地軸式太陽爐聚光器制造技術

一種地軸式太陽爐聚光器，它屬于太陽能的熱利用領域。該太陽爐聚光器采用地軸式單軸跟蹤，保證在跟蹤太陽過程中將陽光會聚到地軸延長線上固定一點，克服了傳統聚光器跟蹤方式復雜、聚光目標隨動的缺陷。該聚光器旋轉軸由同步電機驅動，跟蹤太陽時角；聚光鏡與轉軸成４５°處為其零位置，定期調節聚光鏡的傾角，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對稱曲面，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，空調等，在使用二次聚光器的情況下，可以達到工業生產所需的高溫，如太陽能制氫。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及太陽能的熱利用技術，是一種能夠收集太陽能的聚光設備，主 要用于加熱。
技術介紹
傳統的太陽爐一般用單個拋物面反射鏡作為聚光器并通過雙軸驅動跟蹤 太陽，始終保證太陽光的入射方向與主光軸平行，聚光鏡的焦點隨聚光鏡一起 運動，接收器放置在聚光鏡的焦點處并隨之運動，這必然導致接收器對聚光鏡 的遮擋，影響收集效率。同時，因接收器隨動，受自身重力的限制，太陽爐的 規模一般較小。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，聚光效果不理想。另外，傳統的聚光設備采用雙軸跟蹤，控制系統復 雜，成本較高。
技術實現思路
現有的太陽爐聚光器因跟蹤方式復雜，聚光目標隨動，制造和運行成本較 高，本專利技術提供一種地軸式太陽爐聚光器，該聚光器跟蹤方式簡單，聚光焦點 不隨聚光器運動，聚光器的采光口徑可根據實際需要設計，其使用方便且制造 和運行成本較低。本專利技術地軸式太陽爐聚光器所采用的技術方案是一、跟蹤結構方案采用地軸式單軸跟蹤，使用同步電機(例如步進式 電機)驅動聚光鏡使其勻速繞與地軸平行的旋轉軸轉動，其角速度等于太陽時 角的變化(每小時轉過15° );雖然每天赤緯角也在不斷變化，但變化很小(每 24小時變化約0.06°)，只需對聚光鏡的傾角(聚光鏡與旋轉軸的夾角)進行 定期手動調節，其角度變化等于赤緯角度變化的一半。調節的時間間隔長短根 據設計需要來定，如果要求聚光精度較高，則間隔不能過長。 一般生活應用中， 7 10天調節一次即可。1、地軸方向的確定根據地球繞太陽的運動特點可知，某地的地軸與地面 的夾角等于當地緯度，方向指向北極星，利用瞄準望遠鏡可精確裝定該旋轉軸，亦可通過觀察日規針影的指向來粗略確定。2、傾角的調節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°。聚光鏡的零位置設在傾角為45。處，定期手動調節傾角以跟蹤赤緯角的變化。二、 聚光器面形設計方案聚光鏡在跟蹤太陽過程中始終能保持陽光入射 面與鏡面的子午截面重合，因此面形可以采用能夠?！笶象散的非旋轉對稱曲 面，例如輪胎面。輪胎面在大視場下仍有高的聚光性能，其制作方法可參照傳統拋物面，采用胎模法制作。本專利技術聚光鏡的特征是聚光鏡面形采用校正象散的非旋轉對稱曲面，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 聯結，保證鏡體可以折疊。根據具體應用來設計輪胎面兩截面曲率半徑的大小。三、 位置關系設計方案該聚光器可時刻將太陽光會聚到旋轉軸延長線 上的某一固定點，該點位置由所設計聚光鏡的焦距f決定。太陽爐的位置可由下式確定// = Z.sin<P + A， A=/'cos<P， &>￡)/2， 式中，H為太陽爐距地面的高度，(D為當地煒度，^為聚光鏡距地面高度， D為聚光鏡的特征尺寸。根據太陽爐的安裝位置，確定聚光鏡的焦距，從而確 定該消象散曲面的特征參數。另外，太陽爐和聚光鏡二者的相對位置可以互換，其跟蹤方式和聚光效果 不變。本專利技術的特征是太陽爐放置在旋轉軸的延長線上，其高度由聚光鏡焦 距及當地緯度決定。本專利技術根據以上結構、形狀、和位置關系三個設計方案可知，具有以下技 術特征僅有一個旋轉軸且與地軸平行，用單電機驅動，聚光鏡的傾角可以手 調。旋轉軸及其驅動箱固定在支架..匕面的工作臺上，與工作臺表面嚴格平行。 工作臺通過緯度調節軸與支架相連，通過調節使工作臺表面與地面的夾角等于 當地緯度，然后固定工作臺。支架垂直于底座并可相對底座轉動，利用瞄準望遠鏡找到地軸的準確方向，最后將支架固定在底座上。底座與大地固聯，保證 在大風天氣仍固定不動。驅動箱內安裝電機驅動旋轉軸旋轉，旋轉軸與夾持聚 光鏡的橫梁固聯，驅動聚光鏡跟蹤太陽時角。