CN104654627B - 一种曲面聚光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种“曲面聚光装置”，包括：反光抛物柱面、机械转动装置、电机传动机构、控制单元、能量接收端和固定支架。该光收集装置带动两个柱面在日间跟踪太阳的运行轨迹，将自然光聚合后投向位于指定区域的能量接收端，达到收集太阳能的目的。系统的特点是利用简单变形的平面镜，形成柱面镜，然后采用二维跟踪的方式实现对太阳光在某固定点处的聚焦，避免了使用复合抛物面所带来的高成本，因此系统成本低、性价比高，可在现在和未来相当长一个阶段内广泛应用于发展中国家或地区。

Description

一种曲面聚光装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能收集设备，具体涉及一种聚合阳光的光收集装置。
背景技术
在很多太阳能应用中，对阳光进行聚合是一个重要环节。目前，对阳光的聚合从效果分，有线聚焦和点聚焦两种。两者相比，点聚焦实现的聚合比例更高，因此使用范围更广。当前，利用旋转抛物面的跟踪系统是效率最高的点聚光系统之一，得到广泛使用。但是，大面积的旋转抛物面的制作成本高，成为制约此类应用普及发展的主要因素之一。
而且，现有的聚焦系统中，聚焦点位置不固定，给太阳能能量接收端一端带来运动负担。
发明内容
如何能够不使用大面积旋转抛物面，而使用更简单易加工的镜面实现点聚焦，并且聚焦位置固定，这是本发明要解决的课题。
为了解决上述技术问题，具体的，本发明提供了一种聚光装置，包括反光装置、机械转动装置、电机传动机构、控制单元、能量接收端和支架，其中机械转动装置、电机传动机构和控制单元带动反光装置跟踪发光天体的运行轨迹，将自然光聚合后投向位于指定区域的能量接收端，达到收集能量的目的，所述反光装置为凹面具备反射功能的两个反光抛物柱面（1，2）。
优选地，所述支架包括固定框架（8）、旋转框架（10）和曲轴（9），所述两个反光抛物柱面（1，2）固定在固定支架（8）上，固定支架（8）固定在曲轴（9）上，曲轴（9）连接到旋转框架（10）上。
优选地，所述旋转框架（10）上还装有俯仰电机及传动系统（11），所述固定框架（8）和安装在其上的所述反光抛物柱面（1，2）在俯仰电机及传动系统（11）的带动下绕曲轴（9）的直线轴旋转。
优选地，所述旋转框架（10）、曲轴（9）、固定框架（8）和所述反光抛物柱面（1，2）整体在方位电机及传动机构（14）的带动下绕旋转框架的中心轴线（15）旋转。
优选地，在旋转框架（10）顶端放置能量接收端（16）。
优选地，所述两个反光抛物柱面以特定相对位置方式连接固定形成“对镜”，二者相对位置固定。
优选地，所述对镜中两个反光抛物柱面的特征的几何学表达是：在一个三维直角坐标系XYZ中，令一级柱面反射镜的方程式是Z=X^2/4f，其中f为该抛物线方程的焦距。则根据定义，在Y=0平面内，一级柱面反射镜的准线S的方程也为Z=X^2/4f，其焦点为F1(0,0,f)；则有一条经过点F1的平面X=0的法线P。在X=0的平面内，以P为准线，以点F2(0,0,f-2r)为焦点，有方程为Z=-Y^2/4r+f-r的抛物线T，其中r为抛物线T的顶点与法线P之间的距离。以T为准线，以一平行于X轴的直线为母线沿T滑动，形成二级柱面反射镜，其方程为Z=-Y^2/4r+f-r。“
优选地，“对镜”以一条经过焦点F2且平行于一级柱面反射镜的母线的直线为水平轴,在控制器控制下自动旋转实现对太阳的俯仰跟踪。“对镜”和水平轴以经过点F2的平面Z=0的法线为竖轴在控制器控制下自动旋转实现对太阳的方位跟踪。系统于“对镜”的焦点F2处放置一能量接收端。
