專利名稱：固定反射面的線聚焦太陽能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種采用簡單牢固的固定反射面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聚光功能的太陽能裝置。
背景技術(shù)：
太陽能作為一種取之不盡的清潔能源，正得到越來越廣泛的開發(fā)和運(yùn)用。雖然到達(dá)地球表面的太陽輻射能非常豐富，然而平均能流密度卻很低，目前光電池單位面積的造價還很高，不可能大面積的鋪設(shè)光電池直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同樣直曬式的太陽能裝置所能提供的熱源溫度不高，也只能作為普通供熱設(shè)備，要大規(guī)模的利用太陽能進(jìn)行發(fā)電或者其他運(yùn)用，往往需要通過一定形式的聚光設(shè)備提高能量密度，但目前聚光式太陽能裝置跟蹤方式復(fù)雜，建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本較高，使聚光式太陽能設(shè)備的大規(guī)模推廣運(yùn)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種聚光比高、簡單可靠、成本低廉的固定反射面線聚的焦太陽能裝置。
本發(fā)明根據(jù)光學(xué)原理和日光照射的規(guī)律，科學(xué)的采用固定反射面結(jié)構(gòu)，通過繞固定軸心有規(guī)律的轉(zhuǎn)動日光收集轉(zhuǎn)換器，自動跟隨日光聚焦點(diǎn)，從而達(dá)到聚光比高、簡單可靠、成本低廉的太陽能裝置。采用不同的反射鏡組，本裝置聚光比可以達(dá)到30至50倍。由于繞固定軸心轉(zhuǎn)動日光收集轉(zhuǎn)換器比起轉(zhuǎn)動整個聚光設(shè)備跟蹤日光，結(jié)構(gòu)上簡單牢固，運(yùn)行維護(hù)也非常容易，與目前所建成的采用聚光方式的大型太陽能熱電站相比較，本發(fā)明使太陽能電站的造價和運(yùn)行維護(hù)成本都大大降低，將可以使太陽能發(fā)電成本降低到與煤電、水電相接近的水平。
本發(fā)明由一組固定的沿柱面排列的反光鏡組成的反射槽，支撐反射槽和轉(zhuǎn)軸的固定支架，繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動支架，以及安裝在轉(zhuǎn)動支架上的日光收集轉(zhuǎn)換器所組成，反光鏡組與日光收集轉(zhuǎn)換器共同分布在一個圓柱面上(稱為基準(zhǔn)圓柱)。組成反射槽的反光鏡組由多個細(xì)長條形的平面反光鏡或者凹面反光鏡組成，反光鏡的邊緣偏離圓柱面越少聚焦性能越好。仔細(xì)調(diào)整每一面反光鏡的傾斜角度，保證反射光線基本聚焦在反射槽所在圓柱面上的一條很窄的光帶上(可以將其抽象為直線來討論)。調(diào)整好傾角后，將反光鏡固定下來組成反射槽?？梢宰C明，無論太陽的東升西落還是季節(jié)變換，都能夠保證固定后的反射槽能夠?qū)⑻柟饣痉瓷渚劢沟揭粭l直線上，該聚焦線將隨著日光入射角度的變化，沿大圓柱面有規(guī)律的移動。根據(jù)日期和時間可以換算出該聚焦線的準(zhǔn)確位置，從而調(diào)整日光收集轉(zhuǎn)換器跟隨聚焦線移動。按照極坐標(biāo)的模式來看，如果僅僅是角度的改變，實(shí)際上就是把復(fù)雜的跟蹤過程轉(zhuǎn)換成了簡單的一維運(yùn)動。
