CN2596276Y - 向日葵全天候集热装置 - Google Patents

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Abstract

向日葵全天候集热装置是利用太阳直射辐射强度来制导反射器对太阳跟踪的全天候集热装置，不附加任何其它能源，结构简单，也适用于运动装置。反射器与执行器之齿轮轴套相固定，该组件套在吸收器的回水管上，再用齿条柄末端的螺纹与调控器的传动隔板连接，传感器的导热杆与调控器的外套连接，接触其内的导热硅脂，对记忆弹簧加热，记忆弹簧的形变使齿条平移，执行器的齿轮轴套与齿条啮合，驱使反射器绕吸收器纵轴(回水管)转动，实现对太阳跟踪。补偿记忆弹簧减小环境温差引起的偶然误差；预置器消除季节带来的系统误差；阻尼器用以提高反射器的抗风振能力。

Description

向日葵全天候集热装置
(一)技术领域
本实用新型涉及一种对太阳的直射辐射自动跟踪的集热装置。
(二)背景技术
传统的跟踪器主要是机械定时装置或传感器采集→伺服器进行信息处理→驱动执行器。因前者随机性差，后者需供电。而且结构都较复杂，极少用于太阳能热水器。
当前科技的发展，形状记忆材料已不仅仅限于金属材质，还开发出陶瓷、聚合物等能记忆形状的材料，诱发其记忆响应的刺激也多样化，有热致效应、光致效应、场致效应、化学效应等。为简单、实用的太阳跟踪器的实现奠定了坚实的物质基础。
(三)发明内容
本实用新型的目的是提供一种不附加任何其它能源，结构简单，利用太阳的直射辐射强度来制导反射器，类似向日葵对太阳跟踪的全天候集热装置，从而吸收率更高，也适用于运动装置上。
顾名思义，称之谓向日葵全天候集热装置。
所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：反射器与执行器之齿轮轴套相固定，反射器顶部的滑块和支架上的双轨滑道构成阻尼器，齿轮轴套和反射器的组件套在吸收器的回水管上，轮齿与条齿啮合组成的执行器通过齿条柄末端的螺纹与调控器的传动隔板连接，传感器的导热杆插入调控器外套内，形成一个完整的自动跟踪系统。
所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：反射器用螺钉固定在双层棘齿齿轮轴套的顶端，上齿轮有轴套，下齿轮有中心孔，两者叠放后，由螺钉紧固，安装后，双层棘齿的倒向相同。
所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：齿轮轴套和反射器的组件套在吸收器的回水管上，相互为动配合，在回水管插入齿轮套轴后，将齿轮套轴两端的挡圈用顶丝锁定。
所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：在齿轮轴套左、右侧分别对称安置前推齿条和后拉齿条，齿条分别扣在齿轮的上、下两层处，齿条柄为末端有螺纹的圆柱体，齿条柄插入齿条孔后，用顶丝固定。两齿条棘齿倒向相反，反向安装，其棘齿与齿轮的棘齿倒向正相对应。
所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：调控器的传动隔板中心螺孔拧上齿条柄，偏置弹簧、记忆弹簧分别在传动隔板两侧，补偿记忆弹簧穿在记忆弹簧的工字基座内，被分隔在外套隔板的另一侧，补偿偏置弹簧在工字基座之外。调控器的外套前端的张簧保证齿条与齿轮啮合可靠，后端穿轴与支架固定。
所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：传感器的凸透镜由环箍与风罩固定，焊接在聚焦板上的导热杆在穿过调控器外套时，与之固定，并接触其内的导热硅脂，对记忆弹簧加热，聚焦板、导热杆均采用导热率高的材料制作，调控器外套用隔热的尼龙制作。
所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：预置器是由径向固定在齿轮侧的拨杆和独立的偏置结构组成，偏置机构的滑动杆顶在拨杆上。
所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：阻尼器是一个半圆周双轨滑道，其半径为反射器顶端中点到出水管垂线的距离，固定在支架上，反射器顶端中点有一个滑块，卡在滑道内滑行。