经光路矢量分析，作者发现平行光经过旋转抛物面反射并聚焦的过程，可以分解为先后两个正交矢量方向上的聚焦过程，而且在其中每个矢量方向上聚焦的过程仅涉及抛物柱面。因此，当一束光经过两个抛物柱面的相继反射后，可以被聚合在一个点。
这两个抛物柱面于是实际上组成了一对镜面，被称为“对镜”。每一幅“对镜”有一个焦点，并且是唯一的焦点。本发明实现了通过对“对镜”的姿态控制，使其追踪太阳的运行轨迹，保证阳光聚焦点位置固定不动，始终停留在太阳能能量接收端上。
本发明的两大优点是：一、无需使用旋转抛物面，而仅使用抛物柱面，大幅降低了制造成本；二、聚焦点位置固定，因此免除了太阳能能量接收端一端的运动负担。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是根据本发明的两个反光抛物柱面（“对镜”）在一个三维坐标系中的构造示意图；
图2是与图1对应的“对镜”的两个侧视图；
图3解释了根据本发明的一个实例应用；
图4解释了在根据本发明的一个实施例中的“对镜”系统如何聚焦太阳光；
具体实施方式
图1所示为两个抛物柱面：一级抛物柱面反射镜1和二级抛物柱面反射镜2，即“对镜”，在一个三维坐标系XYZ中的构造示意图。
图2详细解释了一级抛物柱面反射镜1和二级抛物柱面反射镜2之间的相对位置关系。
如图2所示，“对镜”含至少两个反光抛物柱面，分别为一级柱面反射镜（1）和二级柱面反射镜（2）。一级柱面反射镜（1）和二级柱面反射镜（2）以特定的相对位置方式连接固定形成一幅“对镜”（3），其特征的几何学表达是：在一个三维直角坐标系XYZ中，一级柱面反射镜（1）的方程式是Z=X^2/4f，其中f为焦距。在Y=0平面内（见图2左图），一级柱面反射镜（1）的准线S的方程为Z=X^2/4f，其焦点为F1(0,0,f)；则有一条经过点F1的平面X=0的法线P（4）。在X=0的平面内（见图2右图），以P（4）为准线，以点F2(0,0,f-2r)为焦点，有方程为Z=-Y^2/4r+f-r的抛物线T，其中r为抛物线T的顶点与法线P之间的距离。以T为准线，以一平行于X轴的直线为母线沿T滑动，形成二级柱面反射镜（2），其方程为Z=-Y^2/4r+f-r。对镜（3）以一条经过焦点F2且平行于一级柱面反射镜（1）的母线的直线为水平轴（5）进行自转实现对太阳的俯仰跟踪。对镜（3）和水平轴（5）以经过点F2的平面Z=0的法线为竖轴（6）自转实现对太阳的方位跟踪。系统于对镜焦点F2处放置一能量接收端（7）。
图3中为根据本发明的一个应用实例。图3中的左图为XZ平面视图，而右图为YZ平面视图，并且两视图一一对应。如图3所示，一级柱面反射镜（1）和二级柱面反射镜（2）按照上述几何关系被一组框架（8）连接并固定在一起，形成了一副“对镜”。框架（8）的下端固定并支撑一级柱面反射镜（1），而其上端则固定并支撑二级柱面反射镜（2）。框架（8）的中部被固定在一根曲轴（9）的两端的直线轴部分。曲轴（9）的直线轴部分的中间两端通过轴承连接到旋转框架（10）上。曲轴（9）的弯曲部分横跨并且绕过旋转框架（10）而连接了曲轴（9）的左右两段直线轴，形成一个刚性整体。旋转框架（10）上安装有俯仰电机及传动系统（11），且该传动机构（11）连接电机及曲轴（9），使得固定框架（8）和安装于其上的对镜能够绕曲轴（9）的直线轴旋转，达到跟踪太阳俯仰角度的目的。旋转框架（10）底部连接到一旋转平台（12）上。旋转平台（12）固定于底座（13）上。在底座（13）内部安装有方位电机及传动机构（14），其带动旋转框架（10）、曲轴（9）、框架（8）、一级柱面反射镜（1）和二级柱面反射镜（2）整体绕旋转框架的中心轴线旋转，达到跟踪太阳方位角度的目的。在旋转框架（10）的中心轴线上设一立柱（15），其穿过旋转平台（12）的空心部分并固定于底座（13）上。立柱（15）的姿态保持固定不动，且于其顶端放置一热能接收端（16），用来利用被聚焦后的太阳光产生的热量。热能接收端（16）被置于对镜系统的焦点F2处（见图2）。
