追日技术，近来，也涌现出了较多的新思想。例如：专利申请号为201210590027.1所公布的“一种定日镜控制装置”，通过现有的物联网概念，记录太阳运行的轨迹参数，代入运算模块，再通过控制指令结合通信模块实现人为控制定日镜的运动，这样可以降低整个装置的成本，但其运算精度与整个控制模块实现的复杂程度有待实践考察。专利申请号为201110247994.3所公布的“基于光斑识别的控制日光反射装置自动跟踪太阳的方法”，公开了如何利用光斑成像技术计算反射装置的调整角度，实现反射装置将日光反射到指定位置。专利申请号为200810007862.1所公布的“定日镜装置”、专利申请号为200980158900.6所公布的“用传感器控制反射方向的定日镜装置”，均公开了如何通过探测定位反射光方向来调整反射装置的运动，最终实现将日光反射到指定位置。虽然这些专利都从控制思想上提供了反射镜的动作调整依据，但并未对其机械调整结构进行相关创新研究。专利申请号为201210205805.0所公布的“塔式太阳能集热发电系统定日镜自动调整转换控制装置”，专利申请号为201210205821.X所公布的“新型塔式太阳能集热系统定日镜的被动自动跟踪系统”，具体公开了一种与反射镜、传感器、运动轴位置有关的系统结构，相比于之前的相关研究而言思想上具有一定的创新性，但其实现思想中描述的以邻边等边平行四边形为核心的反射装置结构冗余，且定日镜安装于两运动轴交点的结构容易导致系统的重心不稳、支撑不牢。专利申请号为201310058179.1所公布的“塔式太阳能定日镜圆柱齿轮光线角度转换控制装置”，公开了如何用齿轮配比结构实现前面所述的申请号为201210205805.0和申请号为201210205821.X的两个专利中所述的邻边等边平行四边形反射结构的光线角度转换控制装置，而专利申请号为201310058388.6所公布的“塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架”及专利申请号为201310058178.7所公布的“塔式太阳能定日镜圆柱齿轮被动自动追日支架”，则是申请号为201310058179.1所公布的“塔式太阳能定日镜圆柱齿轮光线角度转换控制装置”专利的两种具体实现结构。

如何使用一种结构简单、成本低廉、易于实现的定向反射技术，在太阳能应用的各种场合（如太阳能热水工程，太阳能光伏、光热发电等）提高设备对太阳能的利用效率，是目前有待攻克的课题。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何使用一种结构简单、成本低廉、易于实现的定向反射技术，在太阳能应用的各种场合（如太阳能热水工程，太阳能光伏、光热发电等）提高设备对太阳能的利用效率。

本发明所述的技术问题是这样解决的：一种日光定向反射系统，它包括日光源、反射面，目标中心、旋转轴、滑槽机构、连杆A、连杆B，传感单元A、传感单元B、驱动单元A、驱动单元B和控制系统(10)。旋转轴始终对准目标中心，连杆A与旋转轴固定连接，也始终对准目标中心，连杆A、连杆B长度始终相等，构成等腰连杆结构，反射面以连杆A、连杆B的夹角平分线为法线。控制系统根据传感单元A、传感单元B的输出信号控制驱动单元A、驱动单元B的运动，最终使连杆B对准日光源，又因连杆A对准目标中心，连杆A、连杆B的夹角平分线为反射面的法线，即实现了反射面将日光反射到目标区域。

日光源为本发明的光线来源，在系统中被视为平行光源，强度在传感单元A和传感单元B能检测到的范围内。

反射面为系统的反射单元，始终以连杆A、连杆B的夹角平分线为法线，在驱动单元A和驱动单元B的带动下实现将日光源反射到目标区域。

目标中心为本发明的反射光线接收目标中心，即通过反射面中心的入射光线经过反射后到达此处。

旋转轴为带动整个反射装置转动的轴，并始终指向目标中心。

滑槽机构为连杆A、连杆B与反射面的连接单元，保证连杆A、连杆B在长度不变的情况下通过张合运动带动反射面运动。

连杆A、连杆B两者长度相等，构成等腰连杆结构，并通过滑槽机构与反射面连接，其中的连杆A与旋转轴固定连接，也始终对准目标中心。

旋转连接点A连接连杆A、连杆B，保证连杆A、连杆B能以旋转连接点A为轴心实现张合运动。

旋转连接点B连接连杆A和滑槽机构，保证连杆A和滑槽机构能以旋转连接点B为轴心实现张合运动。

滑动支撑点连接连杆B和滑槽机构，保证连杆B能在滑槽机构上自由滑动，且长度不变。

传感单元A、驱动单元A与控制系统结合，构成旋转轴的传感驱动控制单元，传感单元A由位于连杆A、连杆B所在平面两侧的光敏器件构成，其将连杆A、连杆B所在平面两侧的光强差异信号经传感单元控制连接线A传递给控制系统，控制系统将该信号转化为驱动单元A的控制信号，该控制信号经驱动单元控制连接线A传递，驱动旋转轴带动整个装置向减少这种光强差异的方向旋转，最终使两侧光强相等。

