跟踪式聚光镜的制作方法

专利名称：跟踪式聚光镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能应用领域中对阳光进行跟踪的
一种聚光镜设备，该设备有简便精确的特点，运用本设备有利于普 遍地应用太阳能资源。
背景技术：
太阳能是人类重要的资源，在太阳能应用领域存
在如何方便地使太阳光能量密度增加的问题，也就是如何使太阳光 聚光的问题。由于太阳是运动的光源，解决聚光问题的难点在于， 如何用简便、实用、低成本的设备来跟踪太阳，现阶段人们解决跟 踪阳光的设备，多采用电控装置以及复杂的驱动与转动轴设施，存 在成本高的缺点，而非电控的跟踪式聚光镜又存在防风能力差，精 度低，驱动力矩大的缺点，所以限制了太阳能的利用，如中国专
利号200410020503.1公幵号CN1570510A。如中国专利号 200420051096.6公开号CN2699194。长期以来人们一直缺乏一种低 成本、精确的跟踪式聚光镜设备，本设备从地球对太阳的固有运动 规律跟踪太阳，检索未发现有同类跟踪设备的专利报导
发明内容
本发明的目的旨在解决太阳能应用领域中，如何 无须电控设备，而简便、实用且精确地跟踪阳光的聚光镜设备。
技术方案 即地球表面上任一地点如须跟踪阳光，则从该点 出发设定一根直线，使该直线平行于地轴，则在该平行于地轴的直 线上任一点有如下规律，任一时刻"其与阳光的夹角"都与"地轴 和阳光的"夹角即赤纬角相同。只要把"跟踪阳光的直线与平行于 地轴的直线相交的角度"保持同赤纬角一致，并按旋转一周一个当 天真太阳日，匀速随阳光运动方向转动平行于地轴的直线，即可精 确跟踪阳光。
方法如下(1)确定地表某一点即跟踪阳光的地点阳光阴影的 "最短时刻立面"。实施阳光跟踪的前一天或前几天，记录地表该 点地理意义上的正午时刻即该点太阳高度角最大时刻。该时刻每天 不同，该时刻日心与地心连线(本文中该连线为虚拟的连线)同地表该点所在的经度线相交，该时刻地表该点在阳光与地轴相交所确 立的平面内，在本文该平面称之为"最短时刻立面"。这一时刻特 征是，地表该点垂直水平面的线段，全天中其阳光阴影在水平面上 的阴影长度最短。本文将地表该点垂直于水平面线段的阳光阴影长 度最短(高度角最大)这一时刻，命名为地表该点的"正午时刻"。 且这一时刻该点垂直水平面的线段，与其阴影确立的平面同"最短 时刻立面"重合，所以可由此确定"最短时刻立面"，该"最短时 刻立面"必然穿过地球南北极的两个地轴点。并且从地表该点设定
一根直线，将要使该直线平行于地轴，称为准地轴平行线。(2)确 定当天赤纬角。通过计算实施阳光跟踪当天的赤纬角，可间接计算 出阳光与地轴的角度。使准地轴平行线上出发的跟踪阳光的直线与 准地轴平行线的角度，同当天阳光与地轴的角度相同。使准地轴平 行直线和跟踪阳光的直线，均处于"最短时刻立面"中。(3)确定 地轴平行线。实施阳光跟踪当天，使准地轴平行直线和水平面的角 度与该点的纬度相同。或者当到达该点"正午时刻"，在"最短时 刻立面"中以地表该点为轴，调节准地轴平行线与水平面的角度， 使跟踪阳光的直线与阳光光线重合或平行，这时的准地轴平行线位 置与地轴平行，称为地轴平行直线。(4)在该点"正午时刻"，使 跟踪阳光的直线围绕地轴平行线，以旋转一周一个当天的真太阳曰 时间随阳光转动，同时保持跟踪阳光的直线与地轴平行线的角度， 同阳光与地轴的角度的变化相同，即可跟踪阳光。并且确定了地轴 平行线，以后就不需重复操作歩骤(1) 、 (2) 、 (3)。