CN2478035Y - 太阳光收集装置 - Google Patents

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Abstract

太阳光收集装置是设计一套光学系统、传动系统和跟踪控制系统,将太阳光会聚后传送到室内,进行开发和利用。其特征是定日镜(12)接收太阳光并反射到聚光镜(2)上,光束聚焦后经准直镜(3)反射出准直光束,由反光镜A(4)和反光镜B(17)改变光束的传送方向。本实用新型经过多年研究和模拟实验,跟踪系统简单可靠,传动部分稳定,可以安装在各类建筑物上,特别是北方地区的居民住宅上,使没有自然光照的房间充满阳光,或将其高密度的光能用于理疗和加热等。本装置的定日镜为0.9×0.7m2,会聚后的光斑直径为50mm。

Description

太阳光收集装置
本实用新型涉及一种太阳光收集装置，具体说是设计一套光学系统、传动系统和跟综控制系统，将太阳光会聚后传送到室内，对太阳能进行开发和利用。
随着人们环保意识的增强，开发和利用新能源已成为日益迫切的问题。太阳能是一种取之不尽的绿色环保能源，太阳能的开发和利用已经倾注众多工程技术人员的心血，主要集中在太阳能发电和加热两方面，许多发明创造已经广泛用于国防和人民生活中。但是高效远距离将太阳光能传送到需要自然光照的地方，再形成散射或光束放大，如住宅楼房的北面、客厅、地下室以及光线无法射入的地方，并将其高密度的光能用于光照、理疗、室内日光浴和加热等，这样的装置尚未面市。
本实用新型的发明目的是设计一套太阳光收集装置，并将太阳光能传输到室内，开辟太阳能利用新领域。
本实用新型的技术方案是：由定日镜、聚光镜、准直镜和多面反光镜组成的跟踪接收系统。其定日镜自动跟踪太阳，接收太阳光并反射到聚光镜上会聚后，经过准直镜反射出平行光束，再经多面反光镜改变光路方向，将能流密度很高的光束传送到所需要的地方。由多组这样的光学装置拼装构成更大面积的准直光束，采集更大的太阳光能。定日镜是一面很大的或多组的高反射率的平面反光镜，可以绕镜面中心作东西方向偏转和南北方向偏转，每天跟踪太阳的运行。这是由安装在定日镜背面的两套机械传动系统来完成，直流减速电机由控制电路根据日照的情况自动控制。它由电源电路、太阳光捕捉电路、跟踪电路以及限位电路等构成，包括四限性硅光电池接收器和带狭缝的光电对准器、门电路、开关放大器、继电器和行程开关等器件。多组装置可采用一个控制系统。
传动调节系统中，定日镜的转动中心为一球形万向转动轴，另一端固定在壳体上。定日镜偏转机构由固定在壳体上的电机轴上的传动齿轮带动调节齿杆作上下运动，使镜面作东西向和南北向的偏转。而齿杆与镜面接触的一端为球体，该球体是与固定在镜面背面的圆弧形凹槽配装，当齿杆上下运动时，球体同时沿转动中心滑动。两个方向的导槽沿转动中心方向安放，且相互垂直。
本实用新型经过多年研究和摸拟实验，跟踪系统简单可靠，传动部分稳定，可以安装在各类建筑物上，特别是北方地区的居民住宅中，使没有自然光照的房间充满阳光，或将其高密度的光能用于理疗和加热等。据资料报导，每平方米平面反射镜反射的太阳光能的亮度相当于4个1000W白炽灯泡的亮度，本装置的定日镜设计为0.9×0.7m2，会聚后的光斑直径为50mm。
下面结合附图对本实用新型作进一步叙述。
图1为本实用新型结构剖面示意图，图2为图1的A向视图，图3为定日镜传动支点方位设计示意图，图4为图3的BB剖面示意图，图5为调节齿杆传动装置结构示意图，图6为图5的CC剖面图，图7为跟踪控制电路原理简图，图8为东西向转动的返回电路图，图9为南北向转动的返回电路图，图10为电源电路图。
图中1-玻璃盖板，2-聚光镜，3-准直镜，4-反光镜A，5-狭缝光电对准器，6-壳体，7-南限位开关，8-南北向传动部件，9-控制箱，10-定日镜转动中心及固定支架，11-东西向传动部件，12-定日镜，13-北限位开关，14-太阳光接收器，15-东限位开关，16-电源硅光电池接收器，17-反光镜B，18-西限位开关，19-侧面玻璃挡板，20-定日镜架，21-南北向转动装置的滑动部件，22-东西向转动装置的滑动部件，23-准直镜固定支架，24-调节齿杆，25-限位块，26-齿轮，27-电机座，28、29-电机。
由图1可见，太阳光以一定的角度入射在定日镜(12)上，这是一面高反射率的大平面反光镜，它将入射光反射到聚光镜(2)上，该镜设计为一大口径的菲尼尔反射镜，它将光束聚焦到准直镜(3)上，使聚光镜(2)的焦点与准直镜(3)的焦点重合，这样从准直镜反射后的光束为准直光束，光束截面大大缩小。准直镜(3)是一非球面的凸面反射镜，通过其固定支架(23)，穿过定日镜和其安装架(20)的中心，与定日镜转动中心及固定支架(10)上的球体连接。准直光束经平面反光镜A(4)和平面反光镜B(17)等，改变传播方向，见图2所示。这样将接收到的太阳光会聚为光束截面积较小，但能流密度很大的光束传输到所需要的地方，以便开发和利用。
