專利名稱：偏置式太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)和硬化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種對利用太陽能聚光能量對沙漠表面進行硬化的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太陽能是一種清潔無污染的可再生能源，取之不盡，用之不竭，充分開發(fā)利用太陽能不僅可以節(jié)約日益枯竭的化石能源，緩解日益嚴峻的資源短缺問題，而且還可以減少碳排放污染，應(yīng)對氣候變化，保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。在我們生存的地球上，存在著大面積的沙漠，因其惡劣的自然環(huán)境，使人類很難在
這些區(qū)域內(nèi)居住和生存。在風(fēng)的作用下，沙漠具有的流動性可以造成周圍地區(qū)的生產(chǎn)生活設(shè)施的破壞，最終導(dǎo)致無法利用，人類的生存空間被沙漠不斷侵蝕。當今，荒漠化也是世界性的公害，全球受到荒漠化危害的陸地面積已達到I / 4，且每年仍以5 7萬平方公里的速度擴展。目前，全球荒漠化面積達到3800萬平方公里，占地球陸地總面積的四分之一，使世界三分之二的國家和五分之一的人口受到其影響。沙塵暴虐，田毀人亡,每年造成的直接經(jīng)濟損失達400多億美元。國家林業(yè)局公布的數(shù)據(jù)表明，我國現(xiàn)有荒漠化土地面積為262. 6萬平方公里，占國土總面積的27. 3%,涉及全國18個省區(qū)的471個縣，影響著近4億人口的生產(chǎn)和生活，每年由沙化造成的直接經(jīng)濟損失超過540億元人民幣?；哪殉蔀閲乐赝{中華民族生存空間、嚴重制約中國經(jīng)濟社會發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。目前，政府每年要拿出巨額資金用于防沙治沙工程建設(shè)?，F(xiàn)有治沙方法主要包括工程治沙和植物治沙兩大類。所謂工程治沙是用柴、草、粘土、板條、席笆、卵石或浙青乳劑和高分子聚合物等設(shè)置障礙或輔壓遮蔽的方法阻沙固沙。這種方法受資源和條件的限制只在少數(shù)地區(qū)可用，但費用較高，可持續(xù)時間短，而植物治沙法生產(chǎn)周期長、見效慢，在大部分缺水和降水稀少地區(qū)是不具備實施條件的。在公開的《治沙、筑路方法及其裝置》(97104067. 2)專利技術(shù)中，是將聚焦后的太陽光束掃描地面，使地面的沙?；蛲寥廊廴诨蛘邿Y(jié)，冷卻后使地面上形成堅硬覆蓋物。這項技術(shù)存在很多缺點一是采用點聚焦和逐點逐行掃描方式的機構(gòu)與控制都很復(fù)雜；二是在實施過程中太陽的位置時刻都在發(fā)生變化，其聚焦落點很難控制；三是動力系統(tǒng)沒有采用太陽能，具有碳排放污染。在公開的《利用太陽能的智能化筑路與沙漠表面硬化系統(tǒng)》(200710161174. 6)專利技術(shù)中，是采用太陽能發(fā)電組件向蓄電池充電，再由蓄電池向激光設(shè)備提供電能用于沙漠表面硬化，其缺點有一是蓄電池蓄電效率低，再加上激光設(shè)備的轉(zhuǎn)化效率也比較低，造成只有很少部分能源用于沙漠表面硬化，因此其總體效率較低；二是采用點聚光以逐點逐行掃描方式的機構(gòu)與控制都很復(fù)雜；三是蓄電池壽命短且生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在污染問題，重量大，使整個機構(gòu)的運動耗能也更大，因此不適合應(yīng)用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有防沙治沙手段，以及利用聚光方式對沙漠表面進行熔化硬化方式的缺點和不足，本發(fā)明提供一種偏置式太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)和硬化方法，能夠在對沙漠表面進行熔化硬化的過程中全部采用太陽能，而不采用化石能源驅(qū)動；能夠?qū)μ柲艿睦脮r間更長，聚光利用方式更加合理；能夠采用線聚焦且利用計算機控制下進行熔化硬化的效率更高，質(zhì)量更好；能夠?qū)崿F(xiàn)無人自動運行，進一步降低了人工成本。