CN107830643A - 反射镜追日的无棘轮步进系统 - Google Patents

Abstract

反射镜追日的一种光电逻辑控制及机械系统。绿色能源、太阳能光热利用领域，聚射式太阳能集热器。可聚10倍于太阳光直射的强度，于受热管。开创了太阳能集热器用于冬季采暖的新领域。造价低、热效率高，必将淘汰直射式太阳能集热器。本机使用光电池为能源，用电磁铁牵引反射镜追日，兼做反射镜的配重，结构简单。整机不用电机和外电源，并易于与建筑一体化，形成建筑物的外遮阳，节省夏季屋顶、墙体向室内传热这个空调的主要能耗，冬季用于采暖。

Description

反射镜追日的无棘轮步进系统

(二)技术领域：

可再生清洁能源、太阳能的热利用，聚射式太阳能集热器，反射镜的一种追日机构。

(二)背景技术：

目前所有民用太阳能热利用产品，无论是真空管式或平板式，均为直射式。冬季由于气温低、太阳光弱，形不成温差而无法吸收、利用太阳能。在冬季最需要热源的时候，太阳能的利用却呈瘫痪状态。

反射镜能集聚太阳光，克服冬季太阳光弱的缺点，但使用反射镜，就必须使其具有追日功能。已在工业和实验中，使用程序自动控制系统，控制电动机、通过减速机传动，驱动反射镜追日。方法过于复杂、笨重，无法在民用中使用。使民用太阳能产品长期停滞在直射式阶段。

(三)发明内容：

1.要解决的技术问题：

太阳能，能量密度低。要大量的利用太阳能，就必须有很大面积的收集器。原有的真空管式、平板式很难适应。相比，反射镜结构简单、造价低、耐候性强，是扩大接受面积，提高太阳能集热器功率，最经济、最现实的方法。

反射镜可聚集10倍的太阳光强至受热管，使冬季微弱的太阳光得以利用。反射镜的大面积和聚射作用，可实现冬季用太阳能采暖。

聚射式比直射式，有受照单位面积成本低、热效率高等很多优点，所以聚射式已经在工业中得到使用，而民用上仍停留在直射式，其原因是使用聚射式就必须有追日功能，追日系统复杂、贵重、笨重而无法在民用中使用。

本专利就是使用新结构、新技术、新材料、新元件解决原追日系统的复杂、笨重问题。使追日系统简单化，使民用太阳能产品进入聚射式时代，使大面积使用太阳能采暖成为可能。

新集热器结构简单，易于和建筑一体化，夏季为建筑物外遮阳、冬季供暖、是未来建筑物的共生体，所以可与建筑同设计、同施工生产绿色建筑，亦可对旧建筑进行逐步安装，改造成为绿色建筑。

扩大受照面积，提高太阳能集热器的功率。用反射镜提高冬季太阳能的品位，使太阳能集热器可用于冬季采暖。用绿色能源取代化石能源，消减雾霾、保护环境。

2.技术方案：

本发明产品整体呈长方形，按长向水平排列安装在建筑物墙体或屋顶上。表面为反光材料制成的反射镜15，呈抛物柱形。

本发明采用，光电逻辑控制，竖直步进的追日方式。反射镜每次追日旋转的角度为步进角，步进角以反射光不会射出受热管为极限。本发明以扇齿轮51的齿为步进依据，相邻齿间的夹角为步进角。

本机采用强制水循环系统，反射镜15与用水设备之间的高度不受限制，循环泵27由动力光电池组提供电源。

温控开关安装在用水设备上，夏季温度过高时温控开关常闭触点29断开控制线路，反射镜15停止追日，以减少热吸收，此时循环泵27继续运行，当温度过低时温控开关29复位，恢复正常运行。

光传感系统是：沿条形座板16的长方向中心线两侧，安装与其垂直的两块平行立板2。两块立板2中间安装对日光电开关4，在两块立板2外侧分别安装降光电开关1和升光电开关3。座板16安装在柄6上时，两块立板2中间的对称平面与柄6的中心线相重合。