上述裝置在入射光不斷偏轉(zhuǎn)的情況下還能有效聚焦是基于以下光學(xué)原理1.反光鏡組成的柱面反射槽中軸線和日光收集轉(zhuǎn)換器互相平行，只要該平行結(jié)構(gòu)有足夠的長度，那么入射光源在過該中軸線的同一個平面上運(yùn)動對反光鏡組的聚焦性能影響不大，反射光都同樣能聚焦到日光收集轉(zhuǎn)換器上。
2.這組固定在柱面上的反光鏡和日光收集轉(zhuǎn)換器分布在同一大圓柱面，將入射光分解為與反射槽平行和垂直的兩種分量，討論入射光偏轉(zhuǎn)時的聚焦性時，根據(jù)原理1平行分量不影響聚焦性能，所以就可以只考慮與反射槽垂直的分量，將其簡化成橫截平面來討論。根據(jù)幾何學(xué)原理，如果調(diào)整分布在同一大圓柱面的各反光鏡(如“M”和“N”)，使反射光聚焦到同一個點(diǎn)“A”，那么入射光偏轉(zhuǎn)后，各反光鏡的反射光仍然將匯聚到圓上的另一個點(diǎn)“B”上，不會發(fā)散。原理如圖1所示。
從上述原理可知，使反射槽軸向沿東西向平行于地球緯度線，過基準(zhǔn)圓柱的軸心存在一個反射槽的對稱面，按照裝置所在地緯度調(diào)整反射槽向上的傾角，使該對稱面與赤道面平行，分別調(diào)整每一個反射鏡傾斜角，使平行于赤道面的入射光(春分和秋分時節(jié)的日光)，完全反射聚焦到反射槽對稱面與基準(zhǔn)圓柱面的上相交線(該相交線就是日光收集轉(zhuǎn)換器的初始位置)，那么把調(diào)整好的反射鏡固定后，隨季節(jié)變化，在一天當(dāng)中太陽不但有東升西落，而且南北向也有偏轉(zhuǎn)，聚焦線也將跟隨這種入射角度的變化沿著同一圓柱面南北移動，由于反光鏡雖然是細(xì)長條型，但畢竟還有寬度，不是嚴(yán)格包含在圓柱面上，偏轉(zhuǎn)角度增大后，聚焦線會稍微有發(fā)散，但可以做到并能證明，在最佳日照時間段內(nèi)(9小時左右)反射光將完全聚焦在日光收集轉(zhuǎn)換器上，早晚的時間段反射光將部分聚焦在日光收集轉(zhuǎn)換器上，按照正弦分布曲線可以計(jì)算出，在早晚時間段分布的太陽輻射能量很少，聚焦性能完全能夠滿足實(shí)際運(yùn)用。通過時鐘控制日光收集轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)動跟蹤聚焦線，就能保證在一定時間段內(nèi)有效的收集陽光。這里所說的日光收集轉(zhuǎn)換器采用現(xiàn)有公知技術(shù)，既可以是光電轉(zhuǎn)換器，也可以是光熱轉(zhuǎn)換器，或者是其他太陽能轉(zhuǎn)換器件。
本發(fā)明由于采用了固定反射器形式，就可以通過很簡單的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)控制日光收集轉(zhuǎn)換器繞固定軸心轉(zhuǎn)動，作一維運(yùn)動跟蹤聚焦線，整體結(jié)構(gòu)簡單牢固，避免了轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和跟蹤機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜難以控制的缺點(diǎn)。反射槽一經(jīng)建成可以長久使用，通過時鐘換算出來的同一個控制信號可以控制當(dāng)?shù)厮械霓D(zhuǎn)動跟蹤裝置，同時僅僅繞固定軸轉(zhuǎn)動的機(jī)電裝置也非常簡單，所以就能使聚光式太陽能裝置整體造價大幅度降低，可靠性大大提高。日光匯聚到很小的面積后，轉(zhuǎn)換器使用量就只需要原來直曬式太陽能裝置的幾十分之一，因此可以選用轉(zhuǎn)換效率高的器件，不僅可以獲得高溫，而且也可以直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，為開發(fā)大規(guī)模的太陽能電站提供了一種較好的方法。目前平板直曬式光電池并網(wǎng)發(fā)電的成本約為煤電成本的5-8倍，選用在聚光條件下轉(zhuǎn)換效率高的太陽能電池作為轉(zhuǎn)換器，發(fā)電成本將下降到與煤電成本接近，將有很強(qiáng)的競爭能力，可以廣泛運(yùn)用到邊遠(yuǎn)的家庭、工廠和中小城鎮(zhèn)。


