CN101852499A - 可调聚焦比的碟式定焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可调聚焦比的碟式定焦装置，属太阳能光热利用领域。由于现在的碟式聚光镜的焦点不能固定，而能固定焦点的一些聚光镜又有余弦效应。而本发明既要解决余弦问题，又要将焦点固定，还要将固定的聚焦比能够自动调整。本发明主要包括碟式聚光镜、光路调整器、球形受热器、控温仪等，主要是将光热作用点放在碟式聚光镜的旋转中心，并在碟式聚光镜的焦点处置一光路调整器，将聚集的光束调整到碟式聚光镜的旋转中心，同时可调整光斑的大小。辅以导热及储热设备，便可向人们提供了一个可在任何时候(白天、夜晚)任何地点(室内、室外)，并可随意调整温度的热源。本发明不仅光热效率高，用途也十分广泛。家庭可以用来烧水、做饭、制冷、取暖，企业可用来烘干、发电等等。

Description

可调聚焦比的碟式定焦装置

技术领域

本发明属太阳能光热利用领域，特别涉及到固定焦点的碟式聚光装置。

背景技术

在太阳能光热利用领域，由于太阳的光线密度太低，要想获得较高温度，必须使用太阳能聚光装置。目前，太阳能聚光装置大致有三种：一是众多平面反射镜将所反射的光斑叠加在一起，以加大光线的密度，如塔式发电设备。其优点是：把焦点固定在一定位置，便于光热的利用。缺点是：阳光对平面反射镜的余弦变化很大，致使光斑面积大小悬殊，热效率低；为了减小余弦变化带来的影响，只好把塔建的很高，动辄百十米，加大了投资，仍然克服不了余弦效应带来的影响，因此效率较低。这是到目前为止，还未走入市场的主要原因。另外，塔式聚光设备，靠的是众多单元的定日镜场，来达到目的的，只能大型企业应用，一般家庭是无法应用的。二是槽式聚光装置。聚光镜属于抛物线平移所得镜面。优点是：余弦变化相对较小，热效率比塔式有所提高。缺点是：焦点不集中而为一线型，一般只可取得中温；另，焦线也随俯仰角的变动而变动，利用范围受限制。三是碟式聚光镜。反射面由抛物线旋转所得。优点是：通过跟踪太阳，受光平面始终垂直阳光而没有余弦变化，焦点集中，因而聚焦比大，可获得高温，效率最高。缺点是：焦点是随反射镜跟着太阳的转动而转动，不方便光热利用。于是，目前又出现了许多固定焦点的聚光装置的研究。有把镜面设计成双向可变曲率，数字技术高次曲面，等等，不一而足，大都取得了较好的效果。但所有这些，又有一个共同的不足之处，即由于聚光镜与焦点是分立的，聚光镜面不能随时垂直阳光，因此仍然不能克服余弦效应，这就是目前太阳能利用装置领域存在的现实情况：即以塔式为代表的各种固定焦点的聚光镜，固定了焦点但没有解决余弦问题；而碟式聚光镜，没有余弦问题，但焦点不能固定。

另外，在这个领域，到目前为止，还有大家都很少涉及到的问题：由于聚光镜的精度，以及与受热器的距离是固定的，因此，聚焦比也是固定的，受热器上得到的光斑面积是固定的(指碟式聚光镜。其他聚光镜若不考虑余弦问题，光斑面积也是固定的)。但是，太阳在不同时间(早、中、晚)不同的天气(如晴天，多云等)的情况下，光照强度也是不同的，因此，受热器所能达到的温度也是不同的，这就使许多装置，特别是利用太阳能产生高温的装置，利用效率很低，只能在中午时段，阳光比较好的情况下利用，而其余时间，因太阳光线强度不够，光斑达不到所需温度，而无法利用。

发明内容

本发明的目的是，发明一种新的聚光装置，取碟式聚光镜时刻正对太阳而没有余弦效应的优点，克服其焦点不固定的缺陷，也就是取塔式等一些固定焦点的聚光装置的优点，将光斑固定在一定位置，而克服掉它们不能克服余弦效应的缺点。