传感单元B、驱动单元B与控制系统结合，构成连杆B的传感驱动控制单元，其中的传感单元B由位于连杆B上靠近连杆A和背离连杆A两侧的光敏器件构成，其将靠近连杆A和背离连杆A两侧的光强差异信号经传感单元控制连接线B传递给控制系统，控制系统将该信号转化为驱动单元B的控制信号，该控制信号经驱动单元控制连接线B传递，驱动连杆B带动反射板向减少这种光强差异的方向旋转，最终使两侧光强相等。

控制系统为本发明的控制核心，能完成对传感单元A、传感单元B输入信号的处理，并按设定逻辑向驱动单元A、驱动单元B输出驱动指令，最终实现定向反射的核心控制功能。

本发明的有益效果是：根据反射光线接收目标不变的情况，首先确定反射光线接收目标中心的方向，通过对准技术固定系统中一个运动轴的方向，并保证该轴只发生旋转运动，然后采用自动追日技术，让系统中另一个运动轴寻找太阳，并通过巧妙的结构设计，让定日镜始终以两轴所成夹角的角平分线为法线，最终实现定向反射的目的。

附图说明

图1为系统总体结构示意图；

图2为实施例1结构前侧视图；

图3为实施例1结构后侧视图；

图4为实施例1部分结构图；

图5为实施例2结构前侧视图；

图6为实施例2结构后侧视图；

图7为实施例2部分结构图；

其中，1-日光源，2-反射面，3-目标中心，41-水平参考面，42-旋转参考面，43-夹角平分线，5-旋转轴，6-滑槽机构，71-连杆A，72-连杆B，73-旋转连接点A，74旋转连接点B，75-滑动支撑点，81-传感单元A，82-传感单元控制连接线A，83-驱动单元A，84-驱动单元控制连接线A，91-传感单元B，92-传感单元控制连接线B，93-驱动单元B，94-驱动单元控制连接线B，10-控制系统，11-反射板，12-旋转轴，13-张合轴，141-旋转运动传感单元，142-旋转运动驱动电机，143-蜗杆，144-涡轮，151-张合运动传感单元，152-张合运动驱动电机，153-蜗杆，154-涡轮，16-滑杆，17-两折拉杆，18-固定杆，19-底座，21-反射板，22-系统传感单元，23-旋转运动驱动电机，24-张合运动驱动电机，251-固定底板，252-旋转运动带动板，253-张合运动带动板，26-固定滑槽，27-滑杆，28-固定杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1为本发明的总体结构示意图，该系统包括日光源1，反射面2，目标中心3，水平参考面41，旋转参考面42，夹角平分线43，旋转轴5，滑槽机构6，连杆A71，连杆B72，旋转连接点A73，旋转连接点B74，滑动支撑点75，传感单元A81，传感单元B91，传感单元控制连接线A82，传感单元控制连接线B92，驱动单元A83,驱动单元B93，驱动单元控制连接线A84，驱动单元控制连接线B94，控制系统10。

反射面2通过一定的布置始终以连杆A71、连杆B72的夹角平分线43为法线；旋转轴5始终对准目标中心3，其中的连杆A71与旋转轴5固定连接，也始终对准目标中心3，连杆A71和连杆B72长度相等，构成等腰连杆结构，并通过旋转连接点A73连接，保证连杆A71、连杆B72能以旋转连接点A73为轴心实现张合运动；其中的连杆A71与反射面2上的滑槽机构6通过旋转连接点B74连接，保证连杆A71和滑槽机构6能以旋转连接点B74为轴心实现张合运动，连杆B72与反射面2上的滑槽机构6通过滑动支撑点75连接，保证连杆B72能在滑槽机构6上自由滑动，且长度不变。

传感单元A81由位于连杆A71、连杆B72所在平面两侧的光敏器件构成，其将连杆A71、连杆B72所在平面两侧的光强差异信号经传感单元控制连接线A82传递给控制系统10，控制系统10将该信号转化为驱动单元A83的控制信号，经驱动单元控制连接线A84传递，驱动旋转轴5带动整个装置向减少这种光强差异的方向旋转，最终使两侧光强相等，即实现了日光源1与等腰连杆结构所在面共面，又由于旋转轴5始终对准目标中心3，而整个等腰连杆结构又由连杆B72固定于旋转轴5上，则最终实现了日光源1、目标中心3与整个等腰连杆结构的共面。