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提供一種偏置式太陽能定向 線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，包括水平沙面、行走機構(gòu)、左側(cè)行走電機、右側(cè)行走電機、側(cè)行走輪帶、右側(cè)行走輪帶、偏置支架、掃描軌道、掃描電機、太陽能電池組件、電池組件跟蹤支架、跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸、電池組件跟蹤電機、DC-DC直流穩(wěn)壓模塊、聚光器、水平經(jīng)向反射鏡、水平緯向反射鏡、拋物柱面反射鏡、遮光反射鏡、水平經(jīng)向反射鏡方位角電機、水平經(jīng)向反射鏡高度角電機、聚光器方位角電機、聚光器高度角電機、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機、計算機、I/o數(shù)據(jù)接口、太陽位置傳感器、太陽輻射強度傳感器。水平沙面是經(jīng)平整過的表面呈水平狀的沙漠區(qū)域。左側(cè)行走輪帶、右側(cè)行走輪帶安裝在行走機構(gòu)上，左側(cè)行走電機驅(qū)動左側(cè)行走輪帶，右側(cè)行走電機驅(qū)動右側(cè)行走輪帶。太陽能電池組件將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為直流電能，提供給左側(cè)行走電機、右側(cè)行走電機、掃描電機、電池組件跟蹤電機、水平經(jīng)向反射鏡方位角電機、水平經(jīng)向反射鏡高度角電機、聚光器方位角電機、聚光器高度角電機、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機和計算機使用。太陽位置傳感器檢測到太陽的方位角和高度角，并傳送給計算機，再由計算機軟件的控制，使左側(cè)行走電機、右側(cè)行走電機、掃描電機、電池組件跟蹤電機、水平經(jīng)向反射鏡方位角電機、水平經(jīng)向反射鏡高度角電機、聚光器方位角電機、聚光器高度角電機、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動到指定位置；左側(cè)行走電機、右側(cè)行走電機、掃描電機、電池組件跟蹤電機、水平經(jīng)向反射鏡方位角電機、水平經(jīng)向反射鏡高度角電機、聚光器方位角電機、聚光器高度角電機、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機都是具有數(shù)控功能的電機，按計算機的控制指令實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)動量。電池組件跟蹤支架固定安裝在行走機構(gòu)上部，跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸固定在電池組件跟蹤支架上，太陽能電池組件安裝在跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸上，沿跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動；太陽位置傳感器檢測到太陽的方位角和高度角，通過I/o數(shù)據(jù)接口傳送給計算機，由計算機的控制軟件，控制電池組件跟蹤電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)太陽能電池組件對太陽的方位角進行跟蹤，從而最大程度地將接受到的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，為整個系統(tǒng)的運動和控制提供電力能源，而非采用化石能源。聚光器為平行光聚光器，通過目前公知的光學(xué)知識和多種技術(shù)實現(xiàn)輸出光線與輸入光線傳播方向相同且平行，能夠?qū)⒋怪比肷涞骄匦蜛BCD區(qū)域內(nèi)的光線聚光并輸出到矩形截面A1B1C1D1區(qū)域內(nèi)，矩形截面A1B1C1D1區(qū)域內(nèi)各點的聚光輻射強度相同；S0"為聚光器的中心軸線，O"點位于聚光區(qū)域一側(cè)。行走機構(gòu)上安裝有偏置支架，偏置支架上安裝有掃描軌道和掃描電機；掃描軌道與行走機構(gòu)的行走方向MN垂直，與水平沙面表面平行；拋物柱面反射鏡安裝在偏置支架的掃描軌道上，并可沿掃描軌道水平運動；拋物柱面反射鏡沿掃描軌道水平運動的行程內(nèi)下方是水平沙面，中間沒有任何障礙物；拋物柱面反射鏡的焦線XY位于水平沙面表面且與行走機構(gòu)的行走方向MN平行；遮光反射鏡安裝在行走機構(gòu)上部，能夠沿上下方向運動；在行走機構(gòu)上有固定點O ;水平經(jīng)向反射鏡位于行走機構(gòu)上部，水平經(jīng)向反射鏡的反射表面中心點位于O點并且能圍繞O點轉(zhuǎn)動；聚光器安裝在行走機構(gòu)上部，聚光器中心軸線SO"上的一定點O"在跟蹤太陽的運動過程中始終與行走機構(gòu)上的固定點O點重合。