專利名稱：一種自旋-仰角跟蹤模式定日鏡的穩(wěn)定支撐裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種定日鏡的支撐裝置。
背景技術(shù)：
定日鏡是對太陽進(jìn)行跟蹤，并將光線反射到固定目標(biāo)的裝置。一般說來，定日鏡的尺寸越大，集熱面積越大，收集到的能量也越多。另外，在一定范圍內(nèi)(此范圍和緯度相關(guān))，集熱器越高，則聚光的余弦效應(yīng)就越小，收集的太陽能則越多。但是將集熱器安裝得很高，會帶來諸多不便首先，安裝和維護(hù)的不便，其次，高處不便于熱量的收集和保溫。因此， 在不能將集熱器安裝的太高的前提下，增大定日鏡的聚光面積就成了收集更多能量的一個重要的方法。目前，定日鏡主要采用兩種跟蹤模式方位角-仰角跟蹤模式和自旋-仰角跟蹤模式。采用方位角-仰角跟蹤模式的定日鏡，機(jī)械設(shè)計(jì)較容易實(shí)現(xiàn)，其反射鏡面的重心位于支撐軸的正上方，整體結(jié)構(gòu)也比較穩(wěn)定。但是，由于這種模式所能達(dá)到的聚光比不夠高，因此為了能夠達(dá)到較高的溫度，往往需要多臺定日鏡同時指向一個目標(biāo)，塔式集熱器就是采用這種方法，利用一個大的定日鏡陣列對塔內(nèi)的液體進(jìn)行加熱，通過熱轉(zhuǎn)化對太陽能加以利用。采用自旋-仰角跟蹤模式的定日鏡是近些年的進(jìn)展，由陳應(yīng)天教授等人在2001年的文章 Non-imaging focusing heliostat (Solar energy 雜志，2001 年 71 其月 155 頁)中首先提出。該跟蹤模式由于采用非對稱的反射面，相同條件下能夠達(dá)到比方位角-仰角定日鏡更高的聚光比，因此可以使用單個定日鏡實(shí)現(xiàn)高倍聚光，具有更廣泛的應(yīng)用前景。但是傳統(tǒng)自旋-仰角跟蹤模式定日鏡(圖3、圖4)，反射鏡固定在自旋軸的一端， 靠一個點(diǎn)固定整個鏡面。另外，自旋軸傾斜固定在支撐桿上，反射鏡面的重心偏離了支撐桿。當(dāng)反射鏡尺寸變大時，支撐桿需要變高，以使得反射鏡面不接觸地面，同時支撐桿承擔(dān)的重量變得很大。因此，支撐桿要在變高的同時，承擔(dān)更大的重量，而且是重心偏移的重量，這對支撐桿提出了很高的要求。傳統(tǒng)單支撐桿的定日鏡，完全依靠反射鏡面中心一個點(diǎn)，通過自旋軸支撐，當(dāng)有風(fēng)時，鏡面的晃動比較嚴(yán)重，容易造成聚光偏差，尤其，遇到雨雪， 暴風(fēng)等自然天氣，會導(dǎo)致重心嚴(yán)重的偏移支撐桿，從而嚴(yán)重的影響定日鏡的穩(wěn)定性。當(dāng)鏡面尺寸變大時，情況會更為嚴(yán)重。由于上述支撐桿的限制，現(xiàn)有的自旋-仰角跟蹤模式的定日鏡要想達(dá)到很大的尺寸，有很大的困難。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型主要目的是，提供一種新的定日鏡支撐結(jié)構(gòu)，從而可以使采用自旋-仰角跟蹤模式的定日鏡，達(dá)到較大的尺寸，同時有很好的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力，并且安裝簡便。[0009]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的原理依據(jù)是定日鏡是通過跟蹤并反射太陽光，使光線匯聚到指定目標(biāo)，從而對太陽能源加以利用的裝置。本支撐裝置適用于采用自旋-仰角跟蹤模式的定日鏡。如圖1所示，該跟蹤模式的關(guān)鍵在于自旋軸指向目標(biāo)集熱器，通過圍繞自旋軸和仰角軸兩個方向的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)二維跟蹤聚光。由于自旋軸指向目標(biāo)集熱器，仰角軸始終垂直于自旋軸，因此，圍繞自旋軸的旋轉(zhuǎn)，可以使得仰角軸垂直于通過太陽、目標(biāo)集熱器和反射鏡面中心三點(diǎn)所在的平面。