CN109358659A - 固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置及反射镜面布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置及反射镜面布置方法属于光电技术领域，采用的技术方案为：至少两个固定支架并列设置，所述固定支架上部均设置弧形架，多个平行设置的条状反射镜面两端分别固定在两个弧形上构成反射槽，所述固定支架的两侧均通过转轴安装有一个伸缩支架，每个固定支架上安装的的两个伸缩支架的另一端固定连接并在连接部连接接收器，所述反射槽的所有反射镜面的镜面中心线均位于同一虚拟柱面上，各反射镜面的镜面倾斜角度不同且针对平行入射波的反射波聚焦点轨迹也均位于虚拟柱面上，控制系统根据检测到的入射波角度的变化控制伸缩支架的伸缩转动并带动接收器在虚拟柱面的轨迹上移动捕捉反射波聚焦线。

Description

固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置及反射镜面布置方法

技术领域

本发明固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置及反射镜面布置方法属于光电技术领域，具体涉及光能与电磁能的聚焦收集装置。

背景技术

对于信号源较远的电磁波，接收端获得的能流密度比较低（比如通信卫星传到地面的信号比较弱，再比如太阳光到达地面的辐射强度比较低），需要通过一些设备加以聚集才能利用。但目前的聚集技术跟踪控制方式复杂，基本都是靠整体结构旋转捕捉信号波或太阳光使其实现聚焦收集的功能，结构复杂，跟踪控制困难，必然导致建设运营成本较高，限制了资源的开发使用。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置及反射镜面布置方法，结构简单，控制精准方便。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：包括固定支架、反射镜面、伸缩支架、接收器和控制系统，至少两个固定支架并列设置，所述固定支架上部均设置弧形架，多个平行设置的条状反射镜面两端分别固定在两个弧形架上构成反射槽，所述固定支架的两侧均通过转轴安装有一个伸缩支架，每个固定支架上安装的两个伸缩支架的另一端固定连接并在连接部连接接收器，所述反射槽的所有反射镜面的镜面中心线、以及用于将伸缩支架安装于固定支架上的转轴均位于同一虚拟柱面上，各反射镜面的镜面倾斜角度不同且针对平行入射波的反射波聚焦点轨迹也均位于虚拟柱面上，控制系统根据检测到的入射波角度的变化控制伸缩支架伸缩转动并带动接收器在虚拟柱面的轨迹上移动捕捉反射波聚焦线。

所述的接收器为太阳能光伏器件，或为太阳能光热器件，或为电磁波收集转换器件。

所述两个伸缩支架之间的连接部形成固定夹角。

所述两个伸缩支架之间的连接部形成的固定夹角范围为60-120°。

固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置的反射镜面布置方法，包括以下步骤：

a. 根据聚焦倍数和镜面大小，确定虚拟柱面的横截侧圆，根据镜面在一定入射角内互相不遮挡的原则，在横截侧圆上确定反射槽的多个反射镜面的镜面中心线固定位置A、B、C…；

b.在虚拟柱面的横截侧圆上画竖向垂直的辅助线PP'，且PP'与所述横截侧圆的上端与下端交点分别为P'和P；

c. 过A点作PP'的平行线，与圆相交于A’点，作角A’AP’的角平分线AM，以A为轴心，将AM旋转90°得到AM’且AM’与PP'的交点为M’；

d.将条状反射镜面的中心线定位于A点，并旋转其角度，使其反射镜面与AM’重合，在弧形架上固定A点反射镜面，则A点反射镜面布置完成；

e.按照A点反射镜面的布置方法，重复布置B、C…的反射镜面。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明根据电磁波反射原理，采用一组固定的按照槽式分布的反射面，将入射的平行电磁波（包括可见光线）汇聚到聚焦线附近，当波源移动时，通过可转动可伸缩的伸缩支架，控制接收器跟踪捕捉聚焦线，实现对电磁波收集利用的功能，是一种结构简单、控制方便、成本低廉的电磁能聚集装置；

2、本发明采用不同的反射槽，聚集比可达5至100倍。同时由于只有接收器在运动，相比现有技术要转动整个聚集设备跟踪聚焦，结构大幅度简化，造价和运行维护成本都大大降低，可使太阳能开发利用成本大幅降低，天地通信更加简单容易；

3、本发明采用双轴控制，运动部件重力被两个固定点分担，因此不会形成大的转动力臂，通过控制臂长的伸缩就可以精确控制接收器的位置，相比现有技术通过一个轴心控制整个系统的转动，要克服很大的扭力矩同时还要非常精确的控制转动角度，本发明对设备强度和精密度的要求大大降低；

