本發(fā)明屬于太陽能的光熱利用領(lǐng)域，具體涉及一種太陽追蹤系統(tǒng)和線性菲涅爾反射光熱裝置。

背景技術(shù)：

太陽能是地球分布最廣的可再生能源，針對太陽能的光伏發(fā)電、光熱利用等光熱利用裝置目前已廣泛得到應(yīng)用。為提高光伏、光熱裝置接收太陽光照的效率，通常采用東西向轉(zhuǎn)動的方位角追蹤系統(tǒng)和(或)南北向轉(zhuǎn)動的俯仰角追蹤系統(tǒng)。

常見的太陽追蹤系統(tǒng)使用電機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向機械機構(gòu)，電機通常是按照自動控制裝置的指令進(jìn)行點動式調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)不能連續(xù)進(jìn)行；追日過程往往需要電機頻繁啟動，而每次電機啟動均需要克服較大的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，且由于一套電機及減速裝置往往對應(yīng)多個光伏裝置，造成每次電機啟動時的機械應(yīng)力較為集中，以上因素導(dǎo)致采用電機調(diào)節(jié)的追日裝置成本高、能耗和維護(hù)難度大、運行穩(wěn)定性差。

申請公布號為cn105429574a的專利公開了一種自調(diào)節(jié)光伏組件支架及其調(diào)節(jié)方法，該自調(diào)節(jié)光伏組件支架包括支架立柱(基座)以及與支架立柱連接，可沿自身軸向方向轉(zhuǎn)動的支架主梁，支架主梁上設(shè)置向外延伸的延伸支架(支撐架)，還包括設(shè)置在延伸支架上的配重結(jié)構(gòu)，用于使所述延伸支架的重心與所述支架主梁不重合；延伸支架上還設(shè)有動力水箱，動力水箱設(shè)置有排水管道和流量控制閥門，通過控制動力水箱定量排水使動力水箱的重量變化，所述延伸支架轉(zhuǎn)動到相應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)延伸支架力矩平衡的傾斜角度。該自調(diào)節(jié)光伏組件支架降低了傳統(tǒng)追日系統(tǒng)的控制難度，但配重結(jié)構(gòu)及水箱排水管路的設(shè)置較為復(fù)雜，追蹤精度相對較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種太陽追蹤系統(tǒng)，從而解決現(xiàn)有太陽追蹤系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。本發(fā)明同時提供一種線性菲涅爾反射光熱裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的技術(shù)方案是：

一種太陽追蹤系統(tǒng)，包括基座和和相對基座俯仰擺動的支撐架，支撐架的相對兩側(cè)分別設(shè)有第一液箱和第二液箱，第一液箱和第二液箱之間連接有連通管和連通泵，用于第一液箱、第二液箱內(nèi)的液體相互流通，第一液箱、第二液箱內(nèi)的液重變化產(chǎn)生力矩和支撐架及其支撐物的重心力矩平衡使支撐架的轉(zhuǎn)向發(fā)生變化。

本發(fā)明提供的太陽追蹤系統(tǒng)，通過支撐架兩側(cè)的第一液箱、第二液箱內(nèi)的液重變化產(chǎn)生力矩平衡使支撐架的朝向發(fā)生變化，實現(xiàn)太陽追蹤功能；第一液箱、第二液箱內(nèi)的液體相互流通、循環(huán)流動，巧妙地簡化了配重結(jié)構(gòu)及水箱連接管路的結(jié)構(gòu)，使支撐架的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)更加便捷、準(zhǔn)確。

第一液箱、第二液箱具有密封結(jié)構(gòu)，第一液箱、第二液箱的頂部之間連接有通氣管。

支撐架的轉(zhuǎn)動軸線沿東西方向延伸，支撐架在南北方向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)俯仰角追蹤；或者支撐架的轉(zhuǎn)向軸線沿南北方向延伸，支撐架在東西方向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)方位角追蹤。

基座和支撐架的相對俯仰擺動可采用多種方式，如可采用以下方式：

支撐架通過剛性連接桿與基座轉(zhuǎn)動連接。基座包括間隔設(shè)置的立柱，立柱之間形成供支撐架轉(zhuǎn)動的空間。該支撐架形成懸吊支撐架，懸吊支撐架可通過以下方式實現(xiàn)，如立柱上設(shè)有支撐軸承，立柱與支撐軸承的內(nèi)圈連接，剛性懸吊臂與支撐軸承的外圈連接實現(xiàn)轉(zhuǎn)動連接。或者支撐架通過吊索懸吊于基座上，實現(xiàn)俯仰擺動。