图4进一步解释了根据本发明的一个实施例的对镜系统是如何将平行日光聚焦到焦点F2处。图4中的左图为XZ平面视图，而右图为YZ平面视图，并且两视图一一对应。如图3所示，系统经过双轴旋转系统跟踪太阳，使得一级柱面反射镜（1）的准线S的法线P（4）始终与入射阳光（17）垂直。此时，入射阳光（17）首先落入一级柱面反射镜内，然后其反射光线（18）照射至二级柱面反射镜（2）上（详见图4中的左图）。反射光线（18）经二级柱面反射镜反射，形成反射光线（19）并最终照射到位于焦点F2上的能量接收端（7）上。一束太阳光中有无数多条入射阳光（17），都重复上述过程，被汇聚到焦点F2上。
本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (6)

1.一种聚光装置，其特征在于：包括：
反光装置、机械转动装置、电机传动机构、控制单元、能量接收端和支架，其中机械转动装置、电机传动机构和控制单元带动反光装置跟踪发光天体的运行轨迹，将自然光聚合后投向位于指定区域的能量接收端，达到收集能量的目的，所述反光装置为凹面具备反射功能的两个反光抛物柱面(1，2)；
其中，所述两个反光抛物柱面(1，2)为一级柱面反射镜(1)和二级柱面反射镜(2)，二者的相对位置固定；
所述一级柱面反射镜(1)和二级柱面反射镜(2)的固定位置关系满足以下条件：在一个三维直角坐标系XYZ中，令一级柱面反射镜(1)的方程式是Z＝X^2/4f，其中f为该抛物线方程的焦距；则在Y＝0平面内，一级柱面反射镜(1)的准线S的方程也为Z＝X^2/4f，其焦点为F1(0,0,f)；则有一条经过点F1的平面X＝0的法线P(4)；在X＝0的平面内，以P(4)为准线，以点F2(0,0,f-2r)为焦点，有方程为Z＝-Y^2/4r+f-r的抛物线T，其中r为抛物线T的顶点与法线P之间的距离；以T为准线，以一平行于X轴的直线为母线沿T滑动，形成二级柱面反射镜(2)，其方程为Z＝-Y^2/4r+f-r；并且
所述一级柱面反射镜(1)和二级柱面反射镜(2)以一条经过所述焦点F2且平行于所述一级柱面反射镜(1)的母线的直线为水平轴(5),在所述机械转动装置、电机传动机构和控制单元的控制下自动旋转实现对太阳的俯仰跟踪；所述一级柱面反射镜(1)和二级柱面反射镜(2)以及水平轴(5)以经过所述焦点F2的平面Z＝0的法线为竖轴(6)在所述机械转动装置、电机传动机构和控制单元的控制下自动旋转实现对太阳的方位跟踪。
2.如权利要求1所述的聚光装置，其特征在于，所述支架包括固定框架(8)、旋转框架(10)和曲轴(9)，所述两个反光抛物柱面(1，2)固定在固定支架(8)上，固定支架(8)固定在曲轴(9)上，曲轴(9)连接到旋转框架(10)上。
3.如权利要求2所述的聚光装置，其特征在于，所述旋转框架(10)上还装有俯仰电机及传动系统(11)，所述固定框架(8)和安装在其上的所述反光抛物柱面(1，2)在俯仰电机及传动系统(11)的带动下绕曲轴(9)的直线轴旋转。
4.如权利要求2所述的聚光装置，其特征在于，所述旋转框架(10)、曲轴(9)、固定框架(8)和所述反光抛物柱面(1，2)整体在方位电机及传动机构(14)的带动下绕旋转框架的中心轴线(15)旋转。
5.如权利要求2所述的聚光装置，其特征在于，在旋转框架(10)顶端放置能量接收端(16)。
6.如权利要求1所述的聚光装置，其特征在于，在所述焦点F2处放置一能量接收端(7)。
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