CN110749113B - 一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，包括：反射聚光镜，支座，光能利用部件、反射聚光镜定位装置；支座至少两个，且固定在一个平面上，一年四季保持不动；光能利用部件固定在支座上，一年四季不动；反射聚光镜通过两个转轴与两个支座可转动地连接，两个转轴的轴心位于光能利用部件的轴线上，或轴线附近，该反射聚光镜可以以两个转轴为轴心，通过借助外力改变其主轴面的指向，在两次调整之间，反射聚光镜固定在所述的反射聚光镜定位装置上，并连续多日保持静止不动。这种聚光装置自身不带有自动跟踪装置，所以大幅度地降低了其制造成本。除了一年之中数次至数十次人为调节之外，这种装置都是保持固定不动的，因此系统具有很强的抗击风雨破坏的能力。这种装置每年只需要使用者调节数次至数十次，使用者的劳动量也十分轻微。

Description

一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，更具体地，涉及一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置。

背景技术

目前人们越来越重视太阳能技术的开发和利用，而太阳能聚光跟踪技术在其中所起的作用也越来越大。在光电应用领域，这种技术可以大幅度地节省光伏电池的使用量；在光热应用领域中，这种技术可以提高太阳能的输出温度及其热利用效率。例如：如果不利用聚光技术，太阳能真空管热水器在夏天可以达到八、九十度的温度，但是在冬天只能达到五、六十度的温度，这种产热温度只能满足日常生活中的热水需求，而无法满足工业上150度以上的蒸汽需求。为了使太阳能的热利用温度达到100度以上，太阳能聚光技术是必不可少的。由于太阳是运动的，所以较高倍数的太阳能聚光技术通常需要相应的自动跟踪技术与之配套。但是这样做既增加了太阳能热利用系统的成本，也增加了生产，使用以及日常维护这种装置的技术难度。虽然有些复合抛物面技术可以不需要自动跟踪装置与之配合，降低了技术难度和生产成本，但是这种技术也有一些缺点：一，聚光面的形状较为复杂，生产与组装的难度大。二，聚光倍数不高。三，所用的聚光面的面积较大，增加了聚光材料的使用量，因此也增加了生产成本。四，这种装置的方位角需要定期调整，但是到目前为止，还缺少一种非常理想的调整与固定反射聚光镜的方法，使之调整起来既简单，固定起来又坚固。上述这些不足促使我们发明一种更加简单实用的聚光装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，以实现以下目的：1，聚光倍数要高。2，聚光面要简单，而且所用的聚光材料要尽量地少。3，装置本身不需要自动跟踪控制系统，只需要定期进行人工调节即可，(当大规模使用时，也可以借助机器人进行定期调节)。4，一年之内调节的次数应该尽可能少，反射聚光镜调节一次以后，应该连续多日保持静止不动，这样可以大幅度地减少使用者的工作量，也可以提高系统的稳定性。5，聚光镜的调节和固定要简单，坚固。

本发明提供了一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，这种装置包括：反射聚光镜，支座，光能利用部件、反射聚光镜定位装置；所述支座至少两个，且固定在一个平面上，一年四季保持不动；所述光能利用部件固定在支座上，一年四季不动；所述反射聚光镜通过两个转轴与两个支座可转动地连接，两个转轴的轴心位于光能利用部件的轴线上，或轴线附近，该反射聚光镜可以以两个转轴为轴心，通过借助外力改变其主轴面的指向，在两次调整之间，反射聚光镜固定在所述的反射聚光镜定位装置上，并连续多日保持静止不动。

进一步地，所述的光能利用部件为集热管，将光能转化为热能。

进一步地，所述的光能利用部件为外表面贴有光伏电池的多边形金属管，通过光伏电池将光能转化为电能。

进一步地，所述反射聚光镜为槽式抛物线型反射聚光镜，线性菲涅尔式反射聚光镜，或其他可以近似形成一条焦线的反射聚光镜。

进一步地，所述反射聚光镜和光能利用部件都东西方向放置，且反射聚光镜的焦线与光能利用部件的轴线重合或接近重合。

进一步地，所述反射聚光镜还包括反射聚光镜框架，所述反射聚光镜通过反射聚光镜框架与两个转轴相连，并通过转轴和支座可转动地连接。

进一步地，所述反射聚光镜定位装置和支座固定在同一个平面上，或直接固定在支座上。

进一步地，所述反射聚光镜定位装置上有若干个位置确定的定位孔或定位槽，用于固定反射聚光镜。

进一步地，所述反射聚光镜框架还包括连接部件，所述反射聚光镜通过连接部件固定在反射聚光镜定位装置上。

进一步地，所述装置配有说明书告诉使用者将反射聚光镜用连接部件固定到反射聚光镜定位装置上的某一定位孔或定位槽上的具体日期。

这种聚光装置自身不带有自动跟踪装置，所以大幅度地降低了其制造成本。除了一年之中数次人为调节之外，这种装置都是保持固定不动的，因此系统具有很强的抗击风雨破坏的能力。这种装置每年只需要使用者调节数次或数十次，使用者的劳动量是十分轻微的。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步解释，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。所有附图都以装置处于北半球为例，在附图中：

图1：一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置第一实施例的立体结构示意图。

图2：图1中E部分的局部放大图，一种插销式的连接部件。

图3：一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置第二实施例的立体结构示意图。

图4：图3中G部分的局部放大图。

图5：一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置第三实施例的立体结构示意图。

图6:一种是适用于本发明的热管式传热方式。

图7：用于描述太阳运动的赤道坐标系。

图8：太阳的张角随太阳赤纬角及时间的变化关系。

图9：抛物线反射聚光镜聚光示意图。

图10：反射聚光镜定位装置上定位孔的确定方法示意图。

1，光能利用部件(以集热管为例)；2，反射聚光镜；3-A，东侧支座；3-B，西侧支座；4，反射聚光镜定位装置；5，反射聚光镜框架；6，转轴；7，转轴外套；8，固定件；9，反射聚光镜定位装置；(其中：图2中的9-1为其上的定位孔)10，连接部件(包括图2中的：10-1，插销座；10-2，插销杆；10-3，插销孔)；11，连接部件；12，连接部件；13，反射聚光镜定位装置；14，反射聚光镜定位装置。15，蒸汽导管，16，冷凝端