由計算機控制聚光器方位角電機和聚光器高度角電機的轉(zhuǎn)動，聚光器對太陽進行精確的方位角和高度角跟蹤，使聚光器中心軸線S0"始終指向太陽；GH是通過聚光器表面、垂直且相交于聚光器中心軸線S0"、始終與水平沙面表面平行的線段；EF位于聚光器表面、垂直且相交于中心軸線S0"的線段，并與聚光器的入射矩形面ABCD的其中一個邊平行；EF線段相對于聚光器的位置固定，與線段GH之間的偏轉(zhuǎn)角為λ，且當太陽的方位角ω=0即太陽在正南方向時，偏轉(zhuǎn)角λ =0;在聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動作用下，聚光器能夠沿中心軸線S0"進行轉(zhuǎn)動，使線段EF與GH之間有偏轉(zhuǎn)角λ ;聚光器輸出的平行聚光光線全部射向水平經(jīng)向反射鏡；由計算機控制水平經(jīng)向反射鏡方位角電機和水平經(jīng)向反射鏡高度角電機轉(zhuǎn)動，使水平經(jīng)向反射鏡將聚光器輸出的平行聚光光線反射為水平向南方向，并全部射向水平緯向反射鏡，水平緯向反射鏡再將入射光線全部反射為水平東西方向，并全部射向拋物柱面反射鏡上；通過拋物柱面反射鏡的聚焦形成聚光光線ΧΥ，聚光光線XY位于水平沙面表面。SO表示太陽入射光線，通過水平經(jīng)向反射鏡的反射，形成光線0Μ，OM指向水平正 南方向，OS'是OS在水平面上的投影，OL是Z SOM的角平分線，即垂直于水平經(jīng)向反射鏡表面的法線，OL'是OL在水平面上的投影，ω表示太陽的方位角，Φ表示太陽的高度角。根據(jù)數(shù)學(xué)與幾何知識推理得知，水平經(jīng)向反射鏡的法線OL的方位角α與ω、φ之間的關(guān)系為
sin i>j-COS^
tano:=- 1+ C0S& - cos#
水平經(jīng)向反射鏡的法線OL的高度角β與ω、φ、α之間的關(guān)系為
^ sinci-cosatan/ =---
I + cos ω ■ cos φ
在聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動作用下，聚光器沿中心軸線SO"進行轉(zhuǎn)動，使線段EF與GH之間實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角λ ;聚光器輸出的位于矩形截面A1B1C1D1區(qū)域內(nèi)平行聚光光線全部射向水平經(jīng)向反射鏡的A2B2C2D2區(qū)域內(nèi)，水平經(jīng)向反射鏡將平行聚光光線全部反射為水平向南方向，并全部射向水平緯向反射鏡，水平緯向反射鏡再將入射光線全部反射為水平東西方向，并全部射向拋物柱面反射鏡上；拋物柱面反射鏡將接收到的全部聚光平行光線反射聚焦到聚光光線XY上，聚光光線XY位于水平沙面表面；由數(shù)學(xué)、幾何、光學(xué)等知識推理得到，當偏轉(zhuǎn)角λ與太陽方位角ω、水平經(jīng)向反射鏡方位角α之間保持如下關(guān)系時
權(quán)利要求
1.一種偏置式太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，包括水平沙面11、行走機構(gòu)12、左側(cè)行走電機13、右側(cè)行走電機14、側(cè)行走輪帶15、右側(cè)行走輪帶16、偏置支架17、掃描軌道18、掃描電機19、太陽能電池組件21、電池組件跟蹤支架22、跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸23、電池組件跟蹤電機24、DC-DC直流穩(wěn)壓模塊25、聚光器31、水平經(jīng)向反射鏡32、水平緯向反射鏡.35、拋物柱面反射鏡33、遮光反射鏡34、水平經(jīng)向反射鏡方位角電機41、水平經(jīng)向反射鏡高度角電機42、聚光器方位角電機43、聚光器高度角電機44、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機45、計算機.51、I/O數(shù)據(jù)接口 52、太陽位置傳感器53、太陽輻射強度傳感器54 ;水平沙面11是經(jīng)平整過的表面呈水平狀的沙漠區(qū)域；左側(cè)行走輪帶15、右側(cè)行走輪帶16安裝在行走機構(gòu)12上，左側(cè)行走電機13驅(qū)動左側(cè)行走輪帶15，右側(cè)行走電機14驅(qū)動右側(cè)行走輪帶16 ;聚光器31為平行光聚光器，入射面為矩形區(qū)域，SO"為聚光器31的中心軸線，O"點位于聚光區(qū)域一側(cè)；其特征在于，行走機構(gòu)12上安裝有偏置支架17，偏置支架17上安裝有掃描軌道18和掃描電機19 ;掃描軌道18與行走機構(gòu)12的行走方向MN垂直，與水平沙面11表面平行；拋物柱面反射鏡33安裝在偏置支架17的掃描軌道18上，能夠沿掃描軌道18水平運動；拋物柱面反射鏡33的焦線XY位于水平沙面11表面且與行走機構(gòu)12的行走方向MN平行；由計算機51控制水平經(jīng)向反射鏡方位角電機41和水平經(jīng)向反射鏡高度角電機42轉(zhuǎn)動，使水平經(jīng)向反射鏡32將聚光器31輸出的平行聚光光線反射為水平向南方向，并全部射向水平緯向反射鏡35，水平緯向反射鏡35再將入射光線全部反射為水平東西方向，并全部射向拋物柱面反射鏡33上；通過拋物柱面反射鏡33的聚焦形成聚光光線XY，聚光光線XY位于水平沙面11表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的偏置式太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，其特征在于當拋物柱面反射鏡33在掃描電機19的驅(qū)動下沿掃描軌道18水平運動時，行走機構(gòu)12為停止狀態(tài)，聚光光線XY隨拋物柱面反射鏡33移動，聚光光線XY掃描過的沙子熔化后經(jīng)過冷卻，形成堅硬的石質(zhì)矩形硬化層；拋物柱面反射鏡33的移動速率與太陽輻射強度傳感器.54檢測到的太陽即時輻射強度成正比關(guān)系；拋物柱面反射鏡33沿掃描軌道18水平運動的行程內(nèi)下方是水平沙面，沒有任何障礙物，行走機構(gòu)12在行走時，左側(cè)行走輪帶15和右側(cè)行走輪帶16不會碾壓到已經(jīng)硬化的區(qū)域。
3.一種利用偏置式太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)的硬化方法，其特征在于，包括以下步驟 a、啟動太陽能電源，即在白天太陽輻射達到一定值，太陽能電池組件21上產(chǎn)生的功率能夠滿足用電需要時，太陽能電池組件21輸入的不穩(wěn)定電壓通過DC-DC直流穩(wěn)壓模塊25輸出為穩(wěn)定的直流電壓，供整個系統(tǒng)使用； b、關(guān)閉遮光反射鏡34，不進行沙漠表面進行硬化； C、在計算機51的控制下，啟動跟蹤太陽程序，使聚光器31的中心軸線S0"指向太陽，水平經(jīng)向反射鏡32轉(zhuǎn)動到能夠?qū)⒕酃夤饩€通過水平緯向反射鏡35和拋物柱面反射鏡33形成聚光光線XY的位置； d、行走機構(gòu)12行駛到指定位置,并調(diào)整為南北MN方向； e、行走機構(gòu)12處于停止狀態(tài)； f、拋物柱面反射鏡33移動到起點X1Y1； g、打開遮光反射鏡34，熔化硬化沙面，拋物柱面反射鏡33水平向另一邊界點移動，并到達邊界點后停止，形成矩形的掃描硬化區(qū)域，拋物柱面反射鏡33的移動速度與檢測到的即時太陽輻射強度成正比； h、關(guān)閉遮光反射鏡34， i、行走機構(gòu)12行駛L+Λ S距離后停止，其中L代表聚光光線XY的長度，Δ S>0, Δ S是為兩個相鄰矩形的掃描硬化區(qū)域的間隙； j、判斷是否繼續(xù)工作，如果為是，則繼續(xù)從步驟g重復(fù)，如果為否，則執(zhí)行步驟k ； k、關(guān)閉跟蹤太陽程序，聚光裝置復(fù)位； P、關(guān)閉太陽能電源，然后關(guān)閉系統(tǒng)，停止工作。
全文摘要
本發(fā)明提供一種偏置式太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)和硬化方法，包括聚光器、水平經(jīng)向反射鏡、水平緯向反射鏡、拋物柱面反射鏡、遮光反射鏡、計算機、太陽位置傳感器、太陽輻射強度傳感器、水平沙面等。聚光器為平行光聚光器，對太陽進行精確的方位角和高度角跟蹤，輸出的平行聚光光線通過水平經(jīng)向反射鏡、水平緯向反射鏡和拋物柱面反射鏡形成位于水平沙面表面且各點輻射強度相同的聚光光線。該系統(tǒng)在對沙漠表面進行熔化硬化時，運動能量和對沙面熔化的能量均來自于太陽能，不消耗化石能源；能夠?qū)μ柲艿睦脮r間更長，聚光位置相對固定；采用線聚焦且利用計算機控制下進行熔化硬化的效率高，質(zhì)量好；能實現(xiàn)無人自動運行，降低固沙成本。
文檔編號G05D3/12GK102877459SQ20121042346
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者張德勝, 劉紅強 申請人:張德勝