CN110220319A - 一种极轴式菲涅尔线聚焦装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极轴式菲涅尔线聚焦装置，包括：固定支撑组件，固定支撑组件包括平行于地轴的斜面底座，斜面底座用于连接支撑极轴转动组件以及镜面组件；极轴转动组件，极轴转动组件包括与斜面底座可旋转连接的极轴，以及与极轴连接固定的U型支架，极轴连接有旋转驱动机构，用于驱动极轴旋转以追踪光照方向；还包括连接于U型支架的滑移导轨、与滑移导轨滑动配合的滑移块，以及菲涅尔线性聚焦透镜，菲涅尔线性聚焦透镜与滑移块连接。简化对镜面调节角度的设计，极轴为可旋转设计通过旋转驱动机构精准可控的控制其旋转，从而直接带动其所连接的U型支架的角度改变，令U型支架上的透镜持续保持正对阳光入射方向，以便始终将阳光汇聚在集热管。

Description

一种极轴式菲涅尔线聚焦装置
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，更具体地说，涉及一种极轴式菲涅尔线聚焦装置。
背景技术
在太阳能聚光领域，传统的极轴式跟踪采用的方法是使极轴与地轴平行，并使极轴产生一个每小时15°、与地球自转方向相反的角速度，来抵消地球的自转，根据季节或月份定期调整镜面的俯仰角。
该传统设计在调节俯仰角时主要有以下缺点：
第一，需要调节包括镜面、镜框、连接件和真空集热管等一系列部件，手动调节时操作不便。第二，调整俯仰角时其运动方式为空间旋转，因此需要更多的空间来完成调整动作，造成装置整体结构复杂，占地空间大，使用调节不便、自动化程度低。
综上所述，如何有效地解决目前的太阳能设备难以通过简单的结构及方便的操作适应光照角度变化，以达到更好聚光效果等的技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种极轴式菲涅尔线聚焦装置，该极轴式菲涅尔线聚焦装置的结构设计可以有效地解决目前的太阳能设备难以通过简单的结构及方便的操作适应光照角度变化，以达到更好聚光效果等的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种极轴式菲涅尔线聚焦装置，包括：
固定支撑组件，所述固定支撑组件包括平行于地轴的斜面底座，所述斜面底座用于连接支撑极轴转动组件以及镜面组件；
极轴转动组件，所述极轴转动组件包括与所述斜面底座可旋转连接的极轴，以及与所述极轴连接固定的U型支架，所述极轴连接有旋转驱动机构，用于驱动所述极轴旋转以追踪光照方向；
镜面滑移组件，所述镜面滑移组件包括连接于所述U型支架的滑移导轨、与所述滑移导轨滑动配合的滑移块，以及菲涅尔线性聚焦透镜，所述菲涅尔线性聚焦透镜与所述滑移块连接。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，所述固定支撑组件还包括平面固定底座，所述平面固定底座四角位置均设置有支撑杆，通过所述支撑杆支撑所述斜面底座。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，所述极轴包括两根同轴设置的短轴，所述短轴均通过轴承及轴承座旋转连接所述斜面底座，两根短轴之间同轴的安装有真空集热管。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，所述极轴转动组件还包括旋转框，所述旋转框的两端分别与一根所述短轴连接固定，短轴通过所述旋转框连接所述U型支架，用于连接所述U型支架一侧的旋转框底部连接固定有配重结构。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，两根所述短轴的轴端均设置有中空的连接块，通过所述连接块夹持固定所述旋转框。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，所述旋转驱动机构包括设置于斜面底座上的电机以及输出齿轮，其中一根所述短轴同轴设置有连接齿轮，通过所述输出齿轮与连接齿轮的啮合传递所述电机输出的转动，以驱动所述极轴旋转。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，通过所述电机驱动所述极轴的旋转角速度为每小时15°，所述极轴的旋转方向与地球的自转方向相反。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，所述滑移导轨包括对称设置的左右两支，分别与所述U型支架的两端脚固定连接。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，每支所述滑移导轨上均滑动连接有一组滑移块，所述滑移块夹持固定所述菲涅尔线性聚焦透镜相对的两侧。
