CN1037030A - 分镜太阳能集热装置 - Google Patents

Abstract

聚光式太阳能集热装置能得到高温热源，但目前 的抛物面聚光镜过于笨重，不易实现自动跟踪，使用 时焦点随太阳移动，很不方便。本发明用多个小镜代 替整体反射镜，克服了上述缺点，其特点是用简单的 机械装置实现了各小镜不同的跟踪控制，及实现了不 用外加能源的自动太阳跟踪装置。本集热装置成本 低廉，易于制造，能在固定焦点得到高温热源，可用于 炊事、热水、致冷、采光、烘干、发电等很多方面，而且 易于安装在阳台、窗外等位置。

Description

分镜跟踪式太阳能集热装置利用反射镜将太阳的平行辐射光经反射后聚在其焦点处，可广泛用于太阳能加热、取暖、制冷、采光等多方面利用。

太阳能具有经济、无污染、不破坏环境、不受资源限制等优点，充分利用太阳能是解决能源紧张的一个重要方向。

太阳能利用装置可分为聚光式和非聚光式两大类。非聚光式由于不能得到高温热源，只能用于热水、供暖等有限领域；而且由于这类装置本身散热面积大，冬季使用困难。

聚光式太阳能利用装置能够得到高温热源，潜在应用范围很广。目前这类装置中最典型的是用抛物面反射镜聚光的方法，它由：

(1)一个旋转抛物面形的反射镜

(2)设在焦点处的热利用装置

(3)支架

(4)跟踪太阳移动的机构。

等几部分构成，这种聚光式太阳能集热装置有以下几点不足，使其应用受到限制：

(1)在跟踪太阳移动的过程中，焦点的位置和指向都发生变化，给热能和光能的高效利用带来很大困难。

(2)整个镜体笨重，对支点不易平衡，(随负荷而变)，跟踪时所需的功率大，难以实现自动跟踪。

(3)由于焦点与太阳必须在装置的同一侧，使这种集热装置的适用范围大受限制，在楼房的窗外或阳台就难以使用。

目前有用多个小反射镜代替整体反射镜的装置，只要改变各小镜的角度，就可以在跟踪太阳移动的同时，把光线聚在固定的焦点，它能够克服整体反射镜的上述缺点。但是由于各个小镜在跟踪时转动角度不同，为实现跟踪需要复杂的控制，例如计算机和很多执行机构(电动机)所组成的控制系统，成本很高。因此，目前这种聚光系统仅用于大规模太阳能发电实验装置，无法用于小规模装置(如家用太阳灶)上。

为了克服现有的整体反光镜和分镜集热系统的上述不足，降低成本、减轻重量、方便使用，特提出本发明。

本分镜跟踪式太阳能集热装置，用简单的机械方法实现了复杂的控制。本发明将小镜的复杂运动分解为聚焦和跟踪两种简单运动，其关键在于使用了一种叫作万向分角器的机械部件，它可以在相同角度的跟踪控制下分别决定各小镜实现聚焦的正确方向。本发明还包括了几种不需要外加能源的低成本自动太阳跟踪装置，以实现整体的自动跟踪控制。

本发明克服了现有整体反射镜方式及用多个执行机构分别控制各反射镜的太阳能集热装置的缺点，用简单的机械构造实现了复杂的控制，使用本装置成本大大下降，重量明显减轻，并且易于实现自动跟踪，大大提高能源利用率。用这种聚焦跟踪方式制成的太阳灶，容易安装在各种位置，平地、阳台外、窗外都可以安装，焦点可按用户要求随意设定，解决了城市地区使用太阳灶的难题，而且可以一机多用，例如在作饭时用作太阳灶，其他时间烧热水。而且还可以用于取暖、空调、致冷、茶炉、发电、采光等一切需要热源或光源的装置，当用作热水器时，冬季也可以得到高温热水。这种聚光方式也可以将光源放在焦点位置以得到平行的反射光，可用作探照灯、聚光灯、远距离摄影闪光灯等，比整体聚光更易于控制照射方向。

一般的太阳跟踪装置多采用光电跟踪的方式，其缺点是构造复杂、价格高、需要供给电源，如用阳光电池供电，则会使成本更高。本发明的光—热—汽压型太阳跟踪装置，利用阳光直接加热波纹管，使波纹管内低沸点液体的饱和蒸汽压升高，波纹伸长，直接驱动跟踪装置动作。这种跟踪装置构造简单，价格低，不用外加电源，可用于多种太阳能装置。