具体实施方式

本专利既可以应用于光热领域，也可以应用于光电领域，如果应用于光热领域，以下所述的光能利用部件指的就是集热管，如果应用于光电领域，以下所述的光能利用部件指的就是外表面贴有光伏电池的多边形(三角形，正方形等)金属管。为了简单，本专利所有附图都是以应用于光热领域的集热管为例加以表现的，如果应用于光电领域，只需要将图中的集热管换成外表面贴有光伏电池的多边形金属管即可。

下面，结合图1对本发明的第一实施例进行详细的说明。

将两个支座(图中的3-A,3-B)固定在一个平面上,光能利用部件1固定在两个支座上，图中只画出了将光能利用部件1通过固定件8固定在东侧支座3-A上，由于示意图上遮挡的原因，西侧支座3-B上的细节没有画出，但是支座3-B上的细节和支座3-A上的细节是镜像对称的，通过支座3-A上的细节可以想象支座3-B上的细节。两个支座和光能利用部件都一年四季固定不动。

反射聚光镜2安装在反射聚光镜框架5上，并通过转轴6可转动地安装在支座3-A和3-B上，转轴6应该有两个，在图1中只画出了东侧的一个，西侧的转轴和东侧的转轴是镜像对称的。两个转轴的轴心位于光能利用部件的轴线上，或轴线附进。转轴6和转轴外套7之间可以有一个轴承，也可以没有轴承，直接利用轴与轴套之间的滑动摩擦实现轴在轴套内的转动，因为一年之内需要转动的次数很少。

反射聚光镜2通常为槽式抛物线型反射聚光镜，反射聚光镜的焦线应该与光能利用部件的轴线重合或近似重合，其中，反射聚光镜的转轴、反射聚光镜的焦线以及光能利用部件的轴线，三线重合时可以得到很好的聚光效果。这里的反射聚光镜也可以是其他可以近似形成一条焦线的反射聚光镜，如菲涅尔式反射聚光镜，圆柱面反射聚光镜，或其他槽式曲面反射聚光镜。

反射聚光镜框架5通过连接部件10(图中两个，其中东侧的一个未画出)固定在反射聚光镜定位装置4和9上，并连续多日保持静止不动。(图中，反射聚光镜定位装置的个数为两个，实际使用中，如果反射聚光镜的长度较短，也可以只用一个，如果较长还可以增加个数。)反射聚光镜定位装置上有若干个定位孔(或定位槽)，日常使用中，反射聚光镜就通过连接部件10固定在这些定位孔(或定位槽)上，只是在某一特定的日期，使用者才需要将反射聚光镜由一个定位孔调节到另一个定位孔，在两次调整之间，反射聚光镜连续多日保持静止不动。由于这套装置本身并不自带跟踪装置，所以，在调整反射聚光镜位置时，需要借助人力来调节(为了方便使用者区分不同的定位孔，可以在定位孔旁用不同的编号加以区分)。这样的定位装置既可以准确地控制反射聚光镜相对于赤道面(等价于相对于当地水平面)的夹角，又可以使系统具有很强的抗击风雨破坏的能力。至于为什么可以这样使用这个装置？定位孔的位置如何设定？在什么日期由一个定位孔调节到另一个定位孔？我们将在下面“聚光跟踪原理介绍”部分加以详细阐述。

这种装置通常需要东西放置，而且越准确越好，如果由于特殊条件的限制，需要和东西方向有一个偏离角度，就需要使用者根据本说明书的原理介绍和具体的偏离角度确定定位孔的位置及调整日期。

为了在太阳光的入射角比较大时也能得到较好的聚光效果，应该在保证聚光倍数的条件下，使反射聚光镜上的各点到反射聚光镜焦线的距离越小越好。较优选地，应该使反射聚光镜相对于其焦线的张角略大于180°，但这不是必须的。

该装置应该配有必要地说明书告诉使用者将反射聚光镜调节到某一具体位置的具体日期。

图中只画出了一个聚光单元的立体图，为了更大规模地使用太阳能，可将若干个相同或相近的聚光单元串并联在一起。当聚光镜的个数非常多时，也可以使用机器人来将反射聚光镜由一个定位孔调节到另一个定位孔上。

这种太阳能聚光装置还需要能够方便地将反射聚光镜由一个倾角调节到另一个倾角，可以实现这一功能的方式有很多，比如常规的螺丝螺母形式，这里介绍一种更方便的插销形式。图2是图1中E部分的局部放大图，反射聚光镜定位装置9上有若干个定位孔9-1，这里的连接部件10是一种插销，包括插销座10-1，插销杆10-2和插销孔10-3。插销座10-1固定在反射聚光镜框架5上(有时，这个插销座也可以省去，直接将插销孔10-3固定在反射聚光镜框架5上)，插销杆10-2可以在插销孔10-3中移动，当插销杆插入某个定位孔中时，反射聚光镜就固定在反射聚光镜定位装置9上，当插销杆10-2从某定位孔拔出时，就可以调节反射聚光镜的倾角。

更进一步，由于这种太阳能装置都是在室外使用，必须能够抵御狂风暴雨的破坏，所以插销杆10-2和插销孔10-3以及反射聚光镜定位装置9上的定位孔9-1之间的间隙应该尽量小一些，这样就可以防止反射聚光镜在风中摇晃。