(四)附图说明
《图1》是球面反射器示意图；
《图2》是跟踪吸收体示意图；
《图3》是多次反射区示意图；
《图4》是记忆性合金偏置机构工作原理示意图；
《图5》是偏置机构位移与载荷关系曲线图；
其中：纵轴-荷载；横轴-位移；④偏置弹簧；⑤记忆弹簧；
      T1-低温；T2-高温；
《图6》是跟踪系统示意图；
《图7》是传感器主视图；
《图8》是传感器左视图；
《图9》是执行器B′-B′剖视图；
《图10》是执行器右视图(时角0°)；
《图11》是调控器A′-A′剖视图；
《图12》是《图13》中I(前端张簧)的示意图；
《图13》是调控器主视图(时角0°)；
《图14》是预置器示意图。
《图6》～《图14》中图符：
A-回水管；B-反射器；C-支架；D-传感器；E-执行器；F-调控器；
G-阻尼器；H-预置器；
凸透镜D1；环箍D2；风罩D3 ；聚集板D4；导热杆D5；
齿条柄E1；顶丝E2；前推齿条E3；上齿轮E41；齿轮轴套E42；后拉齿条E5；下齿轮E6；上挡圈E7；发条E8；下挡圈F9；
前堵F1；外套F21；外套隔板F22；偏置弹簧F3；传动隔板F4；记忆弹簧F5；补偿记忆弹簧F6；工字基座F7；补偿偏置弹簧F8；穿钉F91；垫圈F92；直圆柱弹簧F93；后堵F10；导热硅脂F11；
双轨滑道G1；弯角G2；滑块G3。
预置器H；拨动杆H1；滑动杆H2；记忆弹簧H3；偏置弹簧H4；
(五)具体实施方式
通常反射器(又称聚集器)的作用是：拦截吸收器投影面以外的一部份太阳直射，再聚集、反射给吸收器的背光面，相当于增大了吸收器的投射辐射接收面积。本身的面积远大于吸收器的截面积，显见，反射器使得收集辐射的面积比独立吸收器的表面积增大了许多。
阳光投射的时角和高度角随时刻、季节、纬度不断地变化。实时地取得最佳收集效果，反射器应该具有跟踪能力。运动总是相对的，跟踪不一定非要吸收面或反射器主动。本人已在“昼夜辐射能换热高效热存积装置”和“全天候集热装置”中，对吸收器采取了以静制动的措施：
1.球形集热器可做到全方位吸收面积恒为球体的正截面积。而平板真空管集热器，吸收器的受光面积随太阳方位角(时角)和俯仰角(高度角)变化，当入射光与平板法线垂直时，受光面积(投影面积)为零。
2.令集热器的体积足够大，焦斑足够小，既使在集热器表面成像散焦时，焦斑的边缘也不会超出集热器的表面。
3.由于成像聚焦，只要保证反射器面积就可以达到要求的投射辐射收集功率，吸收器可相对做小，从而可减轻自重，降低成本。当然，在夜间反射器作用不大时，吸收器的表面积大小是确保对漫射吸收量的前提。
根据反射器的光路分析(反射器焦斑轨迹如《图1》～《图3》)，表明在一天中，能够将入射光反射到一条线上，而不是一个焦点。因不同时角的阳光入射角度不同，会聚的线则是通过球面几何中心而与此时入射阳光平行的一根半径，只有弧面几何中心与此时入射阳光同向，这线才是几何中心轴的一段。要在全天时角都获得最好的聚光效果，就需要时角跟踪，这条线摆动形成一个扇形平。再考虑到太阳高度角的影响，这个扇形平面必须旋转形成一个圆锥台面。也就是说，吸收器做成圆锥台，没有跟踪，聚集的能量也不会损失。
仅对于吸收器直射接收，球形完全可以做到全方位。但是，反射器不跟踪太阳，此反射器除了摆放角度处，其它时刻的作用将减小，在拂晓和傍晚则情同虚设。
采用传统方式的跟踪系统，既复杂，成本又高。受仿生学的启发，向日葵通过光化学效应，植物纤维便产生应力形变，使得花盘始终朝阳。
假“向日葵”其名，符太阳光制导之实。光制导基于综合利用光热效应和物体的形状记忆特性，即将光照度的变化转化为物体的形状变化，也可以说是光能与机械能的转换。以下结合附图具体说明。
凸透镜D1方向固定于朝南偏东10°，凌晨(时角0°)反射器B初态正对旭日，但是，透镜卸是侧光投射，焦斑温度很低。随太阳时角增大，入射角(入射光与凸透镜几何中心线之夹角)变小，投射光逐渐加强，焦斑温度也逐渐升高，正午(时角90°)投射最强，焦斑的温度也最高。作为形状记忆零件的热源温度，使对应的变形量最大。午后则相反。为了保证焦斑温度准确的传递到调控器F，导热杆D5必须保温，在其外套泡沫绝热管。