圖1為本發(fā)明裝置的聚焦原理示意圖；圖2為本發(fā)明裝置的橫截面示意圖；圖3為本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明裝置采用凹面鏡時的反射鏡組設(shè)計(jì)原理示意圖。
在圖2和圖3中，1-固定支架，2-構(gòu)成反射槽的一組固定的反光鏡，3-位于圓心的固定轉(zhuǎn)軸，4-轉(zhuǎn)動支架，5-日光收集轉(zhuǎn)換器。
具體實(shí)施例方式
在圖3所示的實(shí)施例中，固定支架1包括支撐架和圓柱型的支撐體，在固定支架1上安裝有反射鏡組2，固定支架1的圓柱型支撐體軸向應(yīng)沿東西向平行于地球緯度線，按照裝置所在地緯度確定圓柱型支撐體向上的傾角，使圓柱型支撐體對稱面與赤道面平行。由于反光鏡的邊緣偏離圓柱面越少聚焦性能越好，為保證聚焦性能，我們可以先將反光鏡的內(nèi)邊緣置于基準(zhǔn)圓柱面上，分別調(diào)整每一個反射鏡外邊緣改變傾斜角，使平行于赤道面的入射光(春分和秋分時節(jié)的日光)，完全反射聚焦到對稱面與基準(zhǔn)圓柱面的上相交線上，該交線就是日光收集轉(zhuǎn)換器的初始位置，調(diào)整好后就可以將反射鏡固定下來。該裝置的圓柱面中軸線平行于地球緯度線，整個系統(tǒng)是通過很多個這種單元按直線排列組合而成，有足夠的長度。在春分和秋分時節(jié)，相對于地面參照系，太陽都在一個平面運(yùn)動，日光從早到晚都能聚焦到同一條直線上，不用移動日光收集轉(zhuǎn)換器，當(dāng)日期偏離春分和秋分時節(jié)，太陽不再是作平面運(yùn)動，早晚時候有南北向的偏離，隨著日光南北向入射角度的變化，聚焦線將沿著圓柱面有規(guī)律的移動，這種規(guī)律是可以根據(jù)日期和時間換算出該聚焦線的準(zhǔn)確位置的，只要將其固化為程序，通過一定的機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)動支架4繞固定軸3轉(zhuǎn)動的角度，就能使安裝在轉(zhuǎn)動支架4上的日光收集轉(zhuǎn)換器5能有效跟蹤聚焦線，收集到日光。
本發(fā)明的裝置的聚光比取決于反光鏡的設(shè)計(jì)和組成方式，可以參照以下方式確定反射鏡的組成如果采用凹面鏡組，取裝置的橫截面來討論，如圖4所示先設(shè)定一個偏離量(可以取收集轉(zhuǎn)換器直徑為偏離量)，以轉(zhuǎn)動軸的長度(基準(zhǔn)圓半徑)加上偏離量作為半徑，得到基準(zhǔn)圓的一個同心圓。以過軸心平行于赤道平面的平面為對稱面(在橫截面上表示為對稱線“P”)，對稱線“P”與基準(zhǔn)圓有兩個交點(diǎn)，以上交點(diǎn)“F”為焦點(diǎn)(該交點(diǎn)實(shí)際就是日光收集轉(zhuǎn)換器初始位置)，下交點(diǎn)“T”為頂點(diǎn)，可以得到一條拋物線(實(shí)際對應(yīng)的是一個拋物柱面)，該拋物線在上述兩同心圓之間的部分，就是第一塊反射鏡鏡面“M1”。過“M1”外邊緣作直線“P′”平行于“P”，“P′”與基準(zhǔn)圓相交點(diǎn)即為第二塊反光鏡“M2”內(nèi)邊緣的位置，同樣過“M2”內(nèi)邊緣位置并以“F”為焦點(diǎn)，得到第二條拋物線，按照同樣的原則就可以確定出一組拋物線組“L”(實(shí)際對應(yīng)的是一組拋物柱面)。保留拋物線組“L”在上述兩同心圓之間的部分，就得到所需要的凹面鏡組M1、M2、M3……。采用上述方法時，所設(shè)定的偏離量與轉(zhuǎn)動軸的長度的比值越小，裝置的聚焦性能越好，但比值過小反射鏡尺寸就小，反射鏡數(shù)量需要的多，安裝調(diào)整就越困難。