進(jìn)一步，圍繞仰角軸的旋轉(zhuǎn)可以使得反射鏡面中心處的太陽的入射角等于出射角，(即太陽射出的光線，在鏡面中心處反射后，剛好照到目標(biāo)集熱器。) 本實(shí)用新型是利用自旋-仰角跟蹤模式定日鏡的跟蹤原理設(shè)計(jì)的穩(wěn)定的支撐裝置。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的支撐裝置結(jié)構(gòu)如下有至少3個高度不同固定在地面上的支撐桿；支撐導(dǎo)軌固定在支撐桿的頂部；定日鏡的圓形框架放置在支撐導(dǎo)軌上，并可以在導(dǎo)軌上轉(zhuǎn)動；仰角軸通過定日鏡的圓形框架的中心，仰角軸的兩端與圓形框架相連接，并且可以繞其自身的軸向轉(zhuǎn)動；反射鏡固定在仰角軸上，并可以隨之一起轉(zhuǎn)動，定日鏡的圓形框架和仰角軸的轉(zhuǎn)動，由兩個跟蹤電機(jī)分別控制，集熱器收集經(jīng)反射鏡反射后的太陽光。本實(shí)用新型與傳統(tǒng)支撐方式相比，有益的效果是一、解決了重心偏離支撐桿的問題。傳統(tǒng)單支撐桿的設(shè)計(jì)，會導(dǎo)致反射鏡面/鏡面陣列重心偏離支撐桿的問題。反射鏡面/鏡面陣列重心A(圖4)距離支撐桿中心偏移了長度BC。新型支撐裝置將原來自旋軸方向的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)變成定日鏡的圓形框架的轉(zhuǎn)動。沒有了自旋軸的限制，就解決了傳統(tǒng)自旋-仰角模式定日鏡重心偏離支撐桿的問題。二、縮短了承重支撐桿的長度。傳統(tǒng)支撐裝置利用一根支撐桿承重，該支撐桿支撐著在整個定日鏡的中心，當(dāng)定日鏡的半徑很大時，要求支撐桿的長度也很長，不容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的支撐。因此采用傳統(tǒng)支撐裝置的定日鏡不容易提高定日鏡的半徑，進(jìn)而增大聚光面積。 本新型支撐裝置由于整個重量幾乎壓在位于底部的支撐桿上，且不論定日鏡的半徑多大， 底部的支撐桿都很短很粗，因此可以很容易實(shí)現(xiàn)低成本、堅(jiān)固的支撐。三、具有更好的穩(wěn)定性。新型支撐裝置對整個鏡面框架的支撐，由原來的只依靠一點(diǎn)，變?yōu)橐揽空麄€圓形框架周圍多點(diǎn)的支撐(主要是底部的支撐)，使得這個結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。 另外，反射鏡面固定在仰角軸上，而仰角軸的兩端連接在圓形框架上，相比于傳統(tǒng)支撐方式的定日鏡，依靠仰角軸中心處一點(diǎn)的支撐來說，具有更好的抗風(fēng)能力，從而使得整個定日鏡在極端惡劣的天氣條件下，具有更好的聚光精度。良好的穩(wěn)定性使得反射鏡面的尺寸可以做的很大，從而獲得更大的聚光面積，收集更多的太陽能。本實(shí)用新型的重要作用，就是在擴(kuò)大定日鏡尺寸的同時，可以保證定日鏡的得到堅(jiān)固的支撐和較高的穩(wěn)定性。

圖IA為本實(shí)用新型支撐裝置的定日鏡立體圖圖IB為圖IA的支撐導(dǎo)軌局部放大圖圖2A為本實(shí)用新型的支撐導(dǎo)軌軸承裝置組配圖(一)圖2B為本實(shí)用新型的支撐導(dǎo)軌軸承裝置組配圖(二)圖2C為本實(shí)用新型的支撐導(dǎo)軌軸承裝置組配圖(三)圖3為采用傳統(tǒng)支撐方式的定日鏡立體圖
4[0022]圖4為圖三所示定日鏡側(cè)視圖圖5為本實(shí)用新型支撐裝置的定日鏡側(cè)視圖(上傾斜)圖6為本實(shí)用新型支撐裝置的定日鏡側(cè)視圖(中心)圖7為本實(shí)用新型支撐裝置的定日鏡側(cè)視圖(下傾斜)