形状记忆零件采用形状记忆性材料，经双程形状记忆性的“约束”或“训练”处理，使该零件在升温和降温发生可逆形状变化时，可以记忆高、低温两状态的形状。其工作温度取决于处理工艺。例如Ti-Ni记忆合金棒料：直径为φ6.8～7.8mm，恢复温度在32±2℃，水平恢复力在7～18kg。记忆性合金偏置机构具体零件作成弹簧形状如《图4》，低温为压缩状态，高温为张弛状态，其位移与荷载曲线如《图5》。
从《图7》～《图14》可以清楚地演绎出工作运行的全部流程。
反射器B的转动靠传动机构执行。传动机构由齿轮、齿条和偏置机构组成，主动的齿条靠记忆弹簧的压缩与张弛推动平移滑动，其平移范围取决于高低温状态的形位差。齿轮轴套E42套在集热器回水管A外，以回水管A为轴，反射器B固定在齿轮轴套E42上。当齿轮转动时，反射器B随之转动。因为反射器B绕转动轴旋转，吸收器并不动，也就是焦点不动，反射器B旋转抛物面的顶点运动轨迹是以焦点为圆心的圆周，无需整个机座转动。切记！反射器B运转规律要求日出朝东，日没朝西，日复一日，往复循环。而齿条只有伸缩运动，并且是上午伸，下午缩。
为满足原始条件时，完成循环动作，执行器E设计如下(见《图9》、《图10》)：
1.齿轮、齿条均为棘形齿，前推齿条E3在左侧，作用为将齿轮齿向右推；后拉齿条E5在右侧，作用为将齿轮齿向右拉。齿条有一根长度可调节的圆柱齿条柄。齿轮分为双层，上齿轮E41与下齿轮E6齿角度各占90°，上齿轮E41齿的位置比下齿轮E6齿延后90°。
2.当前推齿条E3推进时，与上齿轮E41啮合，齿轮顺时针转动。当前推齿条E3推到其尽头(正午)，该齿条伸到最长，齿条跟搭到齿顶高的光滑弧面上。此同时，后拉齿条E5也伸到最长，该齿条跟与下齿轮E6第一齿挂上，齿条收缩过程中，拉动齿轮轴套E42继续顺时针旋转，当其齿条拉到其尽头(傍晚)，齿条缩至最短，齿条尖也脱离齿轮。
3.在齿轮底部装有发条E8，当后拉齿条E5脱开齿轮时，此状态前推齿条E3也已缩至最短，齿条全部脱离齿轮，不会阻挡齿轮逆转，发条回返力迫使齿轮逆时针倒转复位。复位后，前推齿条E3落下，对正齿轮的第一齿，后拉齿条E5搭在光滑弧面上，处于明天重复工作的预备状态。
此机构虽然基本动作完成无误，但是，其结果并不一定是太阳的实际方向，焦斑温度类似电子学中的“悬浮电位”，是一个相对值，而不是绝对值。特别是气候、季节和纬度引起太阳照度差异很大，真实性和准确度还需采取进一步措施来保障。核心是补偿弹簧组(见《图11》～《图13》)的作用。
4.齿条的伸长度是焦斑的温度决定的，那麽首先必须使凸透镜焦斑的温度符合记忆合金的恢复温度要求，同时伸长率与齿轮转动角度的曲线应与时角与照度的曲线相吻合。这就是选择记忆合金的条件。
5.太阳光是不可调的，焦斑的温度只好通过调节焦斑的能量密度来调节，即预调整凸透镜D1在风罩D3的高度，以改变与焦平面的距离，人为控制在聚焦板D4上散焦的程度。
6.“悬浮”是真实性的关键，从两方面考虑：
(1)季节不同，太阳高度角不同引起白天与黑夜长短不同，表现为有效时角范围不同，对应为记忆弹簧F5的长度变化动态范围不同，此系统误差由调节齿轮牙数不难解决。即增加一个预置器H(独立的偏置机构，见《图14》)，自动改变齿轮组的初始角度。该预置器H的滑动杆H2从记忆弹簧伸出。例如在冬季，偏置机构H的记忆弹簧H3收缩，其滑动杆H2因记忆弹簧H3缩短，偏置弹簧H4伸长而伸长，拨杆H1(径向固定在齿轮侧)被推动，使齿轮顺时针转动一个初始角度。前推齿条E3前端一开始就搭到齿轮牙的一部分(并非齿轮牙的始端)。到正午时，后拉齿条E5达到一定长度(小于最大长度)，其齿跟牙搭到下层齿轮始端牙。因为冬季天短，傍晚来的早，即降温快，后拉齿条E5缩到最短状态时，齿轮牙并没有转到头，可见，推、拉都只用了齿轮牙的一部分，自然反射器旋转角度小于180°。在夏季，记忆弹簧H3伸长，滑动杆H2因记忆弹簧H3伸长，偏置弹簧H4缩短而缩短，齿轮由发条E8回弹而逆时针转回基准角度(0°)，拨杆H1也随之转到该方位。于是反射器旋转角度等于180°。
由于拨杆H1长度比齿轮直径大不了多少，齿轮的扭转力矩会使偏置弹簧H4受压回缩。根据力学原理，令滑动杆H2轴与拨杆H1轴夹角≯30°，确保滑动杆H2轻松地推动拨杆H1，而拨杆H1压不动滑动杆H2。