说明  附图的内容如下：

图1  集热装置整体示意图

图2  万向分角器原理图

图3  圆规型万向分角器构造

图4  连杆型万向分角器构造

图5  伞齿轮型万向分角器构造

图6  光—热—汽压型跟踪装置构造

图7  光压管构造

图8  赤道仪式跟踪装置构造

图9  等角传动装置示意图

分镜跟踪式太阳能集热装置的原理图如图1所示：在固定框架〔1〕上装有位于焦点的热利用装置〔2〕以及多个万向分角器〔3〕，每个万向分角器有三个轴：聚焦轴〔4〕、跟踪轴〔5〕、和镜轴〔6〕，万向分角器内部的机械结构保证不论跟踪轴和聚焦轴指向什么方向，镜轴都处于跟踪轴与聚焦轴的角平分线方向上。万向分角器的镜轴上装反射镜〔7〕，使反射镜的法线方向与镜轴相同。聚焦轴固定括向焦点方向，这样，只要使跟踪轴指向太阳，按照反射定律，阳光就会被反射镜反射到焦点上。太阳跟踪装置〔8〕控制主轴跟踪〔9〕总指向太阳的方向，主轴跟踪通过等角传动装置〔10〕驱动各万向分角器的跟踪轴，使它们都和主轴跟踪保持相同方向，即指向太阳方向。这样组成的系统，可以在太阳运行过程中，始终保持照到各个反射镜上的阳光都反射会聚到位于焦点的热利用装置上。

分镜跟踪式太阳能集热装置有三个关键部件：万向分角器、太阳跟踪装置和等角传动装置。以下用实施例来说明三者的结构。

(一)万向分角器的抽象结构如图2所示，它包括三个轴：镜轴〔6〕、聚焦轴〔4〕和跟踪轴〔5〕。万向分角器的机构应保证三个轴总处于同一平面内，三个轴交于一点，称作分角器中心〔11〕，而且镜轴总位于另外两轴的夹角的角平分线上，也就是说，镜轴与另外两轴的夹角相等(α＝β)。实现这种结构的具体构造很多，以下仅举三例说明：

1.园规型万向分角器的构造如图3所示，其形如园规，两脚分别为聚焦轴〔4〕和跟踪轴〔5〕，规柄为镜轴〔6〕，两脚之间有一对相同的齿轮〔12〕、〔12′〕啮合。聚焦轴通过轴承〔13〕固定在固定框架〔1〕上。

2.连杆型万向分角器的构造如图4所示，镜轴〔6〕通过万向节〔14〕固定在固定框架〔1〕上，镜轴上有一滑块〔15〕，可以沿镜轴滑动和转动，滑块两侧用绞链〔16〕联接两根等长的连杆〔17、18〕，连杆〔17〕的另一端通过万向节〔19〕固定在固定框架〔1〕上，连杆〔18〕的另一端通过万向节〔20〕与等角传动装置〔10〕联接。万向节〔19〕与〔14〕之间的连线为聚焦轴〔4〕，万向节〔19〕与〔20〕之间的连线为跟踪轴〔5〕，等角传动装置〔10〕应保证在跟踪过程中万向节〔20〕与〔14〕之间距离不变。

3.伞齿轮型万向分角器的构造如图5所示，其中心部分是合在一起的4个伞齿轮〔21、22、23、24〕，其中伞齿轮〔21〕固定在液珠轴承〔25〕的内环〔26〕上，轴承〔25〕的轴线是聚焦轴，伞齿轮〔22〕上固定着跟踪轴〔5〕，伞齿轮〔23、24〕穿在镜轴〔6〕上，轴承〔25〕的外圈〔27〕是球壳〔28〕的一部分，球壳〔28〕被夹持在架台〔29〕上，架台〔29〕固定在固定框架〔1〕上，在夹紧之前应调整聚焦轴方向，使之指向焦点。跟踪轴〔5〕通过其下端的万向节〔20〕与等角传动装置〔10〕连接。

(二)用以保证主跟踪轴始终指向太阳的太阳跟踪装置可有多种方式。以下仅举例说明：

1.光—热—汽压型跟踪装置的构造如图6所示，在主跟踪轴〔9〕的四个侧面装有若干个(如四个)光压管〔30〕，每个光压管的输出杆〔31〕上接一条闸线〔32〕(可用自行车车闸的闸线)，通过闸线控制主跟踪摆动，当主跟踪轴不指向太阳时，位于太阳一侧的光压管受光较多，产生较大压力，拉动与该光压管输出杆连接的闸线，使主跟踪轴向太阳方向摆动。当主跟踪轴正对太阳方向时，各光压管受光均等，压力平衡，不再动作。在焦点周围也可以安装一组光压管，以作精密控制。主跟踪轴由万向节〔33〕固定于固定框架〔1〕，其下端通过万向节〔34〕驱动等角传动装置〔10〕。主跟踪轴上端可安装一遮光片以提高跟踪精度。