优选的，上述极轴式菲涅尔线聚焦装置中，所述滑移块上设置有调节螺母，用于在紧固状态下锁定滑移块在所述滑移导轨上的轴向位置。
本发明提供的一种极轴式菲涅尔线聚焦装置，包括：固定支撑组件，固定支撑组件包括平行于地轴的斜面底座，斜面底座用于连接支撑极轴转动组件以及镜面组件；极轴转动组件，极轴转动组件包括与斜面底座可旋转连接的极轴，以及与极轴连接固定的U型支架，极轴连接有旋转驱动机构，用于驱动极轴旋转以追踪光照方向；镜面滑移组件，镜面滑移组件包括连接于U型支架的滑移导轨、与滑移导轨滑动配合的滑移块，以及菲涅尔线性聚焦透镜，菲涅尔线性聚焦透镜与滑移块连接。本发明提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置改变原先相对复杂的支撑结构设计，简化对镜面调节角度的设计，其中设置极轴旋转组件以及相配合的镜面滑移组件，其中极轴为可旋转设计，通过旋转驱动机构精准可控的控制其旋转，从而直接带动其所连接的U型支架的角度改变，令U型支架上的透镜持续保持正对阳光入射方向，以便始终将阳光汇聚在透镜聚焦位置的集热管组件；并设置镜面滑移组件，通过垂直于地轴方向的滑移改变透镜的在滑移导轨上的轴向位置，从而能够有效抵消由于日照改变造成的透镜焦线南北方向的移动，确保装置总能够获得良好的阳光聚焦利用效果。该设计结构简单、驱动控制方便，不仅能够根据太阳时角变化调节角度保持高效，进一步还能够解决焦线南北偏移的问题，对阳光的利用效果达到最大化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置的原理示意图；
图3为本发明实施例提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置的原理示意图；
图4为本发明实施例提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置的线性菲涅尔透镜的焦距变化图；
图5为光线垂直入射菲涅尔线性聚焦透镜所在平面时的辐照图；
图6为光线以入射角θ为5°入射菲涅尔线性聚焦透镜所在平面时的辐照图；
图7为光线以入射角θ为10°入射菲涅尔线性聚焦透镜所在平面时的辐照图；
图8为光线以入射角θ为15°入射菲涅尔线性聚焦透镜所在平面时的辐照图；
图9为光线以入射角θ为20°入射菲涅尔线性聚焦透镜所在平面时的辐照图；
图10为光线以入射角θ为23.5°入射菲涅尔线性聚焦透镜所在平面时的辐照图；
图11为本发明实施例提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置中，透镜滑移距离与太阳直射纬度的对应图表。
附图中标记如下：
菲涅尔线性聚焦透镜1、滑移块2、平面固定底座3、电机4、支撑杆5、配重结构6、第二连接块7、U型支架8、滑移导轨9、锁紧螺母10、旋转框11、真空集热管12、进水口13、出水口17、轴承座18、第一连接块19。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种极轴式菲涅尔线聚焦装置，以解决目前的太阳能设备难以通过简单的结构及方便的操作适应光照角度变化，以达到更好聚光效果等的技术问题。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
请参阅图1，图3，图1为本发明实施例提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置的整体结构示意图；图3为本发明实施例提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置的原理示意图。
本发明提供的一种极轴式菲涅尔线聚焦装置，包括：固定支撑组件，固定支撑组件包括平行于地轴的斜面底座，斜面底座用于连接支撑极轴转动组件以及镜面组件；极轴转动组件，极轴转动组件包括与斜面底座可旋转连接的极轴，以及与极轴连接固定的U型支架，极轴连接有旋转驱动机构，用于驱动极轴旋转以追踪光照方向；镜面滑移组件，镜面滑移组件包括连接于U型支架的滑移导轨、与滑移导轨滑动配合的滑移块，以及菲涅尔线性聚焦透镜，菲涅尔线性聚焦透镜与滑移块连接。