这里提供一种非常简单而有效的具体方案供人们选用，为了简单，令反射聚光镜定位装置9上的定位孔9-1的宽度与插销座上的插销孔10-3的宽度相同。然后用一个金属管做插销杆10-2，并在金属管的外表面铣出四个平面，使相对的两个平面相互平行，而相邻的两个平面相互垂直，并且令一对平行平面之间的距离略大于(或等于)的定位孔9-1的宽度，可以和定位孔形成过盈(或过渡)配合。而另一组平行平面之间的距离明显小于定位孔9-1的宽度，和定位孔形成间隙配合，方便插销杆的移动。这样，间隙配合与过盈(或过渡)配合之间的转换只需要将插销杆旋转90度即可实现，平时反射聚光镜固定在定位装置9上时，就采用这种过盈(或过渡)配合，使反射聚光镜不会在风中晃动。当需要调节反射聚光镜倾角时，将插销杆10-2旋转90度，变成间隙配合，将插销杆从定位孔空9-1中移出，并将反射聚光镜调节到目标位置，再将插销杆插10-2插进另一个定位孔中，然后又将插销杆旋转90度，形成过盈(或过渡)配合，从而又将反射聚光镜固定在反射聚光镜定位装置9上。其实，还可以更简单，就是用一根金属圆管做插销杆10-2，将其压成椭圆形，使其长轴和定位孔形成过盈配合，而使其短轴和定位孔形成间隙配合，也可以同样实现上述功能。

总之实现将反射聚光镜固定在反射聚光镜定位装置上的方法有很多，只要能实现这种目的，均应在本发明的保护范围之内。

图3，是本发明的第二实施例的立体结构示意图。

图4是图3中G部分的局部放大图。

这一实施例主要目的是为了利用反射聚光镜下面的空间，将两个支座加高，这样反射聚光镜到地面的距离就比较大，方便人们充分利用这个空间。这一实施例和第一实施例的区别在于，1，支座加高了；2，反射聚光镜定位装置13,14变成了直线型，并且固定在支座上；3，用于连接反射聚光镜框架5和定位装置13,14之间的连接部件11和12变成了金属杆，其上端与反射聚光镜框架通过转轴可转动地连接，其下端通过螺丝螺母固定在反射聚光镜定位装置13,14的定位孔处，这里的定位孔设计为一端开口的槽，这样使用起来更方便。

图5是本发明的第三实施例的立体结构示意图。

这一实施例和第一实施例的区别在于本实施例中转轴外套7和固定件8采用的是分体式结构，这种结构可以方便反射聚光镜框架和光能利用部件的安装。

该装置的集热管可以直接和锅炉相通，从而加热锅炉中的水。

为了防冻，也可以用热管的方式加热锅炉中的水。图6:描述的是一种适用于本发明的热管式的传热方式。

在这种导热方式中，集热管中的一部分体积中充有某种易蒸发的工作介质(如水)，而另一部分体积作为蒸汽通道，当反射聚光镜将太阳光汇聚到光能利用部件上时，集热管就成为蒸发端，将其中的工作介质由液态蒸发为气态，并通过蒸汽管道15汇聚到冷凝端16，冷凝端16是一种金属空腔，位于锅炉(图中未画出)内部，可以加热锅炉中的水，同时，金属空腔内的蒸汽凝结为液体，在重力的作用下又全部流回到集热管内重新吸热。

本发明尤其适用于光热领域，当其应用于光热领域时，上文中所述的光能利用部件指的就是集热管，所谓的集热管就是指可以将太阳光吸收后转化为热能的管状物体，如:全玻璃真空集热管，金属吸热体真空集热管，等各种类型的集热管，这些集热管的结构已被有关文献广泛描述，在此不再赘述。在这里想着重指出的是，由于本发明的聚光倍数较高，可以达到二十倍以上，可以实现太阳能中高温的应用。但是如果用热温度要求不太高，也可以直接用外表面具有较好吸光能力的金属管作为集热管，这种集热管可以通过对普通的金属管的外表面加以(阳极)氧化，氮化，或加涂选择性吸收涂层等多种方法制备。必要时还可以在这种金属管外套上玻璃管或玻璃杜瓦以提高其保温效能，这种集热管的成本十分低廉，而且不易损坏，可以使整个系统的制造与维护成本大大降低。

当然，本发明的这种聚光跟踪方式也适用于光电领域，当应用于光电领域时，只需要将光能利用部件换成多边形的金属管，并在金属管的外表面贴上光伏电池，就可以将光能转化为电能，而金属管内部可以通有冷却水对光电池加以冷却。

从上面的描述可以看出，这一发明结构非常简单，不需要自动跟踪装置，成本低廉，一年之中除了必要地数次至数十次调整之外，反射聚光镜都固定在支座和反射聚光镜定位装置上，这种结构本身就非常坚固，具有很强的抵御风雨破坏的能力。

下面我们将重点说明：这一发明为什么可以实现反射聚光镜连续多日静止不动？如何确定反射聚光镜定位装置上定位孔的位置？以及如何确定反射聚光镜的调整日期。

发明聚光跟踪原理的介绍

在本部分中，我们先说明从地球上看，太阳的运动规律，以及槽式抛物线型聚光镜的聚光特性。为了叙述简单，我们假定光能利用部件为集热管。

1.太阳运动规律的描述:

假如我们在地球表面上的M点利用太阳能，那么，首先在这一点建立一个赤道坐标系：如图7所示，以该点为坐标系的原点O,以通过O点且平行于地轴的直线为z轴，以通过O点且平行于地球赤道的平面为坐标系的xOy平面，以该点的正东方为y轴指向，x轴与z轴和y轴垂直，且指向地球的外面。在本专利说明书中，我们都是在这个赤道坐标系中讨论问题。

