專利名稱：地軸式太陽(yáng)爐聚光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能的熱利用技術(shù)，是一種能夠收集太陽(yáng)能的聚光設(shè)備，主 要用于加熱。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的太陽(yáng)爐一般用單個(gè)拋物面反射鏡作為聚光器并通過雙軸驅(qū)動(dòng)跟蹤 太陽(yáng)，始終保證太陽(yáng)光的入射方向與主光軸平行，聚光鏡的焦點(diǎn)隨聚光鏡一起 運(yùn)動(dòng)，接收器放置在聚光鏡的焦點(diǎn)處并隨之運(yùn)動(dòng)，這必然導(dǎo)致接收器對(duì)聚光鏡 的遮擋，影響收集效率。同時(shí)，因接收器隨動(dòng)，受自身重力的限制，太陽(yáng)爐的 規(guī)模一般較小。拋物面鏡本身受到面型加工精度和跟蹤精度的限制，采光面積 過大時(shí)，聚光效果不理想。另外，傳統(tǒng)的聚光設(shè)備采用雙軸跟蹤，控制系統(tǒng)復(fù) 雜，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有的太陽(yáng)爐聚光器因跟蹤方式復(fù)雜，聚光目標(biāo)隨動(dòng)，制造和運(yùn)行成本較 高，本發(fā)明提供一種地軸式太陽(yáng)爐聚光器，該聚光器跟蹤方式簡(jiǎn)單，聚光焦點(diǎn) 不隨聚光器運(yùn)動(dòng)，聚光器的采光口徑可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)，其使用方便且制造 和運(yùn)行成本較低。
本發(fā)明地軸式太陽(yáng)爐聚光器所采用的技術(shù)方案是
一、跟蹤結(jié)構(gòu)方案采用地軸式單軸跟蹤，使用同步電機(jī)(例如步進(jìn)式 電機(jī))驅(qū)動(dòng)聚光鏡使其勻速繞與地軸平行的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度等于太陽(yáng)時(shí) 角的變化(每小時(shí)轉(zhuǎn)過15° );雖然每天赤緯角也在不斷變化，但變化很小(每 24小時(shí)變化約0.06°)，只需對(duì)聚光鏡的傾角(聚光鏡與旋轉(zhuǎn)軸的夾角)進(jìn)行 定期手動(dòng)調(diào)節(jié)，其角度變化等于赤緯角度變化的一半。調(diào)節(jié)的時(shí)間間隔長(zhǎng)短根 據(jù)設(shè)計(jì)需要來定，如果要求聚光精度較高，則間隔不能過長(zhǎng)。 一般生活應(yīng)用中， 7 10天調(diào)節(jié)一次即可。
1、地軸方向的確定根據(jù)地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可知，某地的地軸與地面 的夾角等于當(dāng)?shù)鼐暥龋较蛑赶虮睒O星，利用瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡可精確裝定該旋轉(zhuǎn)軸，
亦可通過觀察日規(guī)針影的指向來粗略確定。
2、傾角的調(diào)節(jié)傾角的大小由赤緯角確定， 一年中赤緯角變化范圍為一
23. 45° 23. 45° ，春秋分日赤緯角為(T，此時(shí)傾角為45°， 一年中傾角變化范 圍為45° ±11. 725°。聚光鏡的零位置設(shè)在傾角為45。處，定期手動(dòng)調(diào)節(jié)傾角以
跟蹤赤緯角的變化。
二、 聚光器面形設(shè)計(jì)方案聚光鏡在跟蹤太陽(yáng)過程中始終能保持陽(yáng)光入射 面與鏡面的子午截面重合，因此面形可以采用能夠?！笶象散的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲 面，例如輪胎面。輪胎面在大視場(chǎng)下仍有高的聚光性能，其制作方法可參照
傳統(tǒng)拋物面，采用胎模法制作。本發(fā)明聚光鏡的特征是聚光鏡面形采用校正