基座上設(shè)有凹槽，支撐架上設(shè)有與凹槽滾動配合的圓弧面，支撐架相對基座滾動實現(xiàn)俯仰擺動。

所述支撐架上布置光伏組件，可以用于光伏發(fā)電的太陽追蹤系統(tǒng)。也可通過反射鏡和集熱管的設(shè)置使該太陽追蹤系統(tǒng)形成光熱裝置。

優(yōu)選的，所述支撐架上設(shè)有反射鏡，所述太陽追蹤系統(tǒng)還包括用于接收反射鏡反射光線的集熱管。

優(yōu)選的，所述支撐架上設(shè)有菲涅爾透鏡，所述太陽追蹤系統(tǒng)還包括用于接收菲涅爾透鏡聚焦光線的集熱管；該太陽追蹤系統(tǒng)形成線性菲涅爾透鏡光熱裝置。

優(yōu)選的，所述支撐架上間隔設(shè)有多個呈線性菲涅爾反射方式設(shè)置的長條形反射鏡，所述太陽追蹤系統(tǒng)還包括用于接收各長條形反射鏡反射光線的集熱管；該太陽追蹤系統(tǒng)形成線性菲涅爾反射光熱裝置。

進(jìn)一步優(yōu)選的，針對懸吊支撐架的情形，支撐架上設(shè)有反射鏡或菲涅爾透鏡，立柱上設(shè)有用于接收反射光線或透射光線的集熱管。可通過將集熱管固定設(shè)于支撐軸承的內(nèi)圈或設(shè)于與基座連接的安裝座上，來實現(xiàn)集熱管與基座的固定連接，從而保證集熱管和外部采熱管路可采用剛性連接的形式，提高集熱液流道的安全性和可靠性。

針對底座為凹槽的情形，優(yōu)選的，所述凹槽包括直線段和設(shè)于直線段兩端的圓弧段，圓弧段用于將支撐架限位于最大轉(zhuǎn)向角度處。

優(yōu)選的，第一液箱、第二液箱為軸線與支撐架的轉(zhuǎn)動軸線平行的圓柱體，圓柱體的長度與支撐架的長度接近。采用圓柱體水箱，可使形成的力矩分布比較均勻，避免轉(zhuǎn)動過程形成的應(yīng)力過于集中。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)，采用懸吊臂的懸吊支撐架具有自穩(wěn)定平衡的功能，整體重心在懸吊點之下，強風(fēng)情況下，能夠通過懸吊支撐架的適度擺動，有效地減小強風(fēng)的破壞作用，風(fēng)力減小時，可以迅速自恢復(fù)穩(wěn)態(tài)平衡；通過兩側(cè)水箱的水量調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)高精度的方位角或俯仰角追蹤。

本發(fā)明的線性菲涅爾反射光熱裝置的技術(shù)方案是：

一種線性菲涅爾反射光熱裝置，包括反射鏡呈線性菲涅爾反射方式布置的多個太陽追蹤系統(tǒng)，集熱管和支撐集熱管的支撐柱，所述太陽追蹤系統(tǒng)包括基座和和相對基座俯仰擺動的支撐架，支撐架的相對兩側(cè)分別設(shè)有第一液箱和第二液箱，第一液箱和第二液箱之間連接有連通管和連通泵，用于第一液箱、第二液箱內(nèi)的液體相互流通，第一液箱、第二液箱內(nèi)的液重變化產(chǎn)生力矩和支撐架及其支撐物的重心力矩平衡使支撐架的轉(zhuǎn)向發(fā)生變化。

基座與支撐架實現(xiàn)相對俯仰擺動的實現(xiàn)方式與上述相同。

本發(fā)明的線性菲涅爾反射光熱裝置，各太陽追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，追蹤精度高，可有效降低成本，提高光熱裝置的光熱轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1的太陽追蹤系統(tǒng)的側(cè)視圖；

圖2為圖1的立體示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例2的太陽追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中懸吊臂采用吊索形式；

圖4為懸吊支撐架處于受力平衡狀態(tài)的示意圖；

圖5為左右對稱結(jié)構(gòu)的懸吊支撐架的重心向右偏轉(zhuǎn)后的受力分析；

圖6為東西兩側(cè)水箱之間的水量變化過程示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例3的太陽追蹤系統(tǒng)處于一個俯仰角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例3的太陽追蹤系統(tǒng)處于另一個俯仰角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為方位角追蹤下的系統(tǒng)控制框圖；