其中赤纬 角，可以从<〈太阳能SOLAR ENERGY》期刊，国际标准刊号 ISSN1003-0417，国内统一刊号CN11-1660， 1999年第2期No. 2 起 止页码8-10页，中国气象科学研究院王炳忠研究员关于太阳赤纬 角的计算公式当中求得，即地轴与阳光的角度可以通过赤纬角间接 地求得，摘录如下，日地中心的连线与赤道面间的夹角时刻变化， 这个角度称为太阳赤纬角，它在春分和秋分时刻等于零，而在夏至 和冬至时刻有极值，分别为正负23.442° ，即以赤道面为中心，偏北极侧为正值，偏南极侧为负值。赤纬角ED=0. 3723+23. 2567sin 9 +0. 1149sin2 9 -0. 1712sin3 6 -0.758cos e +0. 3656cos2 e +0. 0201cos3 e ，(ED单位是十进制的度)。时差Et二0. 0028-1. 9857sin e +9. 9059sin2 9 -7. 0924cos e -0. 6882cos2 e ， (Et单位是十进制 的分钟)，9为日角，即0=2 Tit/365. 2422，这里t又由两部分组成， 即t二N-N。，其中N为积日，就是日期在年内的顺序号，l月1日的 积日为l，平年12月31日的积日为365，闰年则为366等等。No 二79. 6764+0. 2422 X (年份-1985)-INT[(年份-1985) /4]。以角度制 计算时n为180° 。
具体方法如下精确确定地轴平行线和太阳高度角最大的时刻 是本文中的关键。本文以中国日历为标准来参考，以北京时间即东 经120°为标准，西经60°为日期分界线；并且本方案中在夏至和 冬至日当天是调节时间无法实施跟踪与聚光。
图1中点101为地表任一点，直线102为从点101出发的直线， 将要使其平行于地轴称其为准地轴平行线，点109为准地轴平行直 线102上的任一点，直线103为需跟踪阳光的直线，直线110和直 线112为二至时分直线103的位置，直线105和直线107为二至时 分阳光的位置，直线104为从直线102上的点108出发的直线，直 线104也是射到点108的阳光光线，其中直线104从直线105至直 线107,和直线103从直线110至直线112的角度均为46°52'。直 线106、直线111均为和直线102垂直的直线，即二分时刻阳光与直 线102的位置，包含直线106或直线111且垂直于直线102的平面 可称之为赤道平行面。线段113为点101上垂直于水平面的线段。
跟踪阳光的操作，图1中的点101位于北半球时。(1)确定点 101的"最短时刻立面"。实施操作的前几天，该"最短时刻立面" 这样确定， 一个垂足在点101处，顶点在空中2米至100米间高度 的铅垂线即线段113，点101所在的地表为水平面，当达到点IOI"正 午时刻"时，标记下铅垂线顶点的阳光阴影位置(称为Q位置)。 注意由于阳光衍射现象该位置不容易直接观察，可以在到达点101"正午时刻"时，如铅垂线顶点处有一个内径小于5毫米长度达到 地面的直管，阳光光线穿过直管形成的光斑的中心点即为Q位置。Q 位置、点101和铅垂线的顶点确定的垂直于水平面的立面为"最短 时刻立面"。使直线102、直线103、直线104和直线106，均在"最 短时刻立面"中。(2)确定赤纬角，实施跟踪操作当天，使直线104 与直线106的角度，和点101 "正午时刻"的赤纬角相同。由赤纬角 公式可得到当天的赤纬角ED，并使直线103与直线104平行。(3) 确定地轴平行线。实施操作当天在"最短时刻立面"中，令直线102 以点101为轴，使直线102与水平面的角度同点101的纬度值相等， 这时直线102的位置为点101的地轴平行线位置。或者当到达线段 113阴影最短这一时刻，即"正午时刻"，在30秒内，令直线102 以点101为轴，调节直线102与水平面的角度，直到使直线104和 射到点108的阳光光线重合或平行。这时直线102的位置为点101 的地轴平行线位置。(4)当到达点101 "正午时刻"，以转动一周 一个真太阳日时间，从点109向点108看顺时针以匀速，且一周一 个真太阳日时间驱动直线102，同时使直线103相对于直线111所在 的赤道平行面的角度变化，同赤纬角的变化相同。注意地轴平行 线102应和南极至北极的方向相同。