橫梁上設傾角調節軸和傾角刻度盤，并由諱度調節旋鈕固定，可定期(-般7 10天)調節聚光鏡的傾角，跟 蹤赤緯角的變化。驅動箱內設有離合器，以保證早晨時將聚光鏡調回起始位置， 驅動箱前面設有旋轉角度刻度盤。本專利技術的有益效果是第一、使用單軸跟蹤，控制簡單，成本較低，能達到較高的跟蹤精度；第二、聚光鏡跟蹤太陽運轉時，其焦點固定不動，有利于太陽能的采集， 有利于增大太陽爐的規模，驅動裝置不受太陽爐重力影響第三、爐體不會對聚光鏡形成遮擋，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對稱曲面，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，延長鏡體使用壽命，且易于制造及運輸；第六、該太陽爐可以用于人們生活的所需(如開水，暖氣，空調等)，如果 加二次聚光鏡，可以達到工業生產所要求的溫度(如工業制氫等)。 附圖說明下面結合附圖對本專利技術進-'步說明。圖l為本專利技術的結構示意圖，也為摘要附圖。圖2為本專利技術的側面視圖。圖3為本專利技術的背面視圖。圖中太陽爐1，聚光鏡2，驅動箱3，旋轉軸4，赤緯軸5，支架6，底 座7，緯度調節旋鈕8，傾角刻度盤9，旋轉角度刻度盤IO，工作臺ll,電機 12，離合器13;具體實施例方式根據具體應用情況，按照附圖l、 2、 3，設計并制作聚光鏡，然后進行安裝、調試。1、 輪胎面的制作輪胎面是一種特殊柱面，制作方法與旋轉拋物面相似， 首先根據所設計輪胎面的曲面公式，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動以制作凸模，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，便于運輸和使用。聚光鏡2的采光口徑可根據 實際需要設計在lm 10m之間，本實施例制作口徑2m的聚光鏡。2、 聚光鏡的安裝和調試將電機12和旋轉軸4固定到工作臺11上，將工 作臺11安置在支架6上，調節旋鈕8，使旋轉軸與地面夾角等于當地緯度，然 后固定；轉動支架6，利用瞄準望遠鏡確定旋轉軸的方向，使其與地軸方向平 行，然后固定；旋轉軸4與聚光鏡2固聯，電機12驅動旋轉軸4并帶動整個 聚光鏡2轉動以跟蹤太陽，通過旋轉角度刻度盤10調整聚光鏡2的旋轉初始 位置，在跟蹤過程中，可以監視聚光鏡跟蹤太陽的情況；定期手動調節赤緯軸 5，使聚光鏡的傾角變化等于赤緯角度變化的一半，利用緯度調節旋鈕8和傾 角刻度盤9將聚光鏡2精確定位，由于赤緯角一天內變化甚微，因此只需定期 調整， 一般每隔7 10天調整--次。權利要求1、地軸式太陽爐聚光器，包括太陽爐、聚光鏡、旋轉軸、支架和底座，其特征是地軸式太陽爐聚光器包括太陽爐(1)、聚光鏡(2)、驅動箱(3)、旋轉軸(4)、赤緯軸(5)、支架(6)、底座(7)、緯度調節旋鈕(8)、傾角刻度盤(9)、旋轉角度刻度盤(10)，工作臺(11)、電機(12)、離合器(13)；各部件安裝位置及連接關系太陽爐(1)放置在聚光鏡(2)的焦點處，既在旋轉軸(4)的延長線上，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
地軸式太陽爐聚光器，包括太陽爐、聚光鏡、旋轉軸、支架和底座，其特征是地軸式太陽爐聚光器包括：太陽爐（１）、聚光鏡（２）、驅動箱（３）、旋轉軸（４）、赤緯軸（５）、支架（６）、底座（７）、緯度調節旋鈕（８）、傾角刻度盤（９）、旋轉角度刻度盤（１０），工作臺（１１）、電機（１２）、離合器（１３）；各部件安裝位置及連接關系：太陽爐（１）放置在聚光鏡（２）的焦點處，既在旋轉軸（４）的延長線上，其高度由聚光鏡（２）的焦距及當地緯度決定；旋轉軸（４）固定到驅動箱（３）上，將驅動箱（３）安置在支架（６）上，支架（６）垂直于底座（７）并可相對底座轉動，驅動箱（３）內安裝電機（１２）驅動旋轉軸（４）旋轉，調節旋轉軸（４）上的緯度調節旋鈕（８），使旋轉軸（４）與地面夾角等于當地緯度，然后固定；轉動支架（６），使旋轉軸（４）的方向與地軸方向平行，然后固定；通過旋轉角度刻度盤（１０）調整聚光鏡的旋轉初始位置，在跟蹤過程中，定期調節赤緯軸（５），利用傾角刻度盤（９）將聚光鏡精確定位。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏秀東，盧振武，
申請(專利權)人：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，
類型：發明
國別省市：82[中國|長春]