圖10為俯仰角追蹤下的系統(tǒng)控制框圖；

圖11為本發(fā)明實施例4的太陽追蹤系統(tǒng)作為槽式線性聚光反射光熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12為圖11的立體示意圖；

圖13為本發(fā)明實施例5的太陽追蹤系統(tǒng)作為菲涅爾線性透鏡光熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14為圖13的立體示意圖；

圖15為實施例5的太陽追蹤系統(tǒng)的力矩分析圖；

圖16為本發(fā)明實施例6的太陽追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖17為本發(fā)明實施例7的太陽追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖18為本發(fā)明實施例8的太陽追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖19為本發(fā)明實施例9的太陽追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖20為圖19的立體示意圖；

圖21為實施例9的太陽追蹤系統(tǒng)的受力平衡狀態(tài)示意圖；

圖22為實施例9的太陽追蹤系統(tǒng)在重心向右偏轉(zhuǎn)后的受力分析；

圖23為本發(fā)明實施例10的太陽追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖24為圖23的立體示意圖；

圖25為本發(fā)明實施例11的線性菲涅爾反射光熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖26為本發(fā)明實施例12的線性菲涅爾反射光熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例1，如圖1至圖2所示，包括沿南北方向排列的北立柱1和南立柱2，北立柱1、南立柱2的頂端均設(shè)有支撐軸承3，北立柱1、南立柱2之間設(shè)置支撐架4，支撐架4通過懸吊臂5與支撐軸承3的外圈相連接，北立柱1、南立柱2與支撐軸承的內(nèi)圈相連接，支撐架的東側(cè)設(shè)有長度沿南北方向延伸的第一水箱6，支撐架的西側(cè)設(shè)有長度沿南北方向延伸的第二水箱7，第一水箱6、第二水箱7均為封閉的圓柱體形，第一水箱6、第二水箱7之間連接有通水管8和雙向計量泵9，第一水箱6、第二水箱7的頂部之間連接有通氣管10，北立柱上設(shè)有用于限制最大轉(zhuǎn)向角度的限位器11；懸吊臂5采用剛性材料。

支撐架上設(shè)置光伏組件或光熱組件，應(yīng)用于光熱組件時，集熱管12設(shè)于支撐軸承的內(nèi)圈內(nèi)；該種方式實現(xiàn)集熱管固定布置，和外部管道形成剛性連接，與傳統(tǒng)槽式集熱裝置相比，能夠有效提高集熱液流道的安全性和可靠性。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例2，如圖3所示，懸吊臂采用吊索形式連接與立柱上的懸吊點上，立柱頂端設(shè)置集熱管支撐座13和集熱管，其他結(jié)構(gòu)與上述太陽追蹤系統(tǒng)的實施例1相同。

實施例1和實施例2的支撐架(懸吊支撐架)的三種轉(zhuǎn)向角度和力矩分析如圖4和圖5所示，圖4中，設(shè)定兩側(cè)水箱對稱布置，其中，懸吊支撐架及其上支撐物的質(zhì)量為m1，其重心低于立柱上的懸吊點，左側(cè)水箱及其內(nèi)水的質(zhì)量為m2，右側(cè)水箱及其內(nèi)水的質(zhì)量為m3，記m2+m3＝m0(定值)；

左圖為兩側(cè)水箱內(nèi)水量相等時的受力平衡狀態(tài)，懸吊支撐架的重心位于懸吊點的正下方，此時，m2＝m3，懸吊支撐架的重心相對于懸吊點間的力臂為零；當(dāng)遇到強風(fēng)情況、無光照時，控制兩側(cè)水箱內(nèi)的水箱相等，懸吊支撐架保持水平狀態(tài)，能夠有效減小風(fēng)力的影響；

中圖為m2>m3時，懸吊支撐架逆時針轉(zhuǎn)動一定角度，懸吊支撐架的重心位于懸吊點的右側(cè)；m2-m3越大，懸吊支撐架的重心和懸吊點間的力臂越大；

右圖為m2<m3時，懸吊支撐架順時針轉(zhuǎn)動一定角度，懸吊支撐架的重心位于懸吊點的左側(cè)。m2-m3越小，懸吊支撐架的重心相對于懸吊點間的力臂越大；