象散的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面，其子午截面與弧矢截面的曲率半徑不等，以輪胎面為 例。聚光鏡材料為鍍鋁玻璃反射鏡，模具采用胎模法制成。對(duì)于采光面積較大 的聚光鏡，鏡面采用很多塊小玻璃反射鏡拼接而成，并在鏡體背面用鋼筋支架 聯(lián)結(jié)，保證鏡體可以折疊。根據(jù)具體應(yīng)用來設(shè)計(jì)輪胎面兩截面曲率半徑的大小。
三、 位置關(guān)系設(shè)計(jì)方案該聚光器可時(shí)刻將太陽(yáng)光會(huì)聚到旋轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線 上的某一固定點(diǎn)，該點(diǎn)位置由所設(shè)計(jì)聚光鏡的焦距f決定。
太陽(yáng)爐的位置可由下式確定
// = Z.sin<P + A， A=/'cos<P， &>￡)/2， 式中，H為太陽(yáng)爐距地面的高度，(D為當(dāng)?shù)責(zé)樁?，^為聚光鏡距地面高度， D為聚光鏡的特征尺寸。根據(jù)太陽(yáng)爐的安裝位置，確定聚光鏡的焦距，從而確 定該消象散曲面的特征參數(shù)。
另外，太陽(yáng)爐和聚光鏡二者的相對(duì)位置可以互換，其跟蹤方式和聚光效果 不變。本發(fā)明的特征是太陽(yáng)爐放置在旋轉(zhuǎn)軸的延長(zhǎng)線上，其高度由聚光鏡焦 距及當(dāng)?shù)鼐暥葲Q定。
本發(fā)明根據(jù)以上結(jié)構(gòu)、形狀、和位置關(guān)系三個(gè)設(shè)計(jì)方案可知，具有以下技 術(shù)特征僅有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸且與地軸平行，用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，聚光鏡的傾角可以手 調(diào)。旋轉(zhuǎn)軸及其驅(qū)動(dòng)箱固定在支架..匕面的工作臺(tái)上，與工作臺(tái)表面嚴(yán)格平行。 工作臺(tái)通過緯度調(diào)節(jié)軸與支架相連，通過調(diào)節(jié)使工作臺(tái)表面與地面的夾角等于 當(dāng)?shù)鼐暥龋缓蠊潭üぷ髋_(tái)。支架垂直于底座并可相對(duì)底座轉(zhuǎn)動(dòng)，利用瞄準(zhǔn)望
遠(yuǎn)鏡找到地軸的準(zhǔn)確方向，最后將支架固定在底座上。底座與大地固聯(lián)，保證 在大風(fēng)天氣仍固定不動(dòng)。驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸與夾持聚 光鏡的橫梁固聯(lián)，驅(qū)動(dòng)聚光鏡跟蹤太陽(yáng)時(shí)角。橫梁上設(shè)傾角調(diào)節(jié)軸和傾角刻度
盤，并由諱度調(diào)節(jié)旋鈕固定，可定期(-般7 10天)調(diào)節(jié)聚光鏡的傾角，跟 蹤赤緯角的變化。驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)設(shè)有離合器，以保證早晨時(shí)將聚光鏡調(diào)回起始位置， 驅(qū)動(dòng)箱前面設(shè)有旋轉(zhuǎn)角度刻度盤。
本發(fā)明的有益效果是
第一、使用單軸跟蹤，控制簡(jiǎn)單，成本較低，能達(dá)到較高的跟蹤精度；
第二、聚光鏡跟蹤太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其焦點(diǎn)固定不動(dòng)，有利于太陽(yáng)能的采集， 有利于增大太陽(yáng)爐的規(guī)模，驅(qū)動(dòng)裝置不受太陽(yáng)爐重力影響
第三、爐體不會(huì)對(duì)聚光鏡形成遮擋，使聚光鏡有較高的利用效率
第四、鏡面采用可以校正象散的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面，而不采用球面或拋物面， 大大提高了聚光性能，而其制造方法與拋物面相似，容易加工制作
第五、鏡面采用很多塊小的鍍鋁玻璃反射鏡拼接而成，可以折疊，有利于 鏡體的保養(yǎng)，延長(zhǎng)鏡體使用壽命，且易于制造及運(yùn)輸；