再一目的是，将一般聚光镜固定的聚焦比变成可调式，即根据太阳光强的变化，随时改变所聚光斑的面积，以随时得到所需温度。

技术方案

碟式聚光镜在跟踪***的控制下，其主光轴始终与太阳光线平行，不论太阳在何方位，碟式聚光镜主光轴所在直线，都经过碟式聚光镜为跟踪太阳而转动的旋转中心，此中心是，在方位跟综的垂直竖轴与俯仰跟踪的水平横轴的交点，是固定不动的，将光热作用点(即受光热器)，设在旋转中心。

碟式聚光镜的旋转中心，一般设在两个区域，即碟式聚光镜顶点附近以及焦点附近，理论上，旋转中心设在主光轴所在直线的任何位置，这条直线都通过该中心，但是，如果设在碟式聚光镜的顶点和焦点之间，会对光路造成干涉，旋转中心的支架也不好设立，所以一般都不设在这段区域，如果旋转中心设在顶点或焦点以外太远，则会造成阻力臂过长造成不必要的动力损失，另外也会占用太多的空间，造成不必要的浪费，所以说，设在顶点或焦点附近，一般是指顶点或焦点以外不远处，以碟式聚光镜转动时与支架互不干涉为准，此是一般需要的最好方案。

旋转中心设在顶点区时，碟式聚光镜在旋转中心与太阳之间并与太阳同步运转；旋转中心设在焦点区时，碟式聚光镜与太阳在旋转中心两侧，而与太阳相对运转。

在碟式聚光镜焦点附近一定位置，置一光路调整器，所谓光路调整器，就是在其筒状框架内，置有光学镜片，主光轴与光学镜面垂直并穿过光学镜片中心，光学镜片在框架上可沿主光轴左右移动，框架上装一微型马达作为移动动力。

当旋转中心在顶点区时，光路调整器上的光学镜片，为凹面镜或凸面镜，当光路调整器设在焦点前，即焦点与顶点之间，光路调整器上的光学镜片为凸面反射镜，光路调整器设在焦点之后时，其上的光学镜片为凹面反射镜。

当旋转中心设在焦点区时，光路调整器上的光学镜片，为凹透镜或凸透镜，光路调整器设在焦点前，其上的光学镜片为一凹透镜，光路调整器设在焦点后时，其上的光学镜片为凸透镜。所谓将光路调整器设在焦点附近一定位置是指：不论光路调整器设在焦点前或后，其上的光学镜片的初始位置是，光学镜片的焦点或虚焦点，与碟式聚光镜的焦点是重合的。

由于光学镜片平面，与主光轴垂直，所以光路调整器上的光学镜片，便将主光轴反射或透射到设在旋转中心的光热作用点上，当光路调整器上的光学镜片的焦点与碟式聚光镜的焦点重合时，经光学镜片反射或透射围绕在主光轴周围的光束是一束平行光，这束平行光便会照在设于旋转中心的光热作用点上，调整光学镜片与碟式聚光镜焦点的距离，围绕在主光轴上的光便会改变与主光轴之间的角度，由平行光束变成散射光束或聚集光束，当光束变成散射光束时，在光热作用点上形成的光斑面积，比平行光束形成的光斑面积大，此时聚焦比变小了，当平行光束变成聚集光束时，在光热作用点上形成的光斑面积就小，此时的聚焦比变大。

当然，当旋转中心设在顶点附近时，碟式聚光镜顶点处要开一圆孔，圆孔大小以所需最大面积光斑能通过为准。

至于光学镜片如何调整光斑面积，现以凸面反射镜为例说明。因凸面反射镜入射点的法线与主光轴的夹角是由凸面反射镜的中心到边缘逐渐增大，当凸面反射镜的虚焦点与碟式聚光镜的焦点重合时，一定角度的入射光线照在凸面反射镜的入射点上，反射出来的光线与主光轴平行。如将凸面反射镜向碟式聚光镜焦点靠近，此时一定入射角度的光线便会照在原入射点以内的地方，此点的法线与主光轴的夹角比原入射点处的法线与主光轴的夹角小，因入射光线与主光轴的夹角未变，所以此时入射角就比原来入射角大，因而反射角也大，所以反射光便会向主光轴偏离，因而会形成会聚光束。反之，当凸面反射镜向碟式聚光镜顶点方向移动，使凸面反射镜与碟式聚光镜的焦点距离加大，此时一定角度入射的光线便会照在凸面反射镜边缘的地方，此入射点的法线与主光轴的夹角比原平行光束入射点的法线与主光轴的夹角大，而入射光角度不变，因而入射角变小了，反射角也就小了，此时的反射光便会偏离原平行于主光轴而向外散射。其它光学镜片变焦的原理与此类似。