图1中当点101在南半球时，并且使用中国日历为参考，以下 二分二至均为北半球意义的二分二至，即直线105位置和直线110 位置为北半球冬至南半球的夏至时刻，直线107位置和直线112位 置为北半球夏至南半球的冬至时刻。具体方法如下跟踪阳光的操 作，步骤(1) 、 (2) 、 (3)与北半球操作相同。(4)当到达点 101 "正午时刻"，以转动一周一个真太阳日时间，从点109向点108 看逆时针以匀速且一周一个真太阳日时间驱动直线102，同时使直线 103相对于直线111所在的赤道平行面的角度变化，同赤纬角的变化 相同。注意从地表点101出发的直线102应和北极至南极的方向 相同。
统计各年，以精确到小时为标准，得到夏至时刻到冬至时刻有
8183个太阳日加12个小时，夏至时刻到秋分时刻有93个太阳曰加 16个小时，秋分时刻到冬至时刻有89个太阳日加20个小时。冬至 时刻到夏至时刻有181个太阳日加18小时，冬至时刻到春分时刻有 89个太阳日，春分时刻到夏至时刻有92个太阳日加18个小时。这 里把夏至时刻开始经过16个小时后，日地中心连线所在的经度线设 为起点，该起点的经度线与夏至点的经度线相差16个时区。以该起 点开始的第一天的赤纬角设为ED(B1)， 一个完整的真太阳日后的赤 纬角设为ED(B2)，同理得到ED(B3)及其他各值，直至冬至前20个 小时时刻。把冬至时刻冬至点的赤纬角设为ED(yl)， 一个完整的真 太阳日后的赤纬角设为ED(y2)，同理得到ED(y3)及其他各值，直 至夏至前18个小时时刻。在本文中选用2006年至2007年完整的一 个回归年中的各ED(B)、 ED(y)值为标准。实际每年的ED(B1)有微 小变化，如为了提高精度可以选用1949年至2049年中各年的ED(B1) 平均值来解决，同理ED(B2) 、 ED(yl) 、 ED(y2)等均可用平均值来 解决。査日历，2006年的夏至时刻为6月21日20点26分，夏至点 在西经6° 30'，其东部16个时区的经度线为东经113° 30'，当 日心与地心连线到达该经度线时是北京时间2006年6月22日12点 26分，通过式3、式4及ED公式，得到ED(B1)， 一个真太阳日后是 2006年6月23日通过式3、式4及ED公式，得到ED(B2)，同理得 到ED(B3)等各il。 2006年的冬至时刻为12月22日8点22分，冬 至点在东经174° 30'，即日心与地心连线到达该经度线时是2006 年12月22日8点22分，通过式3、式4及ED公式得到ED(yl)， 一个真太阳日后是2006年12月23日通过式3、式4及ED公式，得 到ED(y2)，同理得到ED(y3)等各值。同理得出ED (B94)和ED (y90) 为二分时刻的赤纬角。
由以上原理而设计一种跟踪式聚光镜设备，基本构思是一个包 括聚光镜、旋转支架体和可调节仰角的框架设备。调整角度调节机 构，使垂直于旋转支架体所在平面的直线与操作地点的地轴平行线 重合；则旋转支架体所在的平面成为赤道平行面。每一天聚光镜经调节后，其主轴与赤道平行面的角度同当天的赤纬角相同。当使聚 光镜的主轴与阳光光线重合或平行时，以一周一个真太阳日时间驱 动旋转支架体，则聚光镜的主轴与阳光光线始终重合或平行，则聚 光镜始终有最强聚光焦点，即可以成为恒定的中髙温热源。
作为实现所述基本构思的第一种优选技术方案，较合适的结构