具體實(shí)施方案下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施方案加以詳細(xì)描述新型支撐裝置的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)主要包括至少有3個高度不同固定在地面上的支撐桿1，支撐導(dǎo)軌2固定在支撐桿1的頂部；定日鏡的圓形框架3被放置在支撐導(dǎo)軌 2上，使圓形框架3圓心處的法線方向(即自旋軸4方向)指向集熱器8，定日鏡的圓形框架 3可以在支撐導(dǎo)軌2上轉(zhuǎn)動。另，將各個子鏡安裝到其背后的框架后，組成反射鏡面/鏡面陣列6，將反射鏡面/鏡面陣列6固定到仰角軸5上隨之一起轉(zhuǎn)動；仰角軸5通過定日鏡的圓形框架3的中心，仰角軸5的兩端與圓形框架3相連接，并且可以繞其自身的軸向轉(zhuǎn)動， 在該轉(zhuǎn)動下自旋軸4的方向始終指向目標(biāo)集熱器不變。使用跟蹤電機(jī)通過控制圓形框架3 和仰角軸5的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)對太陽的二維跟蹤；集熱器8收集反射鏡面/鏡面陣列6反射后的太陽光，從而加以利用。圓形框架可以是一個圓周整體；也可以由至少兩個部分圓弧組成，其連接的部分在框架的內(nèi)側(cè)，不影響其在導(dǎo)軌上的轉(zhuǎn)動。支撐導(dǎo)軌其截面是呈U型的卡槽，如圖2A所示，圓形框架可以在光滑的U型卡槽中滑動；或采用其底部鑲有若干承重軸承，支撐圓形框架的轉(zhuǎn)動，如圖2B所示；或采用在其底部和側(cè)面鑲有若干承重軸承，起承重和支持轉(zhuǎn)動的作用，如圖2C所示；或?qū)⑺龅某兄剌S承變?yōu)闈L動軸承。定日鏡的圓形框架由電機(jī)驅(qū)動在導(dǎo)軌上轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動可以利用銷齒電機(jī)和圓形框架外圈上內(nèi)陷的凹痕來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，也可以采用其他轉(zhuǎn)動方式，例如改變定日鏡的圓形框架上凹痕的位置和形狀等，來達(dá)到相同的旋轉(zhuǎn)效果。反射鏡面可以是一個鏡面體，其鏡面可以是平面鏡、球面鏡或拋物鏡；也可以由多個子鏡組成，將各個子鏡安裝到其背后的框架后，組成反射鏡面陣列，其中每個子鏡可以是平面鏡、球面鏡或拋物鏡。鏡面陣列由多個子鏡組成時，其中每個子鏡可以固定不動，也可以具有子跟蹤功能，由電機(jī)驅(qū)動改變其指向，達(dá)到聚光的目的。安裝實(shí)施安裝時，首先根據(jù)地理位置(如維度、海拔等)、日照時長、集熱用途等因素選擇合適的定日鏡安裝方案，確定定日鏡的大小，集熱器的高度等因素后，定日鏡的圓形框架圓心處的法向(即自旋軸方向)可以采用不同角度指向目標(biāo)集熱器。本實(shí)用新型尤其適用于接近豎直方向指向目標(biāo)的定日鏡設(shè)計(jì)。如圖1、圖5所示，對應(yīng)于定日鏡向上傾斜30度指向目標(biāo)集熱器的情況，目標(biāo)集熱器的高度比較高，余弦效應(yīng)最小。圖6對應(yīng)于定日鏡豎直放置的情況，此時定日鏡的重量完全落在底部的支撐桿上，幾乎沒有側(cè)應(yīng)力，目標(biāo)集熱器與定日鏡中心等高。圖7為定日鏡向下傾斜30度指向目標(biāo)集熱器，此時目標(biāo)集熱器放置在低處，便于能量的收集和儲存，但是余弦效應(yīng)較大。對于不同的方案，只需改變各個支撐桿的長度即可。 不論何種方案，不論定日鏡的尺寸大小如何，由于負(fù)責(zé)承重的支撐桿始終在底部， 長度較短，因此本實(shí)用新型的支撐裝置能夠輕松實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固、穩(wěn)定的支撐。此外，對于不同方案的定日鏡，只需調(diào)整幾個支撐桿的長度和傾角即可，制造工藝簡單，便于裝配，可大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