在这个赤道坐标系中观察太阳的运动，一天之内，可以近似认为太阳是在一个以z轴为转轴的圆锥面上运动，如图7所示。设这个圆锥面与xOy平面的夹角为θ，我们称之为赤纬角。由地理知识可知，赤纬角的变化范围为[-23.45°,23.45°]。太阳和y轴共同确定了一个平面β，我们称之为太阳光的入射面，由于在通常情况下，集热管的轴线和反射聚光镜的焦线都与y轴重合，所以这个面也是太阳与集热管轴线共同决定的平面。我们称这个太阳光的入射面β和xOy平面的夹角为太阳的张角，记为γ。一天之内，太阳的赤纬角几乎不变，但是太阳的张角却会随时间的不同而发生变化。

设太阳处于P点，通过太阳向xOy平面做一条垂线，垂足为A，OA与x轴的夹角记为

称之为太阳的方位角。采用地方时为计时标准(用t表示)，那么在中午十二点时，

其他时间

由以下公式计算:

由几何知识可知，一天之内，在不同的时间，太阳的张角γ可以由下式计算：

当太阳的赤纬角θ取不同值时，一天之内太阳的张角γ随时间的变化可以通过公式(1)和(2)算出，计算结果参见图8。图中的每一条线都表示当太阳的赤纬角不变时，太阳的张角随时间的变化，(图的上方标明了每一条线所代表的太阳赤纬角的大小。)从图8可以看出太阳的张角γ在中午十二点时等于当日的赤纬角θ，而且在中午这个时间段(10点至14点)，γ的变化非常缓慢，但在早晨和傍晚的时间段，γ的变化就比较快。表1列出了当太阳的赤纬角不同时，太阳的张角在中午时间段内的变化幅度(绝对值)。从表中可以发现随着太阳赤纬角的增加，在相同的时间段内，太阳张角的变化幅度也在逐步增加，当太阳的赤纬角等于±23.45°(即夏至或冬至时)，太阳张角的变化幅度达到最大值，但即使在这种情况下，在中午的四个小时(10:00---14:00)内，太阳张角的变化也只有3.16°，这个数据非常重要，是我们这个发明可以成立的一个重要数据。

表1，随赤纬角的不同，太阳张角在不同的时间段的变化幅度

2.槽式抛物线型反射聚光镜的聚光性质

下面我们以槽式抛物线型反射聚光镜为例讨论反射聚光镜的聚光特性，如图9所示，图中反射聚光镜的中点为O，焦点为F,连接O点和F点的连线称为反射聚光镜的主轴，反射聚光镜的焦距就是OF的长度。由于本发明所用的反射聚光镜的焦线为一条直线，所以这个主轴就沿反射聚光镜的焦线延伸为一个平面，这里称之为主轴面，它也是这个反射聚光镜的对称面(与纸面垂直)。

当太阳的入射面与反射聚光镜的主轴面重合时，那么反射聚光镜就会将其所接收到的全部阳光聚焦到其焦线上。因为集热管轴线与反射聚光镜的焦线重合，所以集热管就会将这些阳光吸收转化为工质的热能。当太阳的入射面与反射聚光镜的主轴面之间有一个夹角的时候，反射聚光镜各点的反射光都将偏离其焦线，虽然反射聚光镜和集热管都保持不动，但由于集热管有一定的大小，所以，只要这两个面的夹角较小，这些反射光仍可以聚集在集热管上。

下面，我们引入一个新的物理量“最大全聚光角度Γ(正值)”，其定义为：当太阳的入射平面与反射聚光镜的主轴面之间的夹角小于该值时，反射聚光镜可以将射到其上的全部太阳光汇聚到集热管上。(这里假定反射聚光镜的反射率为100％)，其大小由反射聚光镜到集热管中心的最远距离d与集热管的半径R决定：Γ＝arcsin(R/d)，如图9所示。当太阳的入射平面与反射聚光镜主轴面之间的夹角大于这个角时，反射聚光镜的部分反射光将无法聚焦到集热管上。举例：假设反射聚光镜的两端A和B到焦点F的距离为0.5米，而集热管的半径为5厘米，那么，这个反射聚光镜的最大聚光角就是5.7°，只要太阳的入射面与槽式抛物线型聚光镜的主轴面之间的夹角小于5.7°，那么，这个聚光镜就可以将射到其上的所有太阳光汇聚到集热管上。我们将一天之内反射聚光镜可以将照射在其上的全部太阳光都聚焦到集热管上的全部时间称为全聚光时间

下面我们来讨论为什么我们这项发明可以实现反射聚光镜连续多日静止不动？

假定我们所用的聚光装置为图1所描述的实施例，集热管的半径为5厘米，东西方向水平放置，反射聚光镜的转轴，集热管的轴线，以及反射聚光镜的焦线三线重合，反射聚光镜的两条边到集热管轴线的距离最长，为0.5米。对于这个装置我们要求它每天最小的全聚光时间为5小时,即每日9:30到14:30，反射聚光镜必须将其所接收到的反射光都聚焦到集热管上(称之为全聚光)。首先，我们需要确定的是反射聚光镜的主轴面和赤道面的夹角应该等于多少？