系统的继电控制是：由相同的升、降两个继电系统，和对日继电系统构成。

升继电系统：升继电器33输入回路的正极，串联升脉冲器31、升光电开关3、保护电阻38接入控制光电池组正极。负极串联对日继电器常闭触点36、温控开关29、接入控制光电池组负极。

升继电器33的输出回路的正极，接动力光电池组正极。负极串联续流熔断器28、升电磁铁10，接入动力光电池组的负极。串联的压敏熔断器24、压敏电阻25并联在升继电器33输出端的正负极间，作为升继电器33感性负载的保护。升电磁铁10并联续流二极管37以保护线路。

降继电系统：降继电器32的输入回路的正极，串联降脉冲器30、降光电开关1、保护电阻38、接入控制光电池组正极。负极串联对日继电器常闭触点36、温控开关29接入控制光电池组负极。

降继电器32的输出回路的正极，接动力光电池组正极。负极串联续流熔断器28降电磁铁11，接入动力光电池组的负极。串联的压敏熔断器24、压敏电阻25并联在降继电器32输出端的正负极间，作为降继电器32感性负载的保护。降电磁铁11并联续流二极管37以保护线路。

对日继电系统：对日继电器36的输入回路的正极，串联对日光电开关4、保护电阻38，接控制光电池组正极。负极串联温控开关29接控制光电池组负极。

反射镜的追日以吸引电磁铁为动力。抛物柱形反射镜15的追日必须以其焦线为回转中心，反射镜15的重心线与焦线的距离，产生偏心重力矩。电磁铁的吸引力，必须能克服偏心重力矩所产生的负荷，这部分负荷很多余，有时还很大。

本发明将升电磁铁10、降电磁铁11安装在柄6远离轴5的一端，做为反射镜15的配重，柄6用端柄螺栓43通过镜端板17与反射镜15固定在一起，一同步进追日。将电磁铁用作配重后，反射镜15的焦线、步进系统的重心线与回转中心线，三线重合，消除了偏心负荷。

升钢丝绳7，一端固定在追随系统的部件，步进齿58上，另一端固定在步进系统的部件，升电磁铁10的动铁上。

降钢丝绳14，一端固定在追随系统的部件，步进齿58上，另一端固定在步进系统的部件，降电磁铁11的动铁上。

升钢丝绳7、降钢丝绳14中间均接有张紧器53，调整其长度，以保证动作的行程为步进角。

3.有益效果：

要扩大对太阳能的利用，就要扩大受照面积，使用反射镜扩大接受太阳能的面积，较现有的真空管式、平板式要经济许多，而且安装便捷、耐候性强，因此使用反射镜是扩大对太阳能利用的最佳途径。

反射镜对太阳光的聚集作用，使受热管的受照强度十倍于(反射镜宽度与受热管直径比)太阳光的直射，这给冬季利用太阳能采暖提供了热力学基础。

反射镜的投影为长方形，可紧密的排列在建筑物向阳面外墙和屋顶，形成外遮阳。夏季气温在30至40度，而太阳直射的墙面温度可达70度，所以夏季空调的电耗，主要消耗在降低墙面和屋顶向室内的传热上，建筑物有外遮阳可大幅降低夏季空调能耗。冬季又可用于采暖，这就降低了占社会总能耗三分之一的建筑物能耗，降低二氧化碳排放，降低雾霾的发生。

新集热器结构简单，易于与建筑一体化，夏季为建筑物外遮阳、冬季供暖是未来建筑物的共生体，因此可与建筑同设计同施工，生产有太阳能利用系统的绿色建筑，也可对旧建筑逐步加装，进行绿色环保改造。