由于懸吊支撐架的重心、水箱的重心均在懸吊點之下，因此，懸吊支撐架能夠保持一種穩(wěn)態(tài)平衡，調(diào)節(jié)兩側(cè)水箱內(nèi)的水量，可以實現(xiàn)懸吊支撐架的轉(zhuǎn)動；m2+m3＝m0的水量須控制在合理的范圍內(nèi)，除了能滿足太陽追蹤的角度要求外，質(zhì)量不宜過大，還應(yīng)滿足追蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，風(fēng)速低于一定值時，裝置不應(yīng)發(fā)生擺動；風(fēng)速高于一定值時，允許裝置能夠適度擺動，減少風(fēng)力的破壞作用，當(dāng)風(fēng)速下降后，能夠迅速自我恢復(fù)穩(wěn)定，不再擺動。在其他情況下，也可將本發(fā)明的裝置布置于玻璃房內(nèi)，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和精確性。

圖5以圖4中圖為基礎(chǔ)，分析了左右對稱結(jié)構(gòu)的懸吊支撐架的重心向右偏轉(zhuǎn)后的受力分析，懸吊支撐架重心繞懸吊點轉(zhuǎn)過的角度和某側(cè)水箱內(nèi)的水量是一種確定關(guān)系：

兩側(cè)水箱重心、懸吊點之間的連線和支撐架對稱平面間的角度為β，對水箱重心，為簡化起見，認(rèn)為始終處于水箱軸心處，水箱重心和懸吊點距離為r2，懸吊支撐架重心和懸吊點距離為r1；增大m2值，相對應(yīng)減小m3值，懸吊支撐架重心偏轉(zhuǎn)角度為α；

根據(jù)力矩平衡關(guān)系，可以得出：

m2*g*r2*sin(β-α)＝m1*g*r1*sinα+m3*g*r2*sin(β+α)；

m2*r2*(sinβ*cosα-cosβ*sinα)＝m1*r1*sinα+m3*r2*((sinβ*cosα+cosβ*sinα)；

得tgα＝(m2*r2-m3*r2)/(m1*r1/sinβ+(m2*r2+m3*r2)*ctgβ)；

因為m2+m3＝m0，故tgα＝(2m2*r2-m0*r2)/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)＝2m2*r2/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)-m0*r2/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)；

由于m0、m1、r1、r2、β均為固定值，

令a＝2r2/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)，b＝-m0*r2/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)；

則tgα＝a*m2+b，其中，a>0，b<0；

當(dāng)m2＝m0/2時，tgα＝0；當(dāng)m2>m0/2時，tgα>0；當(dāng)m2<m0/2時，tgα<0。

可以看出，tgα和m2之間呈線性正相關(guān)關(guān)系；

追蹤裝置的旋轉(zhuǎn)角度α應(yīng)當(dāng)和太陽方位角或俯仰角一致，即追蹤裝置的旋轉(zhuǎn)角度α和相應(yīng)時間成線性關(guān)系，調(diào)整m2值和調(diào)整追蹤系統(tǒng)角度之間的對應(yīng)關(guān)系是非線性的確定關(guān)系；當(dāng)連續(xù)調(diào)節(jié)水量時，水量的調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是非線性的，可采用自動調(diào)整流速的計量泵；當(dāng)間歇式調(diào)節(jié)水量時，水量調(diào)節(jié)的時間間隔應(yīng)當(dāng)是非線性的，若時間間隔是確定的，每次調(diào)整的水量時非線性的；連續(xù)水量調(diào)節(jié)過程宜選用自動調(diào)節(jié)裝置，適用于方位角追蹤過程；間歇式調(diào)節(jié)，手動和自動調(diào)節(jié)均可，適用于俯仰角追蹤過程。

圖6給出了東西兩側(cè)水箱之間的水量變化過程，上圖中，東側(cè)水箱位置低于西側(cè)水箱，東側(cè)水箱經(jīng)雙向計量泵，通過水箱底部的通水管向西側(cè)水箱上水，水箱頂部相連接的通氣管內(nèi)，西側(cè)水箱內(nèi)的氣體流向東側(cè)水箱；下圖中，東側(cè)水箱位置低于西側(cè)水箱，西側(cè)水箱經(jīng)雙向計量泵，通過水箱底部的通水管向東側(cè)水箱上水；水箱頂部相接的通氣管內(nèi)，東側(cè)水箱內(nèi)的氣體流向西側(cè)水箱。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例3，如圖7和圖8所示，立柱沿東西方向排列，立柱上設(shè)有上側(cè)限位器110和下側(cè)限位器111，支撐架上設(shè)有光伏組件14，其他結(jié)構(gòu)可參考上述太陽追蹤系統(tǒng)的實施例1。