以夏至日为例:在夏至日，太阳的赤纬角等于23.45°，由公式(1)和(2)可以算出一天之内太阳的张角随时间的变化关系，如图10所示，上午9:30时，太阳的张角为28.7°，然后逐渐减小，到12:00时，达到当日的最小值23.45°，过了中午以后，太阳的张角又逐渐增大，到14:30，太阳的张角又增大为28.7°。为了保证在这期间实现全聚光，就必须要求太阳的入射平面和反射聚光镜的主轴面之间的夹角小于5.7°,因此我们可以将反射聚光镜的主轴面与赤道面的夹角定为23°(＝28.7°－5.7°)，其实，为了使系统有一定的容错能力，所以我们应该设计的有一点富裕，比如我们可以将反射聚光镜的主轴面与赤道面的夹角定为23.2°(0.2°的富余量)，即图10中的D线位置。当反射聚光镜的主轴面的指向确定之后，只要太阳光的入射面与反射聚光镜的主轴面之间的夹角小于5.7°，那么，反射聚光镜就可以将其所接收到的全部太阳光聚焦到集热管上。也就是说，只要太阳的张角大于17.5°(＝23.2°-5.7°)，而小于28.9°(＝23.2°+5.7°)，即图中的P线和Q线之间，那么照射到反射聚光镜上的太阳光都可以汇聚到集热管上。这样在夏至日，从9:30至14:30，太阳光的入射面与反光镜的主轴面之间的夹角都小于5.7°，因此可以实现全聚光。需要强调的是，在9:30以前或14:30以后，也不用调节反射聚光镜去跟踪太阳，因为，一天之内能够将中午这五个小时太阳光最强的时间都利用起来已经相当不错了，9:30以前或14:30以后，太阳光的强度已经明显减弱，利用价值并不大。不仅一天之内反射聚光镜的角度不需要调节，而且夏至日前后的一段时间内，反射聚光镜的角度也不需要调节，因为夏至日前或夏至日后，太阳的赤纬角是减小的，从图10中可以看出，其对应的全聚光时间将增加，但太阳的赤纬角不能小于17.5°，否则正午时间就不能实现全聚光。其实，为了使系统有一定的容错能力，我们可将反射聚光镜的主轴面在上述位置时所允许的太阳最小赤纬角定为18.1°(有0.6°的富余量，确保正午时分实现全聚光)。通过计算或查表可知，这个赤纬角对应的是5月13日或8月1日，在这两日，当8:30时，太阳的张角为28.2°，然后太阳的张角逐渐减小，到12:00时，达到当日的最小值18.1°，过了中午以后，太阳的张角又逐渐增大，到15:30，太阳的张角又增大为28.2°。在这7个小时内，反射聚光镜都可以将其所接收到的阳光全部汇聚到集热管上。这样，从5月13日到8月1日共80天，反射聚光镜虽然一直保持静止不动，也仍然可以保证每天的全聚光时间不小于5小时。在5月13日以前或8月1日以后，我们应该将反射聚光镜调整到另外方位去实现类似的功能。

当把反射聚光镜调到新的位置时，首先要保证在5月13日或8月1日时，系统的全聚光时间不低于5个小时，重复上述讨论过程可以知道，在新的位置，反射聚光镜的主轴面与赤道面的夹角应该为16.9°，反射聚光镜处于这个位置时，允许太阳赤纬角的变化范围为[11.8,18.1]，所对应的时间段为4月21日至5月13日或8月1日至8月22日。依据这种方法，表2列出了当反射聚光镜和集热管取上述参数与位型时，在一年之内，反射聚光镜的主轴面与赤道面所应保持的几种夹角及其所对应的时间段。

在上述讨论过程中，需要将反射聚光镜的主轴面相对于赤道面的夹角保持在某一定值上，并连续多日不变，这可以通过将反射聚光镜框架用连接部件固定在反射聚光镜定位装置的某一定位孔上来实现。但在实际安装过程中，使用“反射聚光镜的主轴面与赤道面之间的夹角”这一概念并不方便，人们通常更愿意使用“反射聚光镜框架与当地水平面之间的夹角”这一概念。根据几何知识知道二者之间可以用一个很简单的数学公式将彼此联系起来。设使用者在北半球，该装置所在的纬度为Φ，当反射聚光镜的主轴面与赤道面之间的夹角为Θ时，反射聚光镜框架与当地水平面之间的夹角为Ψ，则：Ψ＝Φ－Θ。这里Φ为正数，Θ的正负号有下面的约定2定义，Ψ的正负号做如下规定：反射聚光镜的北侧边缘高于南侧边缘时为正，反之，为负。

表2，聚光10倍时，反射聚光镜主轴面的定位角及其所对应的太阳赤纬角的变化范围和时间段，表中的第三行列出的日期就是调整反射聚光镜方位的日期。

表2中所列出的数据仅供参考，生产者应该根据加工组装的精度，以及用户的需求加以适当的调整，增加反射聚光镜定位装置上的定位孔数目，将会提高聚光效果，但也会增加使用者每年调节反射聚光镜的次数。

如果反射聚光镜和集热管取其他参数，反射聚光镜主轴面与赤道面所应保持的夹角及其对应的时间段也需要做相应的调整。为了便于讨论，现做如下约定：

约定1，聚光倍数：在这份说明书中定义聚光倍数等于反射聚光镜的开口宽度与集热管直径之比。

约定2，角度的正负号:本专利涉及到一些平面与赤道面(图7中的xOy平面)的夹角，如太阳的入射平面与赤道面的夹角，反射聚光镜的主轴面与赤道面的夹角，这些夹角是有正负之分的，其正负号在本专利中这样定义：将这些平面在赤道坐标系中向xOz平面投影，如果这个平面的投影在一，三象限，则取正号；如果在二，四象限，则取负号。

约定3，反射聚光镜主轴面的定位角：本发明中，反射聚光镜可以连续数日或数十日固定不动，这时反射聚光镜的主轴面与赤道面的夹角定义为反射聚光镜主轴面的定位角，其正负号按约定2的规定确定。

约定4，对于太阳的赤纬角，从春至到秋至之间，赤纬角为正；从秋至到春至之间，赤纬角为负。

约定5，反射聚光镜主轴面的定位角计数:每年冬至日，反射聚光镜主轴面的定位角称为反射聚光镜主轴面的第1定位角，记为D(1),随着时间的变化，反射聚光镜主轴面的定位角依次称为反射聚光镜主轴面的第2定位角，反射聚光镜主轴面的第3定位角，……，记为D(2),D(3),……,直到夏至日，称为反射聚光镜主轴面的第N定位角，记为D(N)。夏至日以后，反射聚光镜主轴面的定位角依次调节为D(N-1),D(N-1),……,D(1)，这样反射聚光镜一年共调节2(N-1)次。

约定6，反射聚光镜主轴面的定位角处于D(j)时，所允许的太阳的赤纬角变化范围为[P(j),Q(j)]，

有了这些约定，反射聚光镜主轴面的定位角可以通过以下方法决定：

1，根据约定，当冬至时，反射聚光镜主轴面的定位角处于D(1),其所对应的太阳的赤纬角的变化区间为[P(1),Q(1)],其中，P(1)≈－23.45°,Q(1)>－23.45°

2，当夏至时，反射聚光镜主轴面的定位角处于D(N),其所对应的太阳的赤纬角的变化区间为[P(N),Q(N)],其中，Q(N)≈23.45°。

3，显然

Q(j)＝P(j+1) j＝1,2,3,……,N (3)

4，通过反射聚光镜的开口的大小以及集热管的半径R，确定反射聚光镜的最大全聚光角Γ。Γ＝arcsin(R/d),其中，d为反射聚光镜到集热管中心的最远距离.