扩大受照面积，提高太阳能集热器的功率。用聚射式提高冬季太阳能的品位，使太阳能集热器可用于冬季采暖。用绿色能源取代化石能源，消减雾霾、保护环境。

(四)附图说明：

图1是太阳能集热器反射镜追日驱动一侧的结构图，较能整体反映集热器形态，可选做摘要附图。

图2是光电传感部分的结构详图。

图3是光电控制器件的接线图。带圈升、降二字，指附近元件属性，为方便看图而注。

图4是图5的C-C剖面视图。详细反映反射镜步进机构的轴向结构。

图5是图4的A_A剖面图。

图6是图4的B_B剖面图。为了表现清楚，凡安装在柄6上的部件均以虚线表示，安装在追杆44上的部件仍用实线。

附图中零件序号和它们代表的零件名称是：1降光电开关、2立板、3升光电开关、4对日光电开关、5轴、6柄、7升钢丝绳、8机架、9架底板、10升电磁铁、11降电磁铁、12建筑物、13地脚螺栓、14降钢丝绳、15反射镜、16座板、17镜端板、18受热管、19轴盖、20盖螺栓、24压敏熔断器、25压敏电阻、27循环泵、28续流熔断器、29温控开关、30降脉冲器、31升脉冲器、32降继电器、33升继电器、36对日继电器、37续流二极管、38保护电阻、40托盘、41轴挡圈、42轴垫、43端柄螺栓、44追杆、45定位珠、46珠弹簧、47柄垫、49步进齿簧、50追杆簧、51扇齿轮、53张紧器、54滑轮、55定位齿簧、56定位齿轴、57定位齿、58步进齿、59步进齿轴、60追杆挡圈、61追杆垫、62隔垫。

(五)具体实施方式：

本发明产品的部件，按运动状态可分为静止、步进和追随的三系统。分别叙述如下：

静止系统：

两根机架8的底端，焊接在架底板9上，顶端由轴盖19通过盖螺栓20固定轴5。共有两块架底板9，通过地脚螺栓13，固定在受热管18两侧的建筑物12上.。两个轴5通过两个托盘40从两端支撑受热管18，两根轴5的中心线应安装在同一几何中心线上，与反射镜15的焦线重合。

轴5用轴盖19通过盖螺栓20压紧在机架8上，是固定件，扇齿轮51的中心孔倒角部位点焊在轴5上。扇齿轮51的齿，通过安装在柄6上的定位齿57、定位齿轴56，固定反射镜15的对日状态，防止风载荷干扰。

静止系统为设备提供架构并通过扇齿轮51的齿提供步进追日的基点。

步进系统：

步进系统的主体是反射镜15和柄6，柄6通过端柄螺栓43和镜端板17与反射镜15固定在一起。步进部件均以轴5为中心，以每次转动一个步进角的方式步进追日。

扇齿轮51右侧安装有可转动的柄6，柄6面向扇齿轮51的一侧安装，定位齿轴56、定位齿57、定位齿簧55、滑轮54。

轴挡圈41、轴垫42、柄垫47为柄6轴向定位。

追随系统：

追随系统的主体是追杆44，扇齿轮51左侧安装有与轴5动配合的追杆44，追杆44面向扇齿轮51的一侧安装，步进齿轴59、步进齿58、步进齿簧49。

柄6步进转动后，在两颗追杆簧50的作用下，追杆44跟随柄6转动，以保持追杆44的中心线与柄6的中心线平行，为下一次步进追日做准备。追杆44的远轴端，面对柄6安装由珠弹簧46推动的定位珠45，用来精确定位复位的追杆44。

追杆挡圈60、追杆垫61、隔垫62为追杆44轴向定位。

反射镜升追日的步进过程是：

上午太阳上升时，太阳光照射到升光电开关3，升光电开关3导通，通过升脉冲器31给升继电器33脉冲信号，升继电器33输出脉冲给升电磁铁10。升电磁铁10吸引并通过升钢丝绳7拉动步进齿58，步进齿58插入扇齿轮51，此时追杆44进入固定状态。

同时定位齿57在定位齿簧55的作用下脱离扇齿轮51，此时柄6进入可转状态。

因升钢丝绳7，一端固定在不可转动的步进齿58上，另一端固定在升电磁铁10的动铁上，牵引可转动的，在柄6上的升电磁铁10，并带动柄6、反射镜15，绕轴5反时针旋转一个步进角。

电脉冲结束，升电磁铁10失电后不再吸引，步进齿58在步进齿簧49的拉动下，反时针转动压迫定位齿57插入扇齿轮51的下一齿，柄6进入固定状态，完成一个步进追日过程。

与此同时步进齿58脱离扇齿轮51，追杆44又进入可转动状态，并在追杆簧50、珠弹簧46、定位珠45的共同作用下，反时针旋转一个步进角，完成一个追随过程，为下一个步进过程做准备。