4、本发明中的反射镜面是永久固定的，只有接收器运动，因此抗风能力很强，还可以结合建筑物制作成永久的带聚焦性能的屋顶，进一步节约投资，有利于在太阳能开发利用等领域的推广。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；

图1为本发明固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置的结构示意图；

图2为本发明固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置的侧视结构示意图；

图3为本发明反射镜面布置方法的示意图；

图4为本发明中入射波不断偏转的情况下还能有效聚焦的原理示意图；

图5为本发明将垂直向下射入的电磁波或光线进行聚焦接收的状态示意图；

图6为本发明将倾斜射入的电磁波或光线进行聚焦接收的状态示意图；

图中：1为固定支架，2为弧形架，3为反射镜面，4为伸缩支架，5为接收器，6为虚拟柱面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置，包括固定支架1、反射镜面3、伸缩支架4、接收器5和控制系统，至少两个固定支架1并列设置，所述固定支架1上部均设置弧形架2，多个平行设置的条状反射镜面3两端分别固定在两个弧形架2上构成反射槽，所述固定支架1的两侧均通过转轴安装有一个伸缩支架4，每个固定支架1上安装的两个伸缩支架4的另一端固定连接并在连接部连接接收器5，所述反射槽的所有反射镜面3的镜面中心线、以及用于将伸缩支架4安装于固定支架1上的转轴均位于同一虚拟柱面6上，各反射镜面3的镜面倾斜角度不同且针对平行入射波的反射波聚焦点轨迹也均位于虚拟柱面6上，控制系统根据检测到的入射波角度的变化控制伸缩支架4伸缩转动并带动接收器5在虚拟柱面6的轨迹上移动捕捉反射波聚焦线。

优选的，所述的接收器5为太阳能光伏器件，或为太阳能光热器件，或为电磁波收集转换器件。

优选的，所述两个伸缩支架之间的连接部形成固定夹角。

进一步的，所述两个伸缩支架之间的连接部形成的固定夹角范围为60-120°。

如图3-4所示，固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置的反射镜面布置方法，包括以下步骤：

a. 根据聚焦倍数和镜面大小，确定虚拟柱面6的横截侧圆，根据镜面在一定入射角内互相不遮挡的原则，在横截侧圆上确定反射槽的多个反射镜面的镜面中心线固定位置A、B、C…；

b.在虚拟柱面6的横截侧圆上画竖向垂直的辅助线PP'，且PP'与所述横截侧圆的上端与下端交点分别为P'和P；

c. 过A点作PP'的平行线，与圆相交于A’点，作角A’AP’的角平分线AM，以A为轴心，将AM旋转90°得到AM’且AM’与PP'的交点为M’；

d.将条状反射镜面3的中心线定位于A点，并旋转其角度，使其反射镜面与AM’重合，在弧形架2上固定A点反射镜面，则A点反射镜面布置完成；

e.按照A点反射镜面的布置方法，重复布置B、C…的反射镜面。

本发明主要应用于电磁能（包括光能）等能源的收集。

本发明中是将一个固定支架1上的两个伸缩支架4作为一套控制机构的两个固定夹角的伸缩臂，每个伸缩臂都可以绕各自铰接点转动同时受控伸缩，两伸缩臂连接处（即伸缩支架连接部）固定有接收器；而由于两个伸缩臂是按照固定的角度连接的，在控制系统的控制下，控制一个伸缩臂的伸缩，就可以控制整套控制机构的转动，并带动接收器5在虚拟柱面6的轨迹上移动捕捉反射波聚焦线。

本发明在入射波不断偏转的情况下还能有效聚焦是基于以下原理：

1．这组固定在虚拟柱面6上的反射镜面3和接收器5分布在同一大圆柱面，反光镜3组成的柱面的反射槽中轴线和接收器5互相平行，将入射波分解为与反射槽平行和垂直的两种分量，只要该平行结构有足够的长度，与反射槽平行的入射波分量不影响反射槽的聚焦。

2．讨论入射波偏转时的聚焦性时，由于平行于柱面的分量不影响聚焦性能，所以只需要考虑与反射槽垂直的分量，将其简化成横截平面来讨论。如图4所示，根据几何学原理，如果调整分布在同一大圆柱面的各反射镜面（如“M”和“N”），使反射波聚焦到同一个点“O”，那么入射波偏转后，各反射镜面的反射波仍然将汇聚到圆上的另一个点“O'”上，不会发散。