5，确定系统每天最小的全聚光时间ΔT。全聚光时间一般定为4～6小时为宜，如果聚光倍数很大，如30倍，那么聚光时间就应该定为3小时左右。(最小的全聚光时间既可以对所有的季节统一，也可以规定夏季的最小全聚光时间略长于冬季的最小全聚光时间。)

6，然后按照公式(1)确定当太阳的赤纬角θ＝P(j)时,太阳的张角γ在全聚光时间ΔT内的变化幅度Δγ_P(j)，以及当太阳的赤纬角θ＝Q(j)时，太阳的张角γ在全聚光时间ΔT内的变化幅度Δγ_Q(j)，根据公式(3)有

Δγ_Q(j) ＝Δγ_p(j+1) (4)

7，如果P(j)>0，且Q(j)>0,则：

D(j)+Γ＝Q(j)+Δγ_Q(j)+δ₁ (5)

D(j)－Γ＝P(j)－δ₂ (6)

8，如果P(j)<0，且Q(j)<0,则：

D(j)－Γ＝P(j)－Δγ_p(j)－δ₁ (7)

D(j)+Γ＝Q(j)+δ₂ (8)

9，如果P(j)<0，且Q(j)>0,则：

D(j)+Γ＝Q(j)+Δγ_Q(j)+δ₁ (9)

D(j)－Γ＝P(j)－Δγ_p(j)－δ₁ (10)

其中δ₁是当t＝12±(ΔT/2)，系统所留有的富余量，δ₂,是正午时(t＝12点)系统所留有的富余量，它们可以和j有关，也可以和j无关，其大小根据实际需求决定。

上面(3)－(10)公式中，Γ，Δγ_P(j),Δγ_Q(j)是绝对值，正数，通过求解上述方程就可以确定一组D(j)及其对应的[P(j),Q(j)],然后通过计算和查表就可以知道当太阳的赤纬角等于P(j)和Q(j)时的具体日期(不同的年份之间，可能有一到两天的误差，如果聚光倍数不高，这个误差可以忽略不计，如果聚光倍数较高(15倍以上)，这个误差就应该慎重处理，尤其是在春分和秋分日附近时)，进而确定每年的具体哪一天，将反射聚光镜主轴面的定位角从一个位置调整到另一个位置。并将这样的具体日期通过纸质的或电子的形式告诉给使用者。

以上所有的讨论都是假定光能利用部件为集热管，如果需要将上述讨论应用于光电领域，这时，集热管就应该替换为外表面贴有光伏电池的多边形金属管，同时上述讨论中所用到的集热管的半径也应相应地理解为多边形金属管外接圆的半径或内切圆的半径，也可以是二者之间的某一个圆的半径，具体情况，依据设计要求而定。

Claims (29)

1.一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：包括反射聚光镜，支座，光能利用部件、反射聚光镜定位装置，

所述支座至少两个，且固定在一个平面上，一年四季保持不动；

所述光能利用部件固定在支座上，一年四季不动；

所述反射聚光镜通过两个转轴与两个支座可转动地连接，两个转轴的轴心位于光能利用部件的轴线上，或轴线附近，该反射聚光镜能够以两个转轴为轴心转动以调整其主轴面的指向，在两次调整之间，反射聚光镜固定在所述的反射聚光镜定位装置上，并连续多日保持静止不动；

当所述光能利用部件为集热管时，所述太阳能聚光装置的聚光倍数等于所述反射聚光镜的开口宽度与所述集热管直径之比；或者，当所述光能利用部件包含多边形金属管时，所述太阳能聚光装置的聚光倍数等于所述反射聚光镜的开口宽度与所述多边形金属管内切圆直径之比；

所述聚光倍数为如下之一:20倍以上,15倍以上,10倍以上。

2.根据权利要求1所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：调整所述主轴面的指向使得在所确定的每天最小全聚光时间ΔT内使太阳的入射平面与所述反射聚光镜的主轴面之间的夹角小于最大全聚光角度Γ；其中,最大全聚光角度Γ的定义为：当太阳的入射平面与所述反射聚光镜的主轴面之间的夹角小于最大全聚光角度Γ时，所述反射聚光镜将射到其上的全部太阳光汇聚到所述光能利用部件上；全聚光时间是一天之内所述反射聚光镜将照射在其上的全部太阳光都聚焦到所述光能利用部件上的全部时间。

3.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于，所述集热管为外表面具有较好吸光能力的金属管。

4.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述反射聚光镜定位装置固定不动。

5.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述反射聚光镜为槽式抛物线型反射聚光镜，线性菲涅尔式反射聚光镜，或其他可以近似形成一条焦线的反射聚光镜。

6.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述反射聚光镜和光能利用部件都东西方向放置，且反射聚光镜的焦线与光能利用部件的轴线重合或接近重合。

7.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述反射聚光镜还包括反射聚光镜框架，所述反射聚光镜通过反射聚光镜框架与两个转轴相连，并通过转轴和支座可转动地连接。

8.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：反射聚光镜定位装置和支座固定在同一个平面上，或直接固定在支座上。