另外旋转中心设在顶点区或焦点区的支架是不同的。因为设在顶点区时，太阳是经过碟式聚光镜和光路调整器的凹凸面反射镜两次反射，所以最后照在旋转中心的光线方向没有改变，仍和太阳光的方向一致，是从上方往下照射的，因此旋转中心支架可以设计为垂直的筒状支架，并可在其下端的底座上转动，以便碟式聚光镜在方位上对太阳的跟踪。筒状支架上端水平截面直径处，筒壁外侧有两个轴头支点，碟式聚光镜顶点支架支撑其上，使碟式聚光镜可在其支点上做俯仰运动，以跟踪太阳的高度角。因为旋转中心设在方位跟踪的垂直竖轴与高度角跟踪的水平横轴的交点，即筒状支架上端水平截面中心，光热作用点设在其上是固定不动的，为了不干涉支架因进行方位跟踪而需要的转动，因此将支架设计成筒状。

当旋转中心设在焦点区时，阳光经碟式聚光镜一次反射和经过光路调整器上的光学镜片的一次透射，光线方向已经改变，当太阳在上空时，碟式聚光镜在下方将光线反射到旋转中心的光热作用点上，这时支架应该在子午面斜立，其角度以不干涉当太阳中天时，与其相对转到旋转中心下方的碟式聚光镜为准。

本发明由于用碟式聚光镜接收阳光，因而没有余弦效应；设置了光路调整器，而将焦点固定在旋转中心，并可调整光斑大小，因此效率高，用途广。在旋转中心光热作用点处配置不同的光热接收器，便会有不同的用途：在光热作用点放置高效能的，能接受高强太阳光的太阳能电池板，便可以发电，效率可达百分之三十以上；若在光热作用点放置锅灶，便是太阳灶；放置锅炉，便是太阳炉，由于本发明的装置是可以调整聚焦比的，因此，太阳炉也是可以调温的。

可调温太阳炉：在碟式聚光镜旋转中心的光热作用点上，置一球形受热器，受热器内有导热介质，由管道通往储热装置或直接通往用热器，导热介质由热泵驱动，在球形受热器上，有温度感应装置，当受热器内温度不符合要求时，控温仪启动光路调整器上的微型马达，调整光学镜片与碟式聚光镜焦点的距离，以调整聚焦比，使受热器上的光斑面积增大或缩小，并同时或依次控制调整热泵流速，以调整导热介质在球形受热器内停留的时间。这样可使球形受热器内的导热介质的温度根据需要设定以后便会得到一个比较恒定的温度而克服了太阳光强弱变化对温度的影响。

由于球形受热器内的导热介质是可流动的，因此球形受热器的容积就可设计的比较小。这样也减小了热量损失。为了进一步减少热量损失，在球形受热器上装有固定的或活动的隔热保护层，在阳光照射不到的地方都以固定的隔热层保护，在光斑移动可照射到的地方装上活动隔热层，其活动部分随光斑在球形受热器的球面上移动而移动，即除光斑入口处外，其余部分都被隔热层保护。