本发明中的反射槽由多个中心线沿虚拟柱面6布置的细长条形的反射镜面3组成，反射镜面3的数量和反射面边缘偏离虚拟柱面6的幅度，决定整个系统的聚集倍数和聚集效果，设置每一反射镜面3的倾斜角度，保证反射信号都聚焦在反射槽所在虚拟柱面6上的一条很窄的带状上（可以将其抽象为直线来讨论），可以证明，波源在一定范围内运动（入射角变化小于75°），都能够保证反射槽能够将电磁波反射聚焦到一条直线上，该聚焦线将随着入射角度的变化，沿虚拟柱面6有规律的移动，控制系统控制伸缩支架4带动接收器5在虚拟柱面6的轨迹上跟随聚焦线移动行走，如图5-6所示，就能够完成电磁波的收集转化。

本发明由于采用了固定反射槽形式，就可以通过很简单的控制系统和机械旋转伸缩结构控制接收器5绕固定轴心转动跟踪聚焦线，整体结构简单牢固且灵活精准，避免了传统接收装置整体追踪转动过于复杂难以控制的缺点。反射槽一经建成可以长久使用，通过控制系统控制伸缩支架4以定位接收器5的结构也简单可靠，使整体造价大幅度降低，可靠性大大提高。电磁波或光线汇聚到很小的面积后，接收器使用量就只需要传统装置的几十分之一，因此可以选用转换效率高的器件，不仅可以获得高温，而且也可以直接进行光电或信号转换，为开发大规模的太阳能电站或信号站提供了一种较好的方法，具有很强的竞争能力，可以广泛运用到边远的家庭、工厂和中小城镇。

本发明实现了以下突破：

1．本发明不仅适用于太阳能领域的运用，还适用于电磁波领域，比如卫星通信等领域，拓展了使用范围，扩大了经济效益；

2．本发明中反射镜面3的安装是以反射面中心线分布在虚拟柱面上并根据公共聚焦点确定偏转角度，方法简单可靠；

3. 本发明不仅适用于轴心沿东西方向设置，也可以南北向设置，特殊情况可以任意方向（比如跟踪卫星）；

4. 本发明通过双臂组合控制，每个伸缩支架4可以转动也能伸缩，通过控制伸缩支架4的伸缩就完全实现接收器5对聚焦线的跟踪，控制更精确，避免了需要克服大力矩的困难，大大增加了设备可靠性和使用寿命。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。例如本发明中的固定支架1可以永久固定，比如使用砖混结构等方式，也可以采用宜拆卸、安装、转移的拼接固定部件。

Claims (5)

1.固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置，其特征在于：包括固定支架（1）、反射镜面（3）、伸缩支架（4）、接收器（5）和控制系统，至少两个固定支架（1）并列设置，所述固定支架（1）上部均设置弧形架（2），多个平行设置的条状反射镜面（3）两端分别固定在两个弧形架（2）上构成反射槽，所述固定支架（1）的两侧均通过转轴安装有一个伸缩支架（4），每个固定支架（1）上安装的两个伸缩支架（4）的另一端固定连接并在连接部连接接收器（5），所述反射槽的所有反射镜面（3）的镜面中心线、以及用于将伸缩支架（4）安装于固定支架（1）上的转轴均位于同一虚拟柱面（6）上，各反射镜面（3）的镜面倾斜角度不同且针对平行入射波的反射波聚焦点轨迹也均位于虚拟柱面（6）上，控制系统根据检测到的入射波角度的变化控制伸缩支架（4）伸缩转动并带动接收器（5）在虚拟柱面（6）的轨迹上移动捕捉反射波聚焦线。

2.根据权利要求1所述的固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置，其特征在于：所述的接收器（5）为太阳能光伏器件，或为太阳能光热器件，或为电磁波收集转换器件。

3.根据权利要求1所述的固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置，其特征在于：所述两个伸缩支架（4）之间的连接部形成固定夹角。

4.根据权利要求3所述的固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置，其特征在于：所述两个伸缩支架（4）之间的连接部形成的固定夹角范围为60-120°。

5.如权利要求1所述的固定反射面的双轴控制跟踪聚焦装置的反射镜面布置方法，其特征在于包括以下步骤：

a. 根据聚焦倍数和镜面大小，确定虚拟柱面（6）的横截侧圆，根据镜面在一定入射角内互相不遮挡的原则，在横截侧圆上确定反射槽的多个反射镜面的镜面中心线固定位置A、B、C…；

b.在虚拟柱面（6）的横截侧圆上画竖向垂直的辅助线PP'，且PP'与所述横截侧圆的上端与下端交点分别为P'和P；

c. 过A点作PP'的平行线，与圆相交于A’点，作角A’AP’的角平分线AM，以A为轴心，将AM旋转90°得到AM’且AM’与PP'的交点为M’；

d.将条状反射镜面（3）的中心线定位于A点，并旋转其角度，使其反射镜面与AM’重合，在弧形架（2）上固定A点反射镜面，则A点反射镜面布置完成；

e.按照A点反射镜面的布置方法，重复布置B、C…的反射镜面。