9.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述反射聚光镜定位装置上有若干个位置确定的定位孔或定位槽，用于固定反射聚光镜。

10.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：还包括连接部件，所述反射聚光镜通过连接部件固定在反射聚光镜定位装置上,并连续多日保持静止不动。

11.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述连接部件为插销。

12.根据权利要求11所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述反射聚光镜定位装置上有若干个位置确定的定位孔或定位槽，用于固定反射聚光镜；所述插销包括插销杆(10-2)和插销孔(10-3)，插销孔(10-3)固定在反射聚光镜框架上，当插销杆插入反射聚光镜定位装置上的某个定位孔或定位槽中时，反射聚光镜就固定在反射聚光镜定位装置上，当插销杆(10-2)从某定位孔拔出时，调节反射聚光镜的倾角；反射聚光镜定位装置上的定位孔(9-1)的宽度与所述插销孔(10-3)的宽度相同，当反射聚光镜固定在反射聚光镜定位装置上时，使插销杆(10-2)和定位孔或定位槽形成过盈配合或过渡配合；当需要调节反射聚光镜倾角时，使插销杆(10-2)和定位孔或定位槽变成间隙配合，将插销杆从定位孔(9-1)中移出，并将反射聚光镜调节到目标位置，再将插销杆(10-2)插进另一个定位孔或定位槽中，使插销杆(10-2)和定位孔或定位槽形成过盈配合或过渡配合，从而又将反射聚光镜固定在反射聚光镜定位装置上。

13.根据权利要求12所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：插销杆(10-2)为金属管，金属管的外表面铣出四个平面，使相对的两个平面相互平行，而相邻的两个平面相互垂直，并且一对平行平面之间的距离略大于或等于定位孔(9-1)的宽度以便和定位孔形成过盈或过渡配合；而另一对平行平面之间的距离小于定位孔(9-1)的宽度以便和定位孔形成间隙配合；间隙配合与过盈或过渡配合之间的转换只需要将金属管旋转90度即可实现。

14.根据权利要求12所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：插销杆(10-2)为由金属圆管压成的椭圆形的金属管，椭圆形的金属管的长轴和定位孔形成过盈配合或过渡配合，而椭圆形的金属管的短轴和定位孔形成间隙配合；间隙配合与过盈或过渡配合之间的转换只需要将金属管旋转90度即可实现。

15.根据权利要求10所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述连接部件包括金属杆，其上端与反射聚光镜框架通过转轴可转动地连接，其下端通过螺丝螺母固定在反射聚光镜定位装置(13,14)的定位孔处，定位孔设计为一端开口的槽。

16.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述光能利用部件为集热管，将光能转化为热能；或所述光能利用部件为外表面贴有光伏电池的多边形金属管，通过光伏电池将光能转化为电能。

17.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述集热管的一部分为蒸汽通道，在所述蒸汽通道的端部为冷凝端，所述冷凝端为金属空腔。

18.根据权利要求1或2所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述集热管通过对普通的金属管的外表面加以氧化、氮化或加涂选择性吸收涂层来制备。

19.根据权利要求3所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：在所述集热管外套上玻璃管或玻璃杜瓦。

20.根据权利要求9所述的一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置，其特征在于：所述太阳能聚光装置还包括连接部件，所述太阳能聚光装置配有说明书告诉使用者将所述反射聚光镜用所述连接部件固定到所述反射聚光镜定位装置上的某一定位孔或定位槽上的具体日期。

21.一种可以连续多日静止的太阳能聚光设备，其特征在于：所述一种可以连续多日静止的太阳能聚光设备包括多个根据权利要求1-20中任意一项所述的太阳能聚光装置，所述的多个太阳能聚光装置串并联在一起使用。

22.一种可以连续多日静止的太阳能聚光装置的太阳能聚光方法，所述可以连续多日静止的太阳能聚光装置包括反射聚光镜、支座、光能利用部件、反射聚光镜定位装置，其中所述支座包括至少两个支座，且固定在一个平面上，一年四季保持不动；所述光能利用部件固定在所述支座上，一年四季不动；所述光能利用部件为集热管；所述反射聚光镜通过两个转轴与两个支座可转动地连接，两个转轴的轴心位于光能利用部件的轴线上或轴线附近，所述反射聚光镜的焦线与所述光能利用部件的轴线重合或接近重合；所述方法包括：

反射聚光镜以两个转轴为轴心,通过借助外力调整所述反射聚光镜的主轴面的指向以便在所确定的每天最小全聚光时间ΔT内使太阳的入射平面与所述反射聚光镜的主轴面之间的夹角小于最大全聚光角度Γ；其中,最大全聚光角度Γ的定义为：当太阳的入射平面与所述反射聚光镜的主轴面之间的夹角小于最大全聚光角度Γ时，所述反射聚光镜将射到其上的全部太阳光汇聚到所述光能利用部件上；全聚光时间是一天之内所述反射聚光镜将照射在其上的全部太阳光都聚焦到所述光能利用部件上的全部时间；在两次调整之间，所述反射聚光镜固定在所述反射聚光镜定位装置上，并连续多日保持静止不动。

23.根据权利要求22所述的太阳能聚光方法，其特征在于：所述每天最小全聚光时间ΔT根据实际需求确定。

24.根据权利要求22所述的太阳能聚光方法，其特征在于：所述最大全聚光角度Γ＝arcsin(R/d)，d是所述反射聚光镜到所述集热管轴线的最远距离，R是集热管的半径。

25.根据权利要求23所述的太阳能聚光方法，其特征在于：所述每天最小全聚光时间ΔT为4-6小时或者为3小时。

26.根据权利要求22所述的太阳能聚光方法，其特征在于：根据所述每天最小全聚光时间ΔT、所述最大全聚光角度Γ、夏至日和冬至日太阳的赤纬角来确定所述反射聚光镜的主轴面与赤道面的夹角以及调整所述夹角的具体日期。