该设计改变原先相对复杂的支撑结构设计，简化对镜面调节角度的设计，其中设置极轴旋转组件以及相配合的镜面滑移组件，其中极轴为可旋转设计，通过旋转驱动机构精准可控的控制其旋转，从而直接带动其所连接的U型支架的角度改变，令U型支架上的透镜持续保持正对阳光入射方向，以便始终将阳光汇聚在透镜聚焦位置的集热管组件；并设置镜面滑移组件，通过垂直于地轴方向的滑移改变透镜的在滑移导轨上的轴向位置，从而能够有效抵消由于日照改变造成的透镜焦线南北方向的移动，确保装置总能够获得良好的阳光聚焦利用效果。该设计结构简单、驱动控制方便，不仅能够根据太阳时角变化调节角度保持高效，进一步还能够解决焦线南北偏移的问题，对阳光的利用效果达到最大化。
当菲涅尔线性聚集透镜南北放置时，即焦线呈南北走向，如果只跟踪太阳时角，而不调整俯仰角，赤纬角变化时，焦线会产生南北方向的移动和上下方向的移动即焦距产生变化。由于太阳时角是通过极轴旋转连续跟踪的，因此焦线不产生东西方向的移动。但是由于当偏离角度较小时，这种焦线上下的移动量小，并且由于太阳能接受器具有一定的体积，这种焦距的变化量对于真空集热管来说是可接受的。所以实际只需解决焦线南北移动的问题。本实施例利用滑移块与滑移导轨配合，使镜面沿导轨往南北方向移动来抵消焦线的南北移动这个问题。
本装置平面固定底座3上安装了四根支撑杆5，支撑杆5上方固定了斜面底座19，斜面底座19所在平面与地轴平行。假设本装置所在地纬度为则应设置平面固定底座3所在的平面与斜面底座19所在的平面的夹角的大小应为：为当地纬度，南半球取正，北半球取负。
斜面底座19上安装了两副轴承座18，轴承座18与极轴16配合安装，此处附图中极轴16仅标注其中一端的短轴，另一端结构基本一致。将极轴16固定在斜面底座19上，极轴16与地轴平行。
极轴的一端安装了齿轮组14，齿轮组14与电机4啮合，电机4带动齿轮组14进一步的带动极轴16转动，转动角速度为15°/h，转动方向与地球自转方向相反，在一天内连续追踪太阳时角。
将极轴16的中间部分切除，用真空集热管12代替。真空集热管12安装在极轴16上，真空集热管12与极轴16的中轴线重合。真空集热管设置了进水口13和出水口17，可将真空集热管收集的热量导出。
极轴16的两端分别设置了第一连接块7和第二连接块15，第二连接块15固定连接了旋转框11。旋转框11的另一端与U型支撑架8固定连接。旋转框11的作用是承担电机4的扭矩。轴承座18应足够高，壁面极轴16转动时，旋转框11与斜面底座19产生干涉。第一连接块7固定连接了U型支撑架8，配重6和极轴16。配重6的作用是平衡镜面和支架的力矩。
U型支撑架8上部固定连接了滑移导轨9，滑移轨道9所在的平面与斜面底座19平行，滑移导轨9上设置了两个滑移块2，滑移块2固定连接了菲涅尔线性聚集透镜1，滑移块2与菲涅尔线性聚焦透镜1一起可在滑移导轨9上移动。两个滑移块2上设置了调节螺母10，需要调节时，旋松调节螺母10然后移动镜面至所需的位置。调节完毕时，拧紧螺母10，使镜面位置固定。滑移导轨9上设置刻度，可根据太阳直射点的位置，确定菲涅尔线性聚焦透镜的移动距离。将装置南北放置，即焦线呈南北走向。
本装置的运行原理大致如下，当极轴式追踪装置只跟踪太阳时角并保持俯仰角不变时，随着季节的变化，入射至线性菲涅尔透镜1的光线与镜面的法线会在南北方向产生的偏角θ，这个角度会导致焦线往上移动即焦距产生变化，L点为垂直入射光线经折射后焦线的位置，L’点为具有偏角θ的入射光线经折射后焦线的位置。由图可知，当θ角较小时，焦线虽然上移，由于幅度不大，并且真空集热管12具有一定的体积，光线经过焦线后依然能打到真空集热管12。接下来分析θ角的变化范围，由于一年中，太阳直射点在南北回归线之间移动，即赤纬角的变化为±23.5°。
图4为线性菲涅尔透镜1的焦距变化图，其中纵轴为焦距，横轴为入射倾斜角，可知当入射光线倾斜角在20°左右时，其焦距变化仅在12％左右。
请参考图5-图11，图5至图10分别为光线垂直入射、光线以入射角θ为5°入射、光线以入射角θ为10°入射、光线以入射角θ为15°入射、光线以入射角θ为20°入射以及光线以入射角θ为23.5°入射菲涅尔线性聚焦透镜所在平面时的辐照图；图11为本发明实施例提供的极轴式菲涅尔线聚焦装置中，透镜滑移距离与太阳直射纬度的对应图表。