第六、該太陽(yáng)爐可以用于人們生活的所需(如開水，暖氣，空調(diào)等)，如果 加二次聚光鏡，可以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)所要求的溫度(如工業(yè)制氫等)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)-'步說明。
圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，也為摘要附圖。
圖2為本發(fā)明的側(cè)面視圖。
圖3為本發(fā)明的背面視圖。
圖中太陽(yáng)爐1，聚光鏡2，驅(qū)動(dòng)箱3，旋轉(zhuǎn)軸4，赤緯軸5，支架6，底 座7，緯度調(diào)節(jié)旋鈕8，傾角刻度盤9，旋轉(zhuǎn)角度刻度盤IO，工作臺(tái)ll,電機(jī) 12，離合器13;
具體實(shí)施例方式
根據(jù)具體應(yīng)用情況，按照附圖l、 2、 3，設(shè)計(jì)并制作聚光鏡，然后進(jìn)行安
裝、調(diào)試。
1、 輪胎面的制作輪胎面是一種特殊柱面，制作方法與旋轉(zhuǎn)拋物面相似， 首先根據(jù)所設(shè)計(jì)輪胎面的曲面公式，制作輪胎面刮板曲線，然后利用刮板制作 胎模。輪胎面的刮板沿固定軌道運(yùn)動(dòng)以制作凸模，該軌道為一段圓弧，其曲率 與輪胎面弧矢截面圓弧的曲率相等。利用制好的凸模制作聚光鏡，對(duì)于面積較 大的聚光鏡，采用分塊的制作方法，并在鏡體背面用鋼筋支架將每一小塊連接 成整體，鏡體可以拆卸、折疊，便于運(yùn)輸和使用。聚光鏡2的采光口徑可根據(jù) 實(shí)際需要設(shè)計(jì)在lm 10m之間，本實(shí)施例制作口徑2m的聚光鏡。
2、 聚光鏡的安裝和調(diào)試將電機(jī)12和旋轉(zhuǎn)軸4固定到工作臺(tái)11上，將工 作臺(tái)11安置在支架6上，調(diào)節(jié)旋鈕8，使旋轉(zhuǎn)軸與地面夾角等于當(dāng)?shù)鼐暥?，?后固定；轉(zhuǎn)動(dòng)支架6，利用瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡確定旋轉(zhuǎn)軸的方向，使其與地軸方向平 行，然后固定；旋轉(zhuǎn)軸4與聚光鏡2固聯(lián)，電機(jī)12驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸4并帶動(dòng)整個(gè) 聚光鏡2轉(zhuǎn)動(dòng)以跟蹤太陽(yáng)，通過旋轉(zhuǎn)角度刻度盤10調(diào)整聚光鏡2的旋轉(zhuǎn)初始 位置，在跟蹤過程中，可以監(jiān)視聚光鏡跟蹤太陽(yáng)的情況；定期手動(dòng)調(diào)節(jié)赤緯軸 5，使聚光鏡的傾角變化等于赤緯角度變化的一半，利用緯度調(diào)節(jié)旋鈕8和傾 角刻度盤9將聚光鏡2精確定位，由于赤緯角一天內(nèi)變化甚微，因此只需定期 調(diào)整， 一般每隔7 10天調(diào)整--次。
權(quán)利要求
1、地軸式太陽(yáng)爐聚光器，包括太陽(yáng)爐、聚光鏡、旋轉(zhuǎn)軸、支架和底座，其特征是地軸式太陽(yáng)爐聚光器包括太陽(yáng)爐(1)、聚光鏡(2)、驅(qū)動(dòng)箱(3)、旋轉(zhuǎn)軸(4)、赤緯軸(5)、支架(6)、底座(7)、緯度調(diào)節(jié)旋鈕(8)、傾角刻度盤(9)、旋轉(zhuǎn)角度刻度盤(10)，工作臺(tái)(11)、電機(jī)(12)、離合器(13)；各部件安裝位置及連接關(guān)系太陽(yáng)爐(1)放置在聚光鏡(2)的焦點(diǎn)處，既在旋轉(zhuǎn)軸(4)的延長(zhǎng)線上，其高度由聚光鏡(2)的焦距及當(dāng)?shù)鼐暥葲Q定；旋轉(zhuǎn)軸(4)固定到驅(qū)動(dòng)箱(3)上，將驅(qū)動(dòng)箱(3)安置在支架(6)上，支架(6)垂直于底座(7)并可相對(duì)底座轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)箱(3)內(nèi)安裝電機(jī)(12)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸(4)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸(4)上的緯度調(diào)節(jié)旋鈕(8)，使旋轉(zhuǎn)軸(4)與地面夾角等于當(dāng)?shù)鼐暥?