安装反光镜A(4)的支架穿过聚光镜(2)中心通孔与壳体(6)连接。狭缝光电对准器(5)是两组由柱面聚光镜和在其焦面上安置一条具有一定宽度的狭缝以及光电接收器件构成，两组分别安放在相互垂直的方向上，分别对应东西方向和南北方向。也就是说当定日镜的偏转角度调节好后，反射的太阳光束正好落在聚光镜(2)的中心，这时为对准状态，光电接收器件有信号输出。但由于太阳是运动的，光束偏离狭缝，没有信号输出。该装置安装在反光镜A(4)支架上，稍偏离聚光镜(2)的中心。
自动跟踪系统就是不断调节定日镜(12)的偏转角度，使其反射后的光束始终落到聚光镜(2)的中心。它的转动中心及固定支架(10)包括安装在定日镜架(20)中心的球体转动座和调节齿杆(24)，杆的一端与球体连接，另一端固定在壳体(6)上，转动时球座转动。定日镜的偏转调节由固定在定日镜架(20)上的两套滑动部件(21、22)和调节齿杆(24)、限位块(25)和电机(28、29)等构成。两套滑动部件的中心线均通过转动中心，且相互垂直；调节齿杆一端的球体与圆柱形滑座配装，它的另一端为齿杆与电机(28、29)转轴上的齿轮(26)齿合传动，使定日镜绕转动中心分别作东西方向和南北方向的偏转；限位块(25)与电机座(27)连接固定，它与调节齿杆(24)为圆弧形的点接触，其中一点为一钢球加弹簧的活动触点。两套调节机构完全相同，显然南北向调节量小，而东西向调节量大。因为根据太阳的运行状况，东西向约134°，南北向约48°，则定日镜的调节角度为东西向67°，南北向为24°，当然各个地方的调节角度是不相同的，且与季节有关。
电机(28、29)选用3W直流减速电机，控制过程是这实现的。由硅光电池组成的四限性差动式太阳光接收器(14)安装在壳体(6)上的玻璃盖扳(1)下，见图2。每天无论太阳在东西向的水平入射角大于10°，南北向的水平入射角在0～90°范围的哪个位置都能接收到太阳光。由图7可见，当有太阳光照射在接收器(14)上时，就产生一个差动电位，经放大器B2输出高电位1给与非门YF1。若定日镜反射的太阳光束没有对准聚光镜(2)的中心，狭缝光电对准器(5)就没有信号输出，也就是放大器B1输出低电位0，这时YF1输入为0、1，输出为1；这样与门Y1输入1、1，输出为1，使开关放大器KG1输出也为高电位1，从而使电机(28)启动运行，调节定日镜的偏转角度，当其反射的光束对准聚光镜(2)时，即狭缝光电对准器(5)有信号输出，经放大器B1输出高电位1。这时YF1输入为1、1，输出为0，而Y1输入0、1，输出为0，电机(28)停止运行。实际上由于太阳不停地运行，所以对准器经常处在不对准状态，电机也在间隙的不停地进行跟踪。间隙时间为东西向15～20秒，跟踪调节2～3秒，南北向25～30秒，跟踪调节3～4秒。而在太阳光弱的阴天或黑夜，B2输出0，B1也谈不上对准问题，始终输出为0，电机不工作。
当白天跟踪到太阳西落时，定日镜碰触西限位开关(18)时，使其闭合，继电器J1接通，触点J1K3闭合，见图8，它的两组常闭触点J1K1打开，两组常开触点J1K2闭合，电机(28)反转，定日镜返回，当其返回到东限位开关(15)的位置时，使其打开，J1K1重新闭合。但由于此时太阳西落进入黑夜，B2根本接收不到阳光KG1输出为0，电机仍不能工作。只有当第二天太阳升起后，才重复上述过程，开始新的一天的跟踪运行。同样，由放大器B3和B2，门电路YF2、Y2，开关放大器KG2、电机(29)、继电器J2、南限位开关(7)和北限位开关(13)组成的南北方向跟踪控制系统的工作原理也是一样的，见图7和图9。显然四个方向的限位开关安装的位置应根据各地区的地理位置不同，计算并调整好，以便全天候跟踪太阳的运行。同样，太阳光接收器的安装位置和角度决定跟踪的准确性。
图10为本装置的太阳能蓄电池组电源电路，由四块串并连接的4W12V硅光电池接收器件(16)和12V蓄电池EL给控制电路供电，以负载RL表之。接收器件(16)安装在壳体(6)上的玻璃盖板(1)下，有光照时，对EL充电。全部控制系统和电源等器件均安放在控制箱(9)内，并固定在壳体(6)上。
为保证光束远距离(30～40米)传送时，光斑偏移不大于100毫米，经计算定日镜跟踪太阳光时每次调整偏转的角度在0.04°以内，东西向每隔15～20秒，南北向每隔25～30秒，调整一次。