结合实例说明使用方式，本实施例中使用模拟的方法，对一个面积1m*1.5m的菲涅尔线聚焦透镜1模拟了入射光线的倾斜角从0至23.5°的变化时焦线在南北方向的偏移量，角度间隔设置为5°，将每个不同角度梯度获得的模拟结果统计汇总得到如下表：
通过汇总模拟结果分析可得到，当焦线北移时，将镜面往南平移，以抵消焦线的北移；同理，当焦线南移时，调节镜面北移，来抵消这种南移；更重要的时菲涅尔聚焦透镜1的移动距离可由中心偏移量决定。通过汇总制作太阳直射纬度与透镜中心偏移量刻度表得到，滑移距离与直射纬度一一对应的关系，得到如图11所示的图表，其中刻度表上方表示太阳直射纬度，下方表示滑移距离，滑移距离与直射纬度一一对应。
在以上基础上，优选的设计是将此刻度表设置在滑移导轨9上。由于菲涅尔线聚焦透镜1平行于斜面底座19，并且保持俯仰角不动，因此当太阳直射赤道时入射光线垂直于镜面，此时为秋分日或者春分日。以秋分日或者春分日为零偏移点。当俯仰角固定并且只追踪太阳时角时，随着季节变化，当太阳直射北回归线或者南回归线时入射光线的偏角达到最大值23.5°。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，包括：
固定支撑组件，所述固定支撑组件包括平行于地轴的斜面底座，所述斜面底座用于连接支撑极轴转动组件以及镜面组件；
极轴转动组件，所述极轴转动组件包括与所述斜面底座可旋转连接的极轴，以及与所述极轴连接固定的U型支架，所述极轴连接有旋转驱动机构，用于驱动所述极轴旋转以追踪光照方向；
镜面滑移组件，所述镜面滑移组件包括连接于所述U型支架的滑移导轨、与所述滑移导轨滑动配合的滑移块，以及菲涅尔线性聚焦透镜，所述菲涅尔线性聚焦透镜与所述滑移块连接。
2.根据权利要求1所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，所述固定支撑组件还包括平面固定底座，所述平面固定底座四角位置均设置有支撑杆，通过所述支撑杆支撑所述斜面底座。
3.根据权利要求2所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，所述极轴包括两根同轴设置的短轴，所述短轴均通过轴承及轴承座旋转连接所述斜面底座，两根短轴之间同轴的安装有真空集热管。
4.根据权利要求3所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，所述极轴转动组件还包括旋转框，所述旋转框的两端分别与一根所述短轴连接固定，短轴通过所述旋转框连接所述U型支架，用于连接所述U型支架一侧的旋转框底部连接固定有配重结构。
5.根据权利要求4所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，两根所述短轴的轴端均设置有中空的连接块，通过所述连接块夹持固定所述旋转框。
6.根据权利要求4所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，所述旋转驱动机构包括设置于斜面底座上的电机以及输出齿轮，其中一根所述短轴同轴设置有连接齿轮，通过所述输出齿轮与连接齿轮的啮合传递所述电机输出的转动，以驱动所述极轴旋转。
7.根据权利要求6所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，通过所述电机驱动所述极轴的旋转角速度为每小时15°，所述极轴的旋转方向与地球的自转方向相反。
8.根据权利要求1至7任一项所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，所述滑移导轨包括对称设置的左右两支，分别与所述U型支架的两端脚固定连接。
9.根据权利要求8所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，每支所述滑移导轨上均滑动连接有一组滑移块，所述滑移块夹持固定所述菲涅尔线性聚焦透镜相对的两侧。
10.根据权利要求9所述的极轴式菲涅尔线聚焦装置，其特征在于，所述滑移块上设置有调节螺母，用于在紧固状态下锁定滑移块在所述滑移导轨上的轴向位置。
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