为跟踪式聚光镜，由聚光镜和阳光跟踪设备构成的跟踪式聚光镜， 所述聚光镜为可观察阳光光线的太阳灶，活动连接的所述太阳灶与 第二角度调节机构，以及可调节仰角的框架设备，可转动的旋转支 架体在所述可调节仰角的框架设备上，与所述可转动的旋转支架体 相连的传动机构，所述第二角度调节机构连接在所述可转动的旋转 支架体上。
作为实现所述基本构思的第二种优选技术方案，较合适的结构 为跟踪式聚光镜，由聚光镜和阳光跟踪设备构成的跟踪式聚光镜， 所述聚光镜为可观察阳光光线的凸透镜，活动连接的所述凸透镜与 第二角度调节机构，以及可调节仰角的框架设备，可转动的旋转支 架体在所述可调节仰角的框架设备上，与所述可转动的旋转支架体 相连的传动机构，所述第二角度调节机构连接在所述可转动的旋转 支架体上。
作为实现所述基本构思的第三种优选技术方案，较合适的结构 为跟踪式聚光镜，包括太阳灶，以及阳光跟踪设备，在于可转动 的旋转支架体在可调节仰角的框架设备上，可转动的旋转支架体与 传动装置相连，第二杆体与第一杆体螺纹连接，连在一起的所述太 阳灶和可伸縮的支架，通过第三个铰链与第二杆体铰接，所述可伸 缩的支架通过第二个铰链和可转动的旋转支架体铰接，第一杆体与 所述可调节仰角的框架设备相连。作为所述三种优选技术方案的一种改进，所述可调节仰角的框架 设备可以包括第一框架设备和第二框架设备，支撑体可以为轮，支 撑体与所述可调节仰角的框架设备连接，活动连接的支撑体与所述 可转动的旋转支架体，观察设备与所述聚光镜相连，以及和所述可 调节仰角的框架设备相连的驱动设备，所述传动机构和所述驱动设 备相连，所述传动机构可以为齿轮，可调节仰角的框架设备上有第 一角度调节机构。
作为所述前两种优选技术方案的另一种改进，滑动连接的所述 聚光镜与所述第二角度调节机构，所述聚光镜与第三杆体相连，第 三杆体与所述可转动的旋转支架体通过铰链铰接，所述聚光镜上有 固定机构，所述聚光镜的主轴可以与观察设备相连。
作为所述前两种优选技术方案的另一种改进，所述聚光镜可以 为线形焦点凹面镜体，小支架体在线形焦点凹面镜体上，线形焦点
凹面镜体与第三杆体相连，第三杆体与所述可转动的旋转支架体通 过铰链铰接，观察设备与线形焦点凹面镜体相连，定位机构与线形 焦点凹面镜体相连，所述传动机构和驱动设备相连，所述驱动设备 可以为弹性势能驱动设备，支撑体还可以为弧形体，所述弧形体与 所述可调节仰角的框架设备连接，活动连接的支撑体与所述可转动 的旋转支架体。
作为所述前两种优选技术方案的另一种改进所述聚光镜还可以
为线形焦点凸透镜体，小支架体在线形焦点凸透镜体上。
作为所述第三种技术方案的另一种改迸，所述聚光镜可以为线 形焦点凹面镜体，小支架体在线形焦点凹面镜体上，第二杆体可以 在所述第一杆体中，螺杆在所述第一杆体上，螺杆端部与所述第二杆体上的螺纹相啮合；和所述可转动的旋转支架体相连的支撑体， 以及套在一起的支撑体与可调节仰角的框架设备；所述传动机构和 所述驱动设备相连，驱动设备可以为电机。
本文所述的聚光镜指1个凹面镜或1个凸透镜,也可以是2至100 个相互连接的凹面镜或2至100个相互连接的凸透镜。或者是多个 平面镜连成一体组成的凹面镜。主轴可以为直线或者杆体；聚光镜 其焦点必然在主轴之上。角度调节机构可以为螺杆、伸縮杆或齿轮。 第一框架设备和第二框架设备可以是矩形、圆形、三角形或U型等 支架。旋转支架体可以是外边缘为圆形的支架，可以相对于框架式 支架转动。传动机构可以是蜗杆，旋转支架体可以理解为涡轮，和 驱动设备的蜗杆形成涡轮蜗杆转动系。支撑体，指和旋转支架体的 凹槽镶嵌的轮或球体等各种起支撑作用的物体，或包裹旋转支架体 的弧型或0型支架。套在一起的旋转支架与支撑体指旋转支架在支 撑体中，或支撑体在旋转支架的凹槽中。驱动设备指电动机或以发 条为动力的装置。