，然后固定；轉(zhuǎn)動(dòng)支架(6)，使旋轉(zhuǎn)軸(4)的方向與地軸方向平行，然后固定；通過旋轉(zhuǎn)角度刻度盤(10)調(diào)整聚光鏡的旋轉(zhuǎn)初始位置，在跟蹤過程中，定期調(diào)節(jié)赤緯軸(5)，利用傾角刻度盤(9)將聚光鏡精確定位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地軸式太陽(yáng)爐聚光器，其特征是為了提高聚光 性能聚光鏡(2)面形采用消象散曲面，設(shè)計(jì)采光面積較大時(shí)，鏡體使用小塊 反射鏡拼接而成，背面用鋼筋支架固定，并且鏡體可以折疊。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地軸式太陽(yáng)爐聚光器，其特征是旋轉(zhuǎn)軸(4) 與地軸平行，僅需單軸驅(qū)動(dòng)聚光鏡(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，爐體位置固定不動(dòng)；旋轉(zhuǎn)軸(4)采 用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，勻速跟蹤太陽(yáng)時(shí)角定期手動(dòng)調(diào)節(jié)聚光鏡與旋轉(zhuǎn)軸間夾角， 使聚光鏡的傾角變化等于赤緯角度變化的一半。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地軸式太陽(yáng)爐聚光器，其特征是聚光鏡(2) 的初始位置設(shè)置在傾角為45°處。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地軸式太陽(yáng)爐聚光器，其特征是太陽(yáng)爐(l)和聚 光鏡(2)二者的相對(duì)位置可以互換，其跟蹤方式和聚光效果不變。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地軸式太陽(yáng)爐聚光器，其特征是驅(qū)動(dòng)箱(3)內(nèi)設(shè) 有可以在早晨將聚光鏡(2)調(diào)回起始位置的離合器(13)。
全文摘要
一種地軸式太陽(yáng)爐聚光器，它屬于太陽(yáng)能的熱利用領(lǐng)域。該太陽(yáng)爐聚光器采用地軸式單軸跟蹤，保證在跟蹤太陽(yáng)過程中將陽(yáng)光會(huì)聚到地軸延長(zhǎng)線上固定一點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)聚光器跟蹤方式復(fù)雜、聚光目標(biāo)隨動(dòng)的缺陷。該聚光器旋轉(zhuǎn)軸由同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)時(shí)角；聚光鏡與轉(zhuǎn)軸成45°處為其零位置，定期調(diào)節(jié)聚光鏡的傾角，其角度變化等于赤緯角度變化的一半。聚光鏡面形采用可以校正象散的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面，例如輪胎面，具有比球面、拋物面都較高的聚光性能，其制造方法與拋物面相似。該聚光器可以用于人們的生活所需，如開水，暖氣，空調(diào)等，在使用二次聚光器的情況下，可以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)所需的高溫，如太陽(yáng)能制氫。
文檔編號(hào)F24J2/06GK101109581SQ20061001703
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者盧振武, 魏秀東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所