传感单元B91由位于连杆B72上靠近连杆A71和背离连杆A71两侧的光敏器件构成，其将靠近连杆A71和背离连杆A71两侧的光强差异信号经传感单元控制连接线B92传递给控制系统10，控制系统10将该信号转化为驱动单元B93的控制信号，经驱动单元控制连接线B94传递，驱动连杆B72带动反射板向减少这种光强差异的方向旋转，最终使两侧光强相等，当旋转轴5的运动实现日光源1、目标中心3与整个等腰连杆结构的共面之后，该运动即实现了连杆B72对准日光源1的目标，又由于连杆A71始终对准目标中心3，连杆A71、连杆B72的夹角平分线43又反射面2的法线，即实现了反射面2将日光反射到目标中心3。

图2、图3和图4为本发明的一种实施结构，其中，图2为前侧视图，图3为后侧视图，图4为局部结构图。该实施方案中，旋转轴12既为转轴，也是等腰连杆结构中的连杆之一，张合轴13为另一连杆，两者的连接点到各自与反射板11接触点的距离始终相等；其中的旋转运动传感单元141中的光敏器件位于旋转轴12左右侧，张合运动传感单元151中的光敏器件位于张合轴13前后侧，可以分开放置，也可以集成后同时置于张合轴13上，放置方式及结构也可多样化，只需保证在上述两种方向上对称布置；旋转运动驱动电机142为旋转电机，通过蜗杆143与涡轮144齿合，带动旋转轴12转动；张合运动驱动电机152也为旋转电机，以同样的方式通过蜗杆153与涡轮154齿合，带动旋转轴13向旋转轴12张合运动；旋转轴12与反射板11通过固定杆18固定连接，这样可以带动反射板随旋转轴12旋转运动；张合轴13与反射板11则通过滑竿16和两折拉杆17连接，带动反射板随张合轴13俯仰运动。这样，整个结构就完整地实现了自动追日机制到定向反射机制的转换。

图5、6、7为本发明另一种实施结构，其中，图5为前侧视图，图6为后侧视图，图7为局部结构图。该实施方案中，系统传感单元22将系统中两个互为垂直的运动方向上的传感器集为一体，置于张合运动带动板253上，旋转运动驱动电机23、张合运动驱动电机24均为直线电机，固定底板251是该结构的固定单元，其与旋转运动带动板252的连接轴对准反射光线接收中心，旋转运动带动板252通过合页结构与反射板上的固定轴28连接；张合运动带动板253通过合页结构与固定在反射板21上的滑槽滑杆结构连接。其中，电机、固定板、带动板及反射板都通过合页连接，保证整个动作机构的灵便性，这样，整个结构也完整地实现了自动追日机制到定向反射机制的转换。

Claims (2)

1.一种日光定向反射系统，其特征在于：它包括反射面(2)、旋转轴(5)、滑槽机构(6)、连杆A(71)、连杆B(72)、传感单元A(81)、传感单元B(91)、驱动单元A(83)、驱动单元B(93)和控制系统(10)；旋转轴(5)始终对准目标中心(3)，旋转轴(5)的一端安装有传感单元A(81)，旋转轴(5)的另一端通过旋转连接点(73)与连杆A(71)和连杆B(72)的一端连接；连杆A(71)的另一端对准目标中心(3)并通过旋转连接点(74)与滑槽机构(6)连接，连杆B(72)的另一端寻找日光源(1)并安装有传感单元B(91)，连杆B(72)的上部通过滑动支撑点(75)与滑槽机构(6)连接；反射面(2)与滑槽机构(6)连接并以连杆A(71)、连杆B(72)的夹角平分线(43)为法线；传感单元A(81)、传感单元B(91)的输出与控制系统(10)连接，控制系统(10)的输出与驱动单元A(83)和驱动单元B(93)连接，分别控制旋转轴(5)和连杆B(72)的运动；控制系统(10)根据传感单元A(81)、传感单元B(91)的输出信号控制驱动单元A(83)、驱动单元B(93)的运动，使连杆B(72)对准日光源(1)，因连杆A(71)始终对准目标中心(3)，连杆A(71)、连杆B(72)的夹角平分线(43)为反射面(2)的法线，即实现反射面(2)将日光反射到以目标中心(3)为中心的区域。

2.根据权利要求1所述的日光定向反射系统，所述的连杆A(71)和连杆B(72)长度相等，构成等腰连杆结构。