阳光跟踪设备，可转动的旋转支架体在可调节仰角的框架设备 上，可转动的旋转支架体与传动装置相连，第二杆体与第一杆体螺 纹连接，可伸縮的支架，通过第三个铰链与第二杆体铰接，所述可 伸縮的支架通过第二个铰链和可转动的旋转支架体铰接，第一杆体 与所述可调节仰角的框架设备相连。
本文中各设备的结构，转动系的接触零件，须有合理的尺寸公差 配合以防气温变化而卡滞或松旷，所用材料可以选用各种金属、合 金等材料。
有益效果 由于其运用地球与太阳之间的天体运动规律，所 以无须电控设备，降低了成本，提高太阳能应用的意义。将该设备， 用于加热领域，可用于生活中须加热的各种方式。将结构扩大，可 广泛应用于工业领域发电、.供暖、太阳能空调、切割焊接等。由 于本结构中旋转支架体15使聚光镜的焦点始终在点9处，所以加热 物体可以固定。采用旋转支架体15的结构，传动力矩大，所以驱动设备25可以很小，且利于精确控制。实验证明，只要操作得当，当 旋转支架15的半径r小于20米时其主轴与阳光光线的偏移角度在 0.2°以内。解决了用低成本在太阳能光热领域高温聚光的问题，有 利于普遍应用太阳能资源有利于节能减排。


图1为该方法的原理图。图2为第一优选技术方案的 跟踪式聚光镜设备的侧面结构图。图3为该第一优选的跟踪式聚光 镜设备的点9至杆体1 (即第一杆体)方向俯视结构图。图4为改进 结构的点9至杆体1方向俯视结构图。图5为该跟踪式聚光镜的立 体图。图6为另一改进结构的点9至杆体1方向俯视结构图。图7 为第二优选技术方案的点9至杆体1方向俯视结构图。图8为跟踪 式线形焦点凹面镜体的点9至杆体1方向俯视结构图。图9为跟踪 式线形焦点凸透镜体的点9至杆体1方向俯视结构图。图10为另一 改进结构的跟踪式聚光镜设备的侧面结构图。图11为第三优选技术 方案的跟踪式聚光镜设备的侧面结构图。
具体实施例方式本发明的设备结构中其第一优选的实施方式是
图2:跟踪式聚光镜，由聚光镜和阳光跟踪设备构成的跟踪式聚光
镜，所述聚光镜为可观察阳光光线的太阳灶20，活动连接的所述太
阳灶20与第二角度调节机构18，以及可调节仰角的框架设备，可转
动的旋转支架体15在所述可调节仰角的框架设备上，与所述可转动
的旋转支架体15相连的传动机构24，所述第二角度调节机构18连
接在所述可转动的旋转支架体15上。
所述可调节仰角的框架设备包括第一框架设备14和第二框架设
备21，支撑体为轮23，支撑体与所述可调节仰角的框架设备连接，
活动连接的支撑体与所述可转动的旋转支架体15，观察设备28与所
述聚光镜相连，以及和所述可调节仰角的框架设备相连的驱动设备
25，所述传动机构24和所述驱动设备25相连，所述传动机构24可
13以为齿轮，可调节仰角的框架设备上有第一角度调节机构19。
首先说明图2中各零件结构的位置和相互关系，以及功能特性，旋 转支架体15的圆心点9与第二框架设备21端部的杆体1确立直线2， 该直线2垂直于旋转支架体15所在的平面，当直线2调节为杆体1 的地轴平行线时，旋转支架体15所在的平面为赤道平行面。聚光镜 可以与第二角度调节机构18滑动连接，在其作用下其主轴始终穿过 点9，以点9为轴其主轴3从最上位置12到最下位置10走过的角度 为46°52'。第二角度调节机构18是以点9为圆心，以点9到点11 为半径(设为r)，固定在旋转支架体15上的圆弧型支架。其最下 位置10和最上位置12为二至时分位置，中部位置11为二分时分位 置，观察设备28为聚光镜上平行于主轴3的杆体。旋转支架体15 的边缘带有齿，可以与传动机构24啮合，用来受驱动，可以由手摇 摇把来驱动(图3中驱动设备25固定在第一框架设备4上，与传 动机构24相连)。支撑体为弧形体16套在旋转支架体15上。