如果一个步进角的追日不能使反射镜15达到对日的状态，上述过程会重复进行，直到反射镜15对日。

当反射镜15达到对日状态时，太阳光在两块立板2中间射向对日光电开关4，对日光电开关4导通，对日继电器得电，断开它的常闭触点36，输入线路全部断电，停止动作。

反射镜降追日的步进过程，与上述升追日相同，只是由降系统的部件执行而已。

Claims (1)

1.反射镜追日的无棘轮步进系统，具有反射镜的聚射式太阳能集热器的一种追日系统，其特征是以扇齿轮(51)的齿为步进依据，相邻齿间的夹角为步进角。

沿条形座板(16)的长方向中心线两侧，安装与其垂直的两块平行立板(2)，两块立板(2)中间安装对日光电开关(4)，在两块立板(2)外侧分别安装降光电开关(1)和升光电开关(3)，座板(16)安装在柄(6)上时，两块立板(2)中间的对称平面与柄(6)的中心线相重合，

升继电器(33)输入回路的正极，串联升脉冲器(31)、升光电开关(3)、保护电阻(38)接入控制光电池组正极，负极串联对日继电器常闭触点(36)、温控开关(29)、接入控制光电池组负极，

升继电器(33)的输出回路的正极，接动力光电池组正极，负极串联续流熔断器(28)、升电磁铁(10)，接入动力光电池组的负极，串联的压敏熔断器(24)、压敏电阻(25)并联在升继电器(33)输出端的正负极间，作为升继电器(33)感性负载的保护，升电磁铁(10)并联续流二极管(37)以保护线路，

降继电器(32)的输入回路的正极，串联降脉冲器(30)、降光电开关(1)、保护电阻(38)、接入控制光电池组正极，负极串联对日继电器常闭触点(36)、温控开关(29)接入控制光电池组负极，

降继电器(32)的输出回路的正极，接动力光电池组正极，负极串联续流熔断器(28)降电磁铁(11)，接入动力光电池组的负极，串联的压敏熔断器(24)、压敏电阻(25)并联在降继电器(32)输出端的正负极间，作为降继电器(32)感性负载的保护，降电磁铁11并联续流二极管37以保护线路，

对日继电器(36)的输入回路的正极，串联对日光电开关(4)、保护电阻(38)，接控制光电池组正极，负极串联温控开关(29)接控制光电池组负极，

本发明将升电磁铁(10)、降电磁铁(11)安装在柄(6)远离轴(5)的一端，做为反射镜(15)的配重，柄(6)用端柄螺栓(43)通过镜端板(17)与反射镜(15)固定在一起，一同步进追日。将电磁铁用作配重后，反射镜(15)的焦线、步进系统的重心线与回转中心线，三线重合，消除了偏心负荷，

轴(5)用轴盖(19)通过盖螺栓(20)压紧在机架(8)上，是固定件，扇齿轮(51)相邻齿间的夹角为步进角，扇齿轮(51)的中心孔倒角部位点焊在轴(5)上，扇齿轮(51)的齿，通过安装在柄(6)上的定位齿(57)、定位齿轴(56)，固定反射镜(15)的对日状态，防止风载荷干扰，

扇齿轮(51)右侧安装有可转动的柄(6)，柄(6)面向扇齿轮(51)的一侧安装，定位齿轴(56)、定位齿(57)、定位齿簧(55)、滑轮(54)，

扇齿轮(51)左侧安装有与轴(5)动配合的追杆(44)，追杆(44)面向扇齿轮(51)的一侧安装，步进齿轴(59)、步进齿(58)、步进齿簧(49)，

升钢丝绳(7)，一端固定在追随系统的部件，步进齿(58)上，另一端固定在步进系统的部件，升电磁铁(10)的动铁上，

降钢丝绳(14)，一端固定在追随系统的部件，步进齿(58)上，另一端固定在步进系统的部件，降电磁铁(11)的动铁上，

升钢丝绳(7)、降钢丝绳(14)中间均接有张紧器(53)，调整其长度，以保证动作的行程为步进角。