圖7中，夏至日時，懸吊支撐架旋轉(zhuǎn)至上側(cè)限位器處，俯仰角為最小值；圖8中，冬至日時，懸吊支撐架旋轉(zhuǎn)至下側(cè)限位器處，俯仰角為最大值。

圖9給出了針對實施例1和實施例2的方位角追蹤的情況下，系統(tǒng)的控制框圖，設(shè)定的控制方位角由當(dāng)前時間計算得到，作為前饋；實測的方位角作為反饋，和控制方位角比較，修正雙向計量水泵的流速值；方位角追蹤時，在日出之前，用水泵向東側(cè)水箱內(nèi)注水，直至懸吊支撐架旋轉(zhuǎn)至東側(cè)限位器處，在追蹤太陽方位角過程中，通過懸吊支撐架方位角和當(dāng)前時間對應(yīng)的方位角差值，調(diào)整水泵流速，滿足方位角追蹤要求，直至懸吊支撐架旋轉(zhuǎn)至西側(cè)限位器處。

圖10給出了針對實施例3的俯仰角追蹤的情況下，系統(tǒng)的控制框圖，設(shè)定的控制俯仰角由當(dāng)前時間計算得到，作為前饋；實測的俯仰角作為反饋，和控制俯仰角比較，若采用連續(xù)調(diào)節(jié)方式，修正雙向計量泵的流速值；若使用間歇式調(diào)節(jié)，則當(dāng)偏差達(dá)到設(shè)定值以上，啟動水泵，水泵按照給定的運轉(zhuǎn)時間長度、轉(zhuǎn)向進(jìn)行一次泵水；考慮到俯仰角的變化速度緩慢，優(yōu)選采用間歇式調(diào)節(jié)，雙向計量泵可選擇為雙向泵即可，泵水的時間間隔、每次泵水的時間長度、水泵轉(zhuǎn)向由控制裝置調(diào)整；俯仰角追蹤時，冬至日時，南側(cè)水箱內(nèi)的水量達(dá)到最大值，南側(cè)水箱內(nèi)的水量達(dá)到最大值，懸吊支撐架至下側(cè)限位器處，冬至后當(dāng)懸吊支撐架俯仰角和日歷時間對應(yīng)的俯仰角的差值達(dá)到設(shè)定值，通過水泵向北側(cè)水箱進(jìn)行一次定量上水，滿足俯仰角追蹤要求，直至夏至日時，懸吊支撐架旋轉(zhuǎn)至上側(cè)限位器處；或者根據(jù)懸吊支撐架俯仰角和時鐘對應(yīng)的俯仰角的差值，調(diào)整水泵流速，滿足俯仰角追蹤要求；夏至日后的調(diào)整過程相反。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例4，如圖11和圖12所示，支撐架的截面為拋物線形，在支撐架上設(shè)置拋物線形槽式反射鏡15，位于支撐軸承內(nèi)圈的集熱管接收反射鏡反射后聚集的光線，其他結(jié)構(gòu)與上述太陽追蹤系統(tǒng)的實施例1相同。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例5，如圖13和圖14所示，支撐架4為x形，具有頂部開口、底部開口和中心交叉部，頂部開口內(nèi)設(shè)置菲涅爾透鏡16，底部開口內(nèi)設(shè)置連接底部兩端的橫撐17，中心交叉部連接于支撐軸承的外圈上；集熱管位于支撐軸承的內(nèi)圈中，用于接收菲涅爾透鏡的聚集光線，其他結(jié)構(gòu)與上述太陽追蹤系統(tǒng)的實施例1相同。

實施例5中，兩個水箱及其內(nèi)水的重量顯著大于菲涅爾透鏡的重量；圖15給出了實施例5的力矩分析圖，懸吊支撐架及其上支撐物的重心位于支撐軸承之上，懸吊支撐架重心相對于支持軸承軸心轉(zhuǎn)過的角度和某側(cè)水箱內(nèi)數(shù)量之間是一種確定關(guān)系：兩側(cè)水箱重心、懸吊點連線與支撐架對稱平面間角度為β，對水箱重心，為簡化起見，認(rèn)為始終處于水箱軸心處，水箱重心和支持軸承軸心距離為r2，懸吊支撐架及其上支撐物的重心和支持軸承軸心距離為r1，通常高于支持軸承軸心。增大m2值，相對應(yīng)減小m3值，懸吊支撐架重心偏轉(zhuǎn)角度為α。