由于恒温太阳炉加上储热装置，便为人们提供一个不论白天黑夜、晴天多云、甚至阴天下雨(一般储热装置可保持温度两三天，所以只要不是连阴雨天气)都可以利用的热源，此热源可以用来烧水、做饭、取暖、制冷等等。若是将众多可调温太阳炉个体排成矩阵共同使用一个储热装置，或共同使用一个直接用热装置及一个储热装置，便可获得大量热量，以供应大型用热设备。企业可用来烘干，淡化海水等，特别是用来建造太阳热能发电站，将会取代塔式太阳能电站。因塔式太阳能电站的热效率只在60％左右，而气轮机的效率在20％-30％，理论上总效率只能达到百分之十几，而本发明所用碟式聚光镜热效率在85％以上，因而发电效率可达百分之二十几。另外建造成本也会下降：因一般聚光装置为获取较高温度，单个聚光镜面积都造的很大，大的达到上百平方米，小的也有几十平方米，为抗拒风力，刚体结构用材比几平方米的小型聚光镜刚体用材成级数增加，而本发明是以调整聚焦比来增加温度的，因而单个聚光镜面积只在几个平方米，这样单位面积用材大大减少，因而成本降低；同时用了本装置也不需要建造高塔，因此也降低了成本；另外，提高效率，成本也相应降低。

附图说明

图1旋转中心设在碟式聚光镜顶点处的装置

1.碟式聚光镜  2.光路调整器  3.光学镜片  4.受热器  5.可供方位转动的支架  6.底座7.俯仰电机  8.方位电机

图2旋转中心设在碟式聚光镜焦点处的装置

1碟式聚光镜  2.光路调整器  3.光学镜片  4.球形受热器  5.可供方位转动的小车6.高度角环形轨  7.子午面斜立受热器支架  8.方位小车转动中心

具体实施方式

实施例1

如图1阳光***启动俯仰电机7及方位电机8带动碟式聚光镜1，使其平面始终与阳光垂直。在碟式聚光镜1的焦点处装一光路调整器2，使光路调整器2上的光学镜片3(此实施例的光学镜片为一凸面反射镜)置于碟式聚光镜1的焦点前。在光路调整器2上的光学镜片3可在筒状支架上左右移动，其动力为装在光路调整器2上的微型马达，微型马达由控温仪控制。光学镜片3的初始位置应使其虚焦点与碟式聚光镜的焦点重合，此时阳光经碟式聚光镜1向其焦点聚集，遇到光学镜片3后又被反射，反射后的光束为一密集平行光束，此光束经过碟式聚光镜1顶点处的圆孔照射在设在旋转中心处的光热作用点上。移动光学镜片3使光学镜片3加大与碟式聚光镜1焦点的距离，照在旋转中心光热作用点上的平行光束便会变成发散光束，光斑面积会变大。若是缩小光学镜片3与碟式聚光镜1焦点的距离，原平行光束便会变成会聚光束，光斑面积就变小。

实施例2

如图2旋转中心在地平面的垂影处作为方位小车转动中心8，在方位小车5上有高度角环形轨6，碟式聚光镜1可在高度角环形轨6上运行，以跟踪太阳高度角的变化。为使碟式聚光镜1运行稳定，可将高度角环形轨6做成双轨。而方位小车5可载着碟式聚光镜1作为对太阳方位角的跟踪。放置在旋转中心的球形受热器4由子午面斜立支架7支撑，子午面斜立支架7的倾斜角度以不干涉当太阳中天时，与其相对转到旋转中心下方的碟式聚光镜1为准。光路调整器2支撑在碟式聚光镜1的焦点前，其筒状框架内的光学镜片3为一凹透镜，驱动光学镜片3的微型马达为不干涉凹透镜的光路，应安装在光路调整器2筒状框架的外面。

实施例3

如图1接实施例1当太阳光经碟式聚光镜1向其焦点聚集，遇到光学镜片3后又被反射，反射后的光束为一密集平行光束，此光束经过碟式聚光镜1顶点处的圆孔照射在设在旋转中心处的光热作用点上。此时，在光热作用点上置一固定的球形受热器4，球形受热器4内有导热介质，由管道通往储热装置或用热器。导热介质由热泵驱动。在球形受热器4上设一温度感应器，通向控温仪。当阳光弱时，球形受热器4内的导热介质达不到所需温度，温度感应器将导热介质的温度信息输送给控温仪，控温仪启动光路调整器2上的微型马达，移动光学镜片3，使反射光束变为会聚光束，当会聚到一定程度仍达不到所需温度，控温仪调整热泵的转速，使球形受热器4内的导热介质的流速减慢直至停止，以使受热器内的导热介质达到所需温度。当阳光强烈时，受热器内的导热介质的温度高于所需温度，控温仪启动微型马达，调整光学镜片和碟式聚光镜焦点的距离，使反射光束变为发散光束，并且加快热泵的流速。