如果是平面鏡，則每一個平面鏡寬度應(yīng)小于或等于收集轉(zhuǎn)換器寬度或直徑，以上述對稱線“P”與基準(zhǔn)圓的下交點(diǎn)“T”為安裝第一塊反光鏡內(nèi)邊緣的位置，調(diào)整外邊緣使反射光聚焦到收集轉(zhuǎn)換器初始位置“F”，即固定了第一塊反光鏡，按照沿對稱線方向互不遮擋且所有反光鏡的內(nèi)邊緣都在基準(zhǔn)圓上的原則，就可以依次確定其他反光鏡位置，如果簡化了計(jì)算，平面反射鏡的數(shù)量就是聚光比。
反射槽還可以采用凹面鏡與平面鏡的組合，反射鏡數(shù)量與聚光比的大小是密切相關(guān)的，但并不是反射鏡越多越好，一方面調(diào)試復(fù)雜，另一方面互相遮擋影響會使聚光性能下降，以反射槽所對應(yīng)圓弧不超過1/3基準(zhǔn)圓圓周長為好。將多個上述裝置，以直線排列的方式級連足夠長度，日光的收集效率更高。支撐反光鏡組的槽狀固定支架可以永久固定，比如使用磚混結(jié)構(gòu)等方式。
權(quán)利要求
1.一種固定反射面的線聚焦太陽能裝置，其特征在于由固定支架(1)、一組沿柱面分布的反光鏡組(2)、位于柱面圓心的固定轉(zhuǎn)軸(3)、繞軸(3)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動支架(4)、與轉(zhuǎn)動支架(4)連接的日光收集轉(zhuǎn)換器(5)構(gòu)成；反光鏡組與日光收集轉(zhuǎn)換器共同分布在一個圓柱面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定反射面的線聚焦太陽能裝置，其特征在于反射槽由多塊長條形的互相平行的反光鏡組成，每塊反光鏡可以是凹面鏡，也可以是窄條的平面鏡，反光鏡調(diào)整好聚焦點(diǎn)后固定安裝在支架(1)的圓柱型的支撐體上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定反射面的線聚焦太陽能裝置，其特征在于所述的日光收集轉(zhuǎn)換器可以是光電轉(zhuǎn)換器，也可以是光熱轉(zhuǎn)換器，或者是其他太陽能轉(zhuǎn)換裝置。
全文摘要
本發(fā)明是固定反射面線聚光太陽能裝置。采用固定反射面結(jié)構(gòu)，繞固定軸心轉(zhuǎn)動日光收集轉(zhuǎn)換器，跟蹤聚焦線，從而達(dá)到聚光比高、簡單牢固、成本低廉的太陽能裝置。由于采用了固定反射面形式，就可以通過很簡單的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)控制日光收集轉(zhuǎn)換器繞固定軸心轉(zhuǎn)動，跟蹤聚焦線，整體結(jié)構(gòu)簡單牢固，避免了聚光式太陽能裝置跟蹤機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜難以控制的缺點(diǎn)，反射槽一經(jīng)建成可以長久使用，使聚光式太陽能裝置整體造價降低，可靠性大大提高，為大規(guī)模開發(fā)利用太陽能提供了一種較好的方法。
文檔編號F24J2/06GK1844791SQ20061001086
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者吳興柳 申請人:吳興柳