根據(jù)力矩平衡關(guān)系，可以得出：

m2*g*r2*sin(β-α)+m1*g*r1*sinα＝m3*g*r2*sin(β+α)；

m2*r2*(sinβ*cosα-cosβ*sinα)+m1*r1*sinα＝m3*r2*((sinβ*cosα+cosβ*sinα)；

得tgα＝(m2*r2-m3*r2)/(-m1*r1/sinβ+(m2*r2+m3*r2)*ctgβ)；

因為m2+m3＝m0，故tgα＝(2m2*r2-m0*r2)/(-m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)

＝2m2*r2/(-m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)-m0*r2/(-m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)；

由于m0、m1、r1、r2、β均為固定值，

令a＝2r2/(-m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)，b＝-m0*r2/(-m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)；

則tgα＝a*m2+b；為保持m2和tgα之間是線性正相關(guān)，才能保證懸吊支撐架的穩(wěn)態(tài)平衡，必須有a>0，即-m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ>0，即m1<(m0*r2*cosβ)/r1。

可以看出，tgα和m2之間呈線性正相關(guān)關(guān)系。追蹤裝置的旋轉(zhuǎn)角度α應(yīng)當(dāng)和太陽方位角或俯仰角一致，即追蹤裝置的旋轉(zhuǎn)角度α和相應(yīng)時間成線性關(guān)系，具體調(diào)節(jié)過程可參考上述實施例1和實施例2的相關(guān)描述。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例6，如圖16所示，直線形支撐架上間隔設(shè)有多個呈線性菲涅爾方式布置的長條形反射鏡18，反射鏡的橫截面為較窄的直線段或微弧段，每個反射鏡和支撐架的夾角為固定值，其他結(jié)構(gòu)同實施例2。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例7，如圖17所示，支撐架的截面為弧形，多個呈線性菲涅爾方式布置的長條形反射鏡18設(shè)置于支撐架上，每個反射鏡和支撐架的夾角為固定值，其他結(jié)構(gòu)同實施例2。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例8，如圖18所示，支撐架的截面為拋物線形，多個呈線性菲涅爾方式布置的長條形反射鏡18設(shè)置于支撐架上，各反射鏡為與支撐架貼合的平板反射鏡，相鄰平板反射鏡之間具有間隙。

實施例6～8的太陽追蹤系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)線性槽式反射和線性菲涅爾式反射的光熱裝置的優(yōu)點，在追蹤系統(tǒng)的作用下，支撐架的對稱平面始終保持和入射光線平行，反射鏡的反射光線聚集至集熱管上，呈線聚焦方式，反射鏡的寬度及傾斜角度應(yīng)滿足反射光線聚集至集熱管的要求；

相對于傳統(tǒng)菲涅爾反射方式，該實施例的太陽追蹤系統(tǒng)的各反射鏡共用一套追蹤裝置，追蹤裝置的控制得以簡化，采用連續(xù)追蹤方式，可以獲得很高的追蹤精度；同時反射鏡和支撐架之間是固定連接，所有反射鏡的入射、反射角度始終保持固定值，線聚焦性能好；集熱管上述無須布置二次反射鏡，集熱效率高，集熱管內(nèi)的集熱液可以被加熱到更高的溫度。

相對于傳統(tǒng)槽式反射方式，集熱管固定布置，和外部管道間是剛性連接；反射鏡可以是多個平板或微弧形的條形反射鏡，反射面積大幅增加，反射鏡的制造成本大幅下降；懸吊支撐架方式的防風(fēng)性能好，強風(fēng)下，通過一定程度的擺動，減小風(fēng)力破壞作用；相鄰反射鏡之間有一定的縫隙，用于風(fēng)通道、雨雪水通道。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例9，如圖19和圖20所示，包括沿南北方向排列的平行間隔設(shè)置的北底座19和南底座20，北底座19、南底座20的頂端設(shè)有凹槽21，凹槽21包括直線段210和設(shè)置在直線段210兩端的圓弧段211，支撐架為圓弧形，具有與凹槽21滾動配合的圓弧形底面22，支撐架的東側(cè)設(shè)有長度沿南北方向延伸的第一水箱6，支撐架的西側(cè)設(shè)有長度沿南北方向延伸的第二水箱7，第一水箱6、第二水箱7均為封閉的圓柱體形，第一水箱6、第二水箱7之間連接有通水管8和雙向計量泵9，第一水箱6、第二水箱7的頂部之間連接有通氣管10；改變兩側(cè)水箱內(nèi)的水量，在水箱重力、支撐架及其上支撐物的重力形成的力矩的共同作用下，支撐架在凹槽范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)太陽追蹤功能。