(2)季节不同，环境温度有随机漂移，太阳时角的焦斑温度同样有差异，造成记忆弹簧F5的温差不同，由此带来偶然误差。调控器F便应此而设(见《图11》～《图13》)。补偿记忆弹簧F6的作用是自动调零。例如夏季环境温度高，补偿记忆弹簧F6和记忆弹簧F5同时产生相同的基础伸长，记忆弹簧的工字基座F7因补偿记忆弹簧F6伸长带来的后移，正好抵消了此刻环境温度引起传动隔板F4的前移。
调控器F中的四条弹簧如果弹性系数相同，在记忆弹簧F5伸长时，双向挤压，显然补偿弹簧的被压缩量减少了偏置弹簧F3的应有变化量，招致反射器B跟踪误差。因此，四条弹簧的弹性系数应保证如下关系：
偏置弹簧F3∶记忆弹簧F5∶(补偿记忆弹簧F6与补偿偏置弹簧F8)＝1∶2∶8
调配主要利用弹簧线径、匝数和螺距(匝距)。因为记忆性材料的可选择性很小，弹簧螺旋直径不同使结构工艺复杂。
无论预置或补偿都是根据使用地区纬度，在设计和出厂前调整好的，切忌用户改动。
本装置工作于室外全天候环境，反射器B面积较大，稳定结构至少应有三个支点。如果只靠齿轮轴套固定(下部一点)，很难抵御风振，为此必须增设一个消振装置，用于阻尼反射器的风振抖晃。
7.阻尼器G是一个半圆周双轨滑道(见《图6》)，其半径为反射器B顶端中点到回水管A延长线的垂线的距离，固定在支架C上，反射器B顶端有一个滑块G3，卡在滑道G1内。滑块G3锁紧适当，使齿条推拉反射器B的扭转力矩大于克服静摩擦的临界值。一方面，因为齿条长度不变(不推、不拉)时，卡住齿轮，风吹不动反射器B的水平角。另一方面，滑道卡住反射器B顶端的滑块G3，风吹也改变不了反射器B的俯仰角，至少已有两点支撑，从而对风荷载有较强的阻尼能力。

Claims (8)

1.一种向日葵全天候集热装置，其特征是：反射器与执行器之齿轮轴套相固定，其顶部的滑块和支架上的双轨滑道构成阻尼器，齿轮轴套和反射器的组件套在吸收器的回水管上，轮齿与条齿啮合组成的执行器通过齿条柄末端的螺纹与调控器的传动隔板连接，传感器的导热杆插入调控器外套，形成一个完整的自动跟踪系统。
2.根据权利要求1所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：反射器用螺钉固定在双层棘齿齿轮轴套的顶端，上齿轮有轴套，下齿轮有中心孔，两者叠放后，由螺钉紧固，安装后，双层棘齿的倒向相同。
3.根据权利要求1所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：齿轮轴套和反射器的组件套在吸收器的回水管上，相互为动配合，在回水管插入齿轮轴套后，将齿轮轴套两端的挡圈用顶丝锁定。
4.根据权利要求1所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：在齿轮轴套左、右侧分别对称安置前推齿条和后拉齿条，齿条分别扣在齿轮的上、下两层处，齿条柄为末端有螺纹的圆柱体，齿条柄插入齿条孔后，用顶丝固定，两齿条倒向相反，反向安装，其棘齿与齿轮的棘齿正相对应。
5.根据权利要求1所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：调控器的传动隔板中心螺孔拧上齿条柄，记忆弹簧、偏置弹簧分别在传动隔板两侧，补偿记忆弹簧穿在记忆弹簧的工字基座内，被分隔在外套隔板的另一侧，补偿偏置弹簧在工字基座之外，调控器的外套前端有张簧，后端穿轴与支架固定。
6.根据权利要求1所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：传感器的凸透镜由环箍与风罩固定，焊接在聚焦板上的导热杆穿过调控器外套时，与之固定，并接触其内的导热硅脂，聚焦板、导热杆均采用导热率高的材料制作，调控器外套用隔热的尼龙制作。
7.根据权利要求1所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：预置器是由径向固定在齿轮侧的拨杆和独立的偏置结构组成，偏置机构的滑动杆顶在拨杆上。
8.根据权利要求1所述的向日葵全天候集热装置，其特征是：阻尼器是一个半圆周双轨滑道，其半径为反射器顶端中点到出水管垂线的距离，固定在支架上，反射器顶端中点有一个滑块。
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