光压管的构造如图7，在双层玻璃管〔35〕中放置一个深色(如黑色)波纹管〔36〕，波纹管的一端通过固定杆〔37〕固定在基台〔38〕上，另一端固定着输出杆〔31〕。双层玻璃管的两层玻璃之间抽真空，以防止对流散热。在波纹管内装有低沸点液体，当阳光照在波纹管上时，管内温度升高，管内液体蒸发，压力增大，推动输出杆向外移动。在双层玻璃管的外层管壁上可以半面镀金属镜，使其只接受一方面的光线。

2.赤道仪式跟踪装置，其原理如图8所示。它由一个时钟〔39〕和两根轴构成，一根是主轴〔40〕，它指向北极星方向，由时钟控制以每天一转的速度旋转，另一根是主跟踪轴〔9〕，它的一端与主轴连接，与主轴的夹角可按季节进行调整，另一端通过万向节驱动等角传动装置，控制各万向分角器的跟踪轴。

与主轴和主跟踪轴垂直的方向安装一个杆〔41〕，作为跟踪装置的动力，每天早晨提高重锤，使主跟踪轴对准太阳或与时间相符的位置，可保持一天的跟踪。当然，也可以采用电动时钟控制赤道仪。

3.光—电跟踪装置，用光电池、电动机和控制线路也能组成太阳跟踪装置，由于可用常规的设计方法设计，此处不详述。光电池的缺点是成本尚高，用外电源则有许多不便。

4.手动式跟踪装置，由人工随时用手搬动主跟踪轴，使其指向太阳方向。

(三)等角传动装置，其目的在于把太阳跟踪装置的主跟踪轴运动传递给各万向分角器的跟踪轴。等角传动装置可用一个活动框架来实现，如图9所示。活动框架〔10〕由与万向分角器〔3〕对应分布的立轴〔43〕固定在框体〔44〕上组成。各立轴的顶端由万向节〔20〕连接各万向分角器的跟踪轴〔5〕下端。立轴中的一个〔45〕由万向节〔34〕连接太阳跟踪装置〔8〕的主跟踪轴〔9〕下端。另外有1～4个立轴由万向节〔48〕固定在固定框架〔1〕上，平衡杆上端有重物〔49〕，以平衡固定框架的自重。各跟踪轴长度和主跟踪轴及平衡杆由连接固定框架的万向节〔33、48〕到连接活动框架的万向节〔34、46〕之间的长度都相同，根据平行四边形原理，在运动时各跟踪轴与主跟踪轴保持平行，指向同一方向，实现等角传动。

本发明为分散小规模(家庭)太阳能利用开创了宏伟的前景，在本发明的基础上，进而可以设计出多种实用的太阳能利用系统，例如空调、热水、发电三合一系统，夜间也可使用的蓄热式太阳灶等等。

Claims (4)

1.分镜太阳能集热装置，由多个(组)反射镜片7，固定框架1，设置在焦点处的热利用器2构成，其特点在于：

(1)在固定框架与每个(组)反射镜之间用万向分角器3联接；

(2)具有太阳跟踪装置8，以保证主跟踪轴9始终指向太阳的方向；

(3)具有等角传动装置10，使各万向分角器的跟踪轴5与太阳跟踪装置的主跟踪轴9保持同步运动(平行)。

2.根据权利要求1所述太阳能集热装置中的万向分角器3，其特点在于它具有三个轴：镜轴6、聚焦轴4和跟踪轴5，分角器内的机构保证不论跟踪轴如何摆动，镜轴轴线总是保持在聚焦轴与跟踪轴的角平分线方向上。

3.太阳跟踪装置8是利用太阳辐射热使低沸点液体饱和蒸气压升高而驱动跟踪动作的装置，其特点在于使用光压管30兼作传感器和执行机构，驱动跟踪装置动作。

4.根据权利要求3所述的太阳跟踪装置8所使用的光压管30，是一种感受辐射热而输出压力和位移的部件，其特点在于其外壳是一个双层玻璃管35，两层管之间抽成其空，管内装有一深色波纹管36，波纹管内封有低沸点液体，波纹管一端通过固定杆37固定在基台38上，另一端装一输出杆31。

Images