Claims (6)

1、一种太阳光收集装置，包括光学接收系统，机械传动系统和电子控制系统，其特征是定日镜(12)接收太阳光并反射到聚光镜(2)上，光束聚焦后经准直镜(3)反射出准直光束，由反光镜A(4)和反光镜B(17)改变光束的传送方向。
2、根据权利要求1所述的太阳光收集装置，其特征是定日镜(12)与定日镜架(20)配装，定日镜的转动中心及固定支架(10)的球座固定在定日镜架(20)的中心，另一端与壳体(6)连接固定。
3、根据权利要求1或2所述的太阳光收集装置，其特征是调节齿杆(24)一端为球体，与固定在定日镜架(20)上的圆柱形滑座酗装，另一端为齿杆与电机(28)转轴上的齿轮(26)齿合传动，限位块(25)与电机座(27)连接，并固定在壳体(6)上；两套调节机构完全相同。
4、根据权利要求1所述的太阳光收集装置，其特征是控制系统的太阳光接收器(14)有光照时，B2输出高电位1；当定日镜(12)反射的太阳光束对准聚光镜(2)的中心时，狭缝光电对准器(5)有信号输出，经B1、YF1、Y1、KG1输出为0，电机(28)停止运行；但当定日镜反射的太阳光束没有对准聚光镜(2)的中心时，狭缝光电对准器(5)就没有信号输出，经B1、YF1、Y1、KG1输出为1，电机(28)启动运行，调整定日镜的偏转角度进行跟踪对准；在太阳光弱的阴天或黑夜，电机不工作；由B2、B3、YF2、Y2、KG2、J2和电机(29)构成另一方向的控制电路作用相同；控制系统的各种器件均安装在控制箱(9)中。
5、根据权利要求1或4所述的太阳光收集装置，其特征是狭缝光电对准器(5)是两组由柱面聚光镜和在其焦面上安放一具有一定宽度的狭缝，以及光电接收器件构成，并安装在反光镜A(4)支架上。
6、根据权利要求1或4所述的太阳光收集装置，其特征是控制系统中设有东限位开关(15)、西限位开关(18)、南限位开关(7)、北限位开关(13)，它们均安装在壳体(6)上的相应方位。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2006017955A1 (fr) * 2004-08-17 2006-02-23 Yaoming Zhang Appareil a miroir detectant la lumiere solaire
CN101111729B (zh) * 2004-11-26 2011-06-15 悉尼大学 太阳能收集系统的反射器和接收器
CN101303152B (zh) * 2007-02-01 2011-11-23 马努埃尔·拉霍尔塔·罗密欧 适用于建筑的具有强制通风系统的热能及光伏板太阳能跟踪装置
CN102566589A (zh) * 2010-12-09 2012-07-11 西安大昱光电科技有限公司 时控单轴跟踪装置

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