操作步骤如下地表需跟踪阳光的某一点在北半球时1、在实 施跟踪式聚光镜操作的前一天，确定"最短时刻立面"，并使第一 框架设备14上的最高点22与直线2所确立的平面，及主轴3在"最 短时刻立面"中。2、实施跟踪的当天，在杆体l的"正午时刻"之 前，计算当天的赤纬角ED1 ，并使主轴3指在第二角度调节机构18 上的相应位置上，即主轴3与直线11 (中部位置11与点9的连线) 的角度同当天赤纬角相同，又可通过测量弧长，使主轴3指在第二 角度调节机构18上，相对于位置11的2兀rX[(赤纬角ED1)/360。] 处，赤纬角为正值则主轴3指在中部位置11至最下位置10范围内， 反之主轴3指在中部位置11至最上位置12范围内，并拧紧固定机 构17，固定凹面镜20。 3、确定该设备所在地点的地轴平行线，当 到达该地点当天"正午时刻"时，调节第一角度调节机构19，使主 轴3与入射到点9的阳光重合(和其它的阳光光线平行)，这时从观察设备28能看到太阳，这时直线2为该地点的地轴平行线(即直线 2由准地轴平行线成为，和该地点的地轴平行线102重合的直线)， 然后固定该设备，需加热的物体可吊在点9处即可。4、驱动旋转支 架体15，以转动一周一个当天的真太阳日时间，实际应用时可以采 用使旋转支架体15以一周24小时的匀速转动，来替代一周一个真 太阳日的转动。从点9向杆体1看，使旋转支架体15顺时针转动。 用于生活生产领域，上述操作步骤3至4须在30秒内完成，否则下 一天重新开始。5、当到阴天或日落时停止转动旋转支架体15，日出 时调节固定机构17，使主轴3指在第二角度调节机构18上的相应位 置上，即主轴3与直线11的角度同当天赤纬角相同，并顺时针快速 驱动旋转支架体15。当观察设备28中能看到太阳光线时，再以旋转 一周对应当天的真太阳日时间，或旋转一周24小时来匀速顺时针驱 动旋转支架体15至日落。如此往复。且杆体1至点9的地轴平行线 和南极至北极同向。
当地表该点1位于南半球时，并且以北半球中国日历为参考。 最下位置10代表北半球意义上的冬至点(南半球夏至点)，最上位置 12代表北半球意义上的夏至点(南半球冬至点)。操作步骤的1、 2、 3、 与北半球的操作步骤相同。步骤4、 5与北半球的操作步骤不同在于 驱动旋转支架体15时，从点9向杆体1看，逆时针转动。且杆体l 至点9的地轴平行线和南极同向。
其中第二种优选的实施例如下跟踪式聚光镜，由聚光镜和阳 光跟踪设备构成的跟踪式聚光镜，其特征在于所述聚光镜为可观察 阳光光线的凸透镜29，活动连接的所述凸透镜29与第二角度调节机 构18，以及可调节仰角的框架设备，可转动的旋转支架体15在所述 可调节仰角的框架设备上，与所述可转动的旋转支架体15相连的传 动机构24，所述第二角度调节机构18连接在可转动的旋转支架体 15上。所述凸透镜29与第三杆体26相连，第三杆体26与所述可转动
的旋转支架体15通过铰链27铰接，支撑体为轮23，支撑体与所述
可调节仰角的框架设备连接，活动连接的支撑体与所述可转动的旋
转支架体15。如图7。
其中第三种优选的实施例如下跟踪式聚光镜，包括太阳灶20, 以及阳光跟踪设备，可转动的旋转支架体15在所述可调节仰角的框 架设备上，可转动的旋转支架体15与传动装置24相连，第二杆体2 与第一杆体1螺纹连接，连在一起的所述太阳灶20和可伸缩的支架 3，通过第三个铰链9与第二杆体2铰接，所述可伸縮的支架3通过 第二个铰链42和可转动的旋转支架体15铰接，第一杆体1与所述 可调节仰角的框架设备相连。
所述第二杆体2在所述第一杆体1中，螺杆39在所述第一杆体 l上，螺杆39端部与所述第二杆体2上的螺纹40相啮合；和所述可 转动的旋转支架体15相连的支撑体，以及套在一起的支撑体与可调 节仰角的框架设备；所述传动机构24和所述驱动设备25相连，驱 动设备25可以为电机。