權(quán)利要求1.一種自旋-仰角跟蹤模式定日鏡的穩(wěn)定支撐裝置，其特征是至少有3個高度不同固定在地面上的支撐桿；支撐導(dǎo)軌固定在支撐桿的頂部；定日鏡的圓形框架放置在支撐導(dǎo)軌上，并可以在導(dǎo)軌上轉(zhuǎn)動；仰角軸通過定日鏡的圓形框架的中心，仰角軸的兩端與圓形框架相連接，并且可以繞其自身的軸向轉(zhuǎn)動；反射鏡固定在仰角軸上，并可以隨之一起轉(zhuǎn)動， 定日鏡的圓形框架和仰角軸的轉(zhuǎn)動，由兩個跟蹤電機(jī)分別控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐裝置，其特征是所述的圓形框架可以是一個圓周整體； 或者由至少兩個部分圓弧組成，其連接的部分在框架的內(nèi)側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐裝置，其特征是所述的支撐導(dǎo)軌其截面是呈U型的卡槽，圓形框架可以在光滑的U型卡槽中滑動；或采用其底部鑲有承重軸承，支撐圓形框架的轉(zhuǎn)動；或采用在其底部和側(cè)面鑲有承重軸承，起承重和支持轉(zhuǎn)動的作用；或?qū)⑺龅某兄剌S承變?yōu)闈L動軸承。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐裝置，其特征是定日鏡的圓形框架由電機(jī)驅(qū)動在導(dǎo)軌上轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動利用銷齒電機(jī)和圓形框架外圈上內(nèi)陷的凹痕來實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐裝置，其特征是所述的反射鏡面是一個鏡面體，其鏡面是平面鏡或球面鏡或拋物鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐裝置，其特征是所述的反射鏡面由多個子鏡組成，將各個子鏡安裝到其背后的框架后，組成反射鏡面陣列，其中每個子鏡是平面鏡或球面鏡或拋物鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的支撐裝置，其特征是所述的反射鏡面由多個子鏡組成鏡面陣列，其中每個子鏡具有子跟蹤功能，由電機(jī)驅(qū)動改變其指向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支撐裝置，其特征是支撐桿的長度和傾角可以調(diào)節(jié)。
專利摘要一種自旋-仰角跟蹤模式定日鏡的穩(wěn)定支撐裝置，屬于太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。主要為采用該跟蹤模式的定日鏡提供堅(jiān)固穩(wěn)定、安裝方便的支撐，并為建立更大型的定日鏡提供了可靠的基礎(chǔ)。其技術(shù)要點(diǎn)是，將傳統(tǒng)自旋-仰角跟蹤模式定日鏡自旋軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成圓形框架的轉(zhuǎn)動，并且利用若干支撐桿對定日鏡實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)支撐，將其重量集中到底部較短的支撐桿上。本實(shí)用新型解決了傳統(tǒng)自旋-仰角跟蹤定日鏡反射鏡重心不在支撐桿上的問題。采用該支撐底座的定日鏡有更好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，制造工藝簡單，安裝簡便，便于裝配，可大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號G02B7/198GK201945729SQ20102058502
公開日2011年8月24日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者李莉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)