27.根据权利要求26所述的太阳能聚光方法，其特征在于：反射聚光镜的主轴面与赤道面的夹角定义为反射聚光镜主轴面的定位角D(j)，每年冬至日，反射聚光镜主轴面的定位角称为反射聚光镜主轴面的第1定位角，记为D(1),随着时间的变化，反射聚光镜主轴面的定位角依次称为反射聚光镜主轴面的第2定位角，反射聚光镜主轴面的第3定位角，……，聚光镜主轴面的第j定位角……，记为D(2),D(3),…D(j)…,直到夏至日，夏至日的反射聚光镜主轴面的定位角称为反射聚光镜主轴面的第N定位角，记为D(N)；夏至日以后，反射聚光镜主轴面的定位角依次调节为D(N-1),D(N-2),……,D(1)，这样反射聚光镜一年共调节2(N-1)次；

反射聚光镜主轴面的定位角也有正负之分，将反射聚光镜主轴面在赤道坐标系中向xOz平面投影，如果这个平面的投影在一，三象限，则取正号；如果在二，四象限，则取负号；赤道坐标系通过以下方式建立：以该装置的使用地点为坐标系的原点O,以通过O点且平行于地轴的直线为z轴，以通过O点且平行于地球赤道的平面为坐标系的xOy平面，以该点的正东方为y轴指向，x轴与z轴和y轴垂直，且指向地球的外面；

反射聚光镜主轴面的定位角处于D(j)时，所允许的太阳的赤纬角变化范围为[P(j),Q(j)]；对于太阳的赤纬角，从春至到秋至之间为正值，从秋至到春至之间为负；当冬至时，反射聚光镜主轴面的定位角处于D(1),其所允许的太阳的赤纬角的变化区间为[P(1),Q(1)],其中，P(1)≈－23.45°,Q(1)>－23.45°；当夏至时,反射聚光镜主轴面的定位角处于D(N),其所允许的太阳的赤纬角的变化区间为[P(N),Q(N)],其中，Q(N)≈23.45°；

以冬至时P(1)或夏至时Q(N)为初始值，通过求解下述方程(3)－(10)就可以确定反射聚光镜主轴面的第j定位角D(j)及其对应的[P(j),Q(j)],由天文和地理常识确定所述太阳赤纬角等于P(j)和,Q(j)时所对应的日期，并在所述日期调节反射聚光镜的主轴面的定位角为D(j)：

Q(j)＝P(j+1)j＝1,2,3,……,N (3)

Δγ_Q(j)＝Δγ_p(j+1) (4)

如果P(j)>0，且Q(j)>0,则：

D(j)+Γ＝Q(j)+Δγ_Q(j)+δ₁ (5)

D(j)－Γ＝P(j)－δ₂ (6)

如果P(j)<0，且Q(j)<0,则：

D(j)－Γ＝P(j)－Δγ_p(j)－δ₁ (7)

D(j)+Γ＝Q(j)+δ₂ (8)

如果P(j)<0，且Q(j)>0,则：

D(j)+Γ＝Q(j)+Δγ_Q(j)+δ₁ (9)

D(j)－Γ＝P(j)－Δγ_p(j)－δ₁ (10)

其中Δγ_p(j)为当太阳的赤纬角θ＝P(j)时太阳的张角γ在每天最小全聚光时间ΔT内的变化幅度，Δγ_Q(j)为当太阳的赤纬角θ＝Q(j)时太阳的张角γ在每天最小全聚光时间ΔT内的变化幅度，Δγ_p(j)和Δγ_Q(j)是绝对值，δ1是当t＝12±(ΔT/2)，系统所留有的富余量，δ2是正午时系统所留有的富余量，δ1、δ2可以和j有关，也可以和j无关，其大小根据实际需求决定。

28.根据权利要求27所述的太阳能聚光方法，其特征在于：所述太阳的张角γ在每天最小全聚光时间ΔT内的变化幅度Δγ_p(j)、Δγ_Q(j)由如下公式：

确定，

其中，

为太阳的方位角，其定义为从太阳向赤道坐标系xOy平面做一条垂线，垂足为A，OA与x轴的夹角；θ为太阳的赤纬角；t为地方时，中午十二点时，φ＝0。

29.根据权利要求27所述的太阳能聚光方法，其特征在于：当所述每天最小全聚光时间ΔT为5小时以及所述最大全聚光角度Γ为5.7°时，在1月29日、2月18日、3月10日、4月1日、4月21日、5月13日、8月1日、8月22日、9月12日、10月5日、10月25日、11月14日调整所述反射聚光镜主轴面与赤道面之间的夹角；

其中，在5月13日至8月1日期间反射聚光镜主轴面与赤道面之间的夹角为23.2°，太阳赤纬角的变化范围为[18.1°，23.45°]；

在4月21日至5月13日和8月1日至8月22日期间反射聚光镜主轴面与赤道面之间的夹角为16.9°，太阳赤纬角的变化范围为[11.8°，18.1°]；

在4月1日至4月21日和8月22日至9月12日期间反射聚光镜主轴面与赤道面之间的夹角为9.3°，太阳赤纬角的变化范围为[4.3°，11.8°]；

在3月10日至4月1日和9月12日至10月5日期间反射聚光镜主轴面与赤道面之间的夹角为0°，太阳赤纬角的变化范围为[-4.3°，4.3°]；

在2月18日至3月10日和10月5日至10月25日期间反射聚光镜主轴面与赤道面之间的夹角为-9.3°，太阳赤纬角的变化范围为[-11.8°，-4.3°]；

在1月29日至2月18日和10月25日至11月14日期间反射聚光镜主轴面与赤道面之间的夹角为-16.9°，太阳赤纬角的变化范围为[-18.1°，-11.8°]；

在11月14日至1月29日期间反射聚光镜主轴面与赤道面之间的夹角为-23.2°，太阳赤纬角的变化范围为[-23.45°，-18.1°]。

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