第一杆体1带圆柱体空腔，第二杆体2刚好在第一杆体1的圆 柱体空腔中自由转动。第三个铰链9轴心与第二杆体2的中心线相 交。可伸縮的支架3与太阳灶20相连成固定一体，其主轴同可伸缩 的杆3中心线重合，即第三个铰链9中心与第二个铰链42中心的连 线重合。旋转支架体15为外缘带齿的0型支架，该齿与传动机构24 啮合。第二杆体2的中心线垂直于旋转支架体15所在的平面，垂足 为旋转支架体15外圆的圆心。第二框架设备21与第一杆体1相连， 第二框架设备21又与第一框架设备14相连。其中第二杆体2上有 连续的螺纹，端部有一个圆柱型凸起的螺杆39与第一杆体1通过螺 纹连接，第一杆体1上有旋入螺杆39的螺孔，其所在位置在本文中 命名为"螺孔位置平面"。螺杆39端部圆柱型凸起与第二杆体2上 螺纹的沟槽相啮合。上位置34、下位置35以及两者的中心位置41分别代表第三个铰链9的中心在二至时刻位置以及二分时刻位置， 第二杆体2上带螺纹部分的杆的位置由以下来确定，即第三个铰链9 中心在上位置34时，螺纹的下端点位置38 (简称下位38)在"螺 孔位置平面"中，第三个铰链9中心在下位置35时，螺纹的上端点 位置36 (简称上位36)在"螺孔位置平面"中，第三个铰链9中心 在中心位置41时，螺纹的中心位置37 (简称中位37)在"螺孔位 置平面"中。第三个铰链9中心从上位置34到下位置35，可伸縮的 支架3以第二个铰链42的中心为轴心走过的角度为46°52'，当第 三个铰链9中心在中心位置41处，可伸缩的支架3正好垂直于第二 杆体2，第三个铰链9中心从中心位置41到上位置34、与从中心位 置41到下位置35，可伸缩的支架3以第二个铰链42的中心为轴心 均转过23°26'。以第二个铰链42中心为起点至第二杆体2中心线的 垂直距离设定为R，则根据三角函数定理可知，以下四段长度:上位 置34到中心位置41的距离、中心位置41到下位置35的距离、下 位38到中位37的杆长同中位37到上位36的杆长均为RXtg23°26 '。第二杆体2上的螺纹40为连续的单线螺纹，是外螺纹，螺纹牙 为矩形牙型，其公称直径即大径和第二杆体2的直径相等，小径和 中径无特殊要求，第二杆体2为两种形式即其旋向为左旋螺纹型和 右旋螺纹型两种杆，从通过螺纹轴线的断面上看，沟槽为矩形，其 每个沟槽的形状和尺寸完全一样，每个牙形的高度相等而牙形的宽 度不相等，螺距为牙宽加沟槽的宽度即相邻两牙在中径线上对应两 点间的轴向距离，该沟槽的宽度应小于第二杆体2上螺纹的最小的 一圈完整螺距，为最小的一圈完整螺距的1/5至4/5之间。
该设备用于北半球，从冬至到夏至即第三个铰链9的中心从下 位置35到上位置34，对应上位36到下位38上连续的181+3/4圈螺 纹，该螺纹为，从第三个铰链9向杆体1方向看顺时针驱动旋转支 架体15，第二杆体2相对于杆体1伸出型的螺纹，即左旋螺纹冬 至到春分第三个铰链9中心从下位置35到中心位置41，对应第二杆 体2上的上位36到中位37上连续的89圈螺纹。中位37至上位36之间，中位37开始的第l圈螺纹的螺距为RXtg[-ED(y89)]，第2 圈螺距为RXtg[-ED(y88) ]- RXtg[-ED(y89)],第3圈螺距为R Xtg[-ED(y87) ]-RX tg[-ED(y88)]。设il为大于或等于1的整数， 所以第n圈为RXtg(-ED [y(90-il)]}-RXtg{-ED[y(90-ri+l)]}，
本文将中位37开始的到上位36或下位38，与此数据相同的连续螺 纹的螺距命名为"n型螺距"。春分到夏至第三个铰链9中心从中 心位置41到上位置34,对应中位37到下位38上连续的92+3/4圈 螺纹。中位37至下位38之