實施例9中凹槽的圓弧段的半徑不小于圓弧形支撐架的半徑，圓弧段的作用是限定支撐架的轉(zhuǎn)動范圍，相當(dāng)于限位器的作用，當(dāng)遇到較大的風(fēng)力的情況下，保持支撐架(轉(zhuǎn)動架)限定在凹槽(轉(zhuǎn)動槽)內(nèi)。轉(zhuǎn)動槽的直線段的長度根據(jù)轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)動范圍確定。轉(zhuǎn)動槽的直線段長度l等于轉(zhuǎn)動角度的弧度乘以轉(zhuǎn)向架的半徑r，即l＝αr。例如，用于俯仰角追蹤時，轉(zhuǎn)動角度范圍為47°＝2*23.5°，則l＝47°/360°*2π*r。例如，用于方位角追蹤時，若轉(zhuǎn)動角度范圍為2*60°＝120°，則l＝120°/360°*2π*r＝2πr/3。

實施例9的懸吊支撐架的三種轉(zhuǎn)向角度和力矩分析圖如圖21和圖22所示，設(shè)定兩側(cè)水箱對稱布置，其中支撐架及其上支撐物的質(zhì)量為m1，在支撐架處于水平狀態(tài)時，支撐架及其上支撐物的重心低于圓弧形支撐架的圓心；穩(wěn)態(tài)時，支撐架和凹槽的接觸點始終處于支撐架圓心的正下方；

左側(cè)水箱及其內(nèi)水的質(zhì)量為m2，右側(cè)水箱及其內(nèi)水的質(zhì)量為m3，記m2+m3＝m0，m0為定值；

以支撐架為杠桿，支撐架和凹槽的接觸點為支點，支撐架的重心、兩側(cè)水箱的重心產(chǎn)生力矩的作用，當(dāng)三者合成的重心在接觸點正上方時，能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)；在不受外力作用時，當(dāng)三者合成的重心不在接觸點正上方時，支撐架會發(fā)生一定轉(zhuǎn)動，直至合成的重心在接觸點正上方；在受外力作用下，三者合成重心產(chǎn)生的力矩和外力力矩平衡，支撐架會發(fā)生一定轉(zhuǎn)動，達(dá)到平衡，當(dāng)外力消除時，支撐架轉(zhuǎn)動一定程度，三者合成重心仍保持在接觸點正上方，形成“不倒翁”。

圖21中，左圖為兩側(cè)水箱內(nèi)水箱相等時的受力平衡狀態(tài)，支撐架的重心位于圓弧形支撐架圓心的正下方，m2＝m3，支撐架的重心和接觸點間的力臂為零；由于兩側(cè)水箱內(nèi)水的質(zhì)量一致，支撐架所受力矩平衡，保持穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)遇到強風(fēng)情況時、在無光照時，控制兩側(cè)水箱內(nèi)的水量相同，支撐架保持水平狀態(tài)，能夠有效減小風(fēng)力的影響；

中圖為m2>m3時，支撐架沿逆時針轉(zhuǎn)動一定角度，支撐架的重心位于接觸點的右側(cè)；m2-m3越大，支撐架的重心相對于接觸點間的力臂越大；

右圖為m2<m3時，支撐架沿順時針轉(zhuǎn)動一定角度，支撐架的重心位于接觸點的左側(cè)；m2-m3越小，支撐架的重心相對于接觸點間的力臂越大；

調(diào)節(jié)兩側(cè)水箱內(nèi)的水量，可以實現(xiàn)支撐架的轉(zhuǎn)動，直至兩側(cè)水箱和支撐架重量的合成重心位于接觸點的正上方?；蛘哒f轉(zhuǎn)動至一定接觸點，兩側(cè)水箱和支撐架重量作用于該接觸點上的力矩平衡。

圖22中，以圖21中圖為基礎(chǔ)，分析了左右對稱結(jié)構(gòu)的支撐架的重心向右偏轉(zhuǎn)后的受力分析。轉(zhuǎn)向架相對于支撐架水平時轉(zhuǎn)過的角度和某側(cè)水箱內(nèi)水的質(zhì)量之間是一種確定關(guān)系。

支撐架水平時，兩側(cè)水箱重心和支撐架圓心間連線，該連線和經(jīng)支撐架圓心的垂線間夾角為β。對水箱重心，為簡化起見，認(rèn)為其始終處于水箱軸心處，水箱重心和轉(zhuǎn)向架圓心間距離為r2，支撐架重心和轉(zhuǎn)向架圓心間距離為r1。增大m2值，相對應(yīng)減小m3值，轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)過的角度為α。