Claims (7)

1.可调聚焦比的碟式定焦装置在跟踪***的控制下，碟式聚光镜的主光轴与太阳光线平行，其特征是：碟式聚光镜的主光轴所在直线，始终穿过固定支架上的碟式聚光镜跟踪太阳的旋转中心，而将光热作用点设在旋转中心

碟式聚光镜跟踪太阳的旋转中心，通常设在两个区域，碟式聚光镜的焦点附近及顶点附近，把旋转中心设在顶点附近，碟式聚光镜在旋转中心与太阳之间，并与太阳同步运转，把旋转中心设在焦点附近，碟式聚光镜与太阳在旋转中心两侧而相对运转

在碟式聚光镜焦点附近一定位置，置一光路调整器，其上的光学镜片的平面与主光轴垂直，通过光路调整器上的光学镜片将主光轴反射或透射到设在旋转中心的光热作用点上

光路调整器上的光学镜片可沿主光轴左右移动，通过调整光路调整器上的光学镜片与碟式聚光镜焦点之间的距离，将经光学镜片反射或透射围绕主光轴的光束调整成聚集光束、平行光束或散射光束，以确定光束在旋转中心光热作用点上形成的光斑面积。

2.权利要求1.可调聚焦比的碟式定焦装置，其特征是：光路调整器筒状支架固定在碟式聚光镜焦点附近一定位置，主光轴穿过筒状中心，筒状架上装有光学镜片，在微型马达的驱动下，可在筒状架上沿主光轴左右运动，根据旋转中心所在位置，及筒状架在碟式聚光镜焦点处的位置，光路调整器上的光学镜片可为凹凸面镜或凹凸透镜。

3.权利要求1.可调聚焦比的碟式定焦装置，其特征是：碟式聚光镜跟踪太阳的旋转中心在顶点区时，设在一垂直筒状支架上，筒状支架可在下端底座上转动，作为碟式聚光镜在方位方向对太阳的跟踪，筒状支架上端水平截面直径处，筒壁外侧有两个轴头支点，碟式聚光镜顶点支架支撑其上，使碟式聚光镜可在其支点上做俯仰转动，以跟踪太阳的高度角，筒状水平截面的中心即为碟式聚光镜的旋转中心。

4.权利要求1.可调聚焦比的碟式定焦装置，其特征是：碟式聚光镜跟踪太阳的旋转中心在焦点区时，地平面有一带轮的跟踪方位小车，上有高度角环形轨，碟式聚光镜可在高度角环形轨上运行，以跟踪太阳高度角的变化，为使碟式聚光镜运行稳定，可将高度角环形轨做成双轨，方位小车以旋转中心在地平面上的垂影为中心，相对太阳方位运转，载着碟式聚光镜作为对太阳方位角的跟踪，设在旋转中心的受光热器由斜立在子午面的支架支撑，支架的倾斜角度以不干涉当太阳中天时，与其相对转到旋转中心下方的碟式聚光镜为准。

5.可调温太阳炉，权利要求1.可调聚焦比的碟式定焦装置，其特征是：在碟式聚光镜旋转中心的光热作用点上，置一球形受热器，受热器内有导热介质，由管道通往储热装置或直接通往用热器，导热介质由热泵驱动，在球形受热器上，有温度感应装置，当受热器内温度不符合要求时，控温仪启动光路调整器，调整光学镜片与碟式聚光镜焦点的距离，以调整聚焦比，使受热器上的光斑面积增大或缩小，并同时或依次控制调整热泵流速，以使受热器内温度始终保持所需温度。

6.权利要求5.可调温的太阳炉，其特征是：在球形受热器上，装有固定和活动的隔热保护层，其活动部分，随光斑在球形受热器上的球面上移动而移动，即除光斑入口外，其余部分都被隔热层保护。

7.权利要求5.可调温的太阳炉，其特征是：除单一个体使用外，还可群体使用，即若干个体排成的矩阵，共同一个储热装置或共同一个直接用热装置和一个储热装置，以供应大型用热设备。