根據(jù)力矩平衡關(guān)系，可以得出：

m2*g*r2*sin(β-α)＝m1*g*r1*sinα+m3*g*r2*sin(β+α)；

m2*r2*(sinβ*cosα-cosβ*sinα)＝m1*r1*sinα+m3*r2*((sinβ*cosα+cosβ*sinα)；

得tgα＝(m2*r2-m3*r2)/(m1*r1/sinβ+(m2*r2+m3*r2)*ctgβ)；

因為m2+m3＝m0，故tgα＝(2m2*r2-m0*r2)/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)＝2m2*r2/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)-m0*r2/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)；

由于m0、m1、r1、r2、β均為固定值，

令a＝2r2/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)，b＝-m0*r2/(m1*r1/sinβ+m0*r2*ctgβ)；

則tgα＝a*m2+b，其中，a>0，b<0；當(dāng)m2＝m0/2時，tgα＝0；當(dāng)m2>m0/2時，tgα>0；當(dāng)m2<m0/2時，tgα<0。

可以看出，tgα和m2之間呈線性正相關(guān)關(guān)系。

實施例9的具體調(diào)節(jié)過程、東西兩側(cè)水箱之間的水量變化過程、用于方位角和俯仰角追蹤的控制框圖可參考實施例1和實施例2；用于方位角追蹤時，底座沿南北方向排列，支撐架具有東側(cè)水箱和西側(cè)水箱，日出之前，用水泵向東側(cè)水箱內(nèi)注水，支撐架最多轉(zhuǎn)動至凹槽東側(cè)的圓弧段處，圓弧段起到限位器作用；在追蹤太陽方位角過程中，通過支撐架方位角和時鐘對應(yīng)的方位角的差值，調(diào)整水泵流速，滿足方位角追蹤要求，支撐架最多旋轉(zhuǎn)至西側(cè)的圓弧段處。用于俯仰角追蹤時，冬至日時，南側(cè)水箱內(nèi)的水量達(dá)到最大值，支撐架轉(zhuǎn)動至南側(cè)的圓弧段處，支撐架的俯仰角等于冬至日時的俯仰角；冬至后，每當(dāng)支撐架俯仰角和日歷時間對應(yīng)的俯仰角的差值達(dá)到設(shè)定值，通過水泵向北側(cè)水箱進(jìn)行一次定量上水，滿足俯仰角追蹤要求，直至夏至日時，支撐架旋轉(zhuǎn)至北側(cè)圓弧段處，支撐架的俯仰角等于夏至日時的俯仰角；或者根據(jù)支撐架俯仰角和時鐘對應(yīng)的俯仰角的差值，調(diào)整水泵流速，滿足俯仰角追蹤要求；夏至日后調(diào)整過程相反。

本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的實施例10，如圖23和圖24所示，圓弧形支撐架上設(shè)有拋物線形槽式反射鏡15，支撐架中部設(shè)有沿南北方向平行間隔設(shè)置的集熱管支撐柱23，在集熱管支撐柱上通過集熱管支撐座設(shè)置沿南北方向延伸的集熱管12，其他結(jié)構(gòu)可參照實施例9。

在本發(fā)明的太陽追蹤系統(tǒng)的其他實施例中，水箱內(nèi)的液體可以是油、防凍液等，通水管和雙向計量泵還可以是兩路通水管、單向計量泵、電磁閥結(jié)構(gòu)，分別實現(xiàn)兩個水箱之間的雙向泵送。

本發(fā)明的線性菲涅爾反射光熱裝置的實施例11，如圖25所示，包括多個反射鏡呈線性菲涅爾方式設(shè)置的太陽追蹤系統(tǒng)24，所述太陽追蹤系統(tǒng)包括凹槽和與凹槽滾動配合的支撐架，支撐架兩側(cè)設(shè)有第一水箱和第二水箱，第一水箱、第二水箱之間連接有通水管和雙向計量泵，第一水箱、第二水箱的頂部之間連接有通氣管，在支撐架上設(shè)置所述反射鏡；所述線性菲涅爾反射光熱裝置還包括支撐柱23和設(shè)置在支撐柱23上的集熱管12，支撐柱23上還設(shè)有位于集熱管12上方的用于將反射光線聚集到集熱管上的二次反射鏡25。

本發(fā)明的線性菲涅爾反射光熱裝置的實施例12，如圖26所示，太陽追蹤系統(tǒng)采用實施例1的結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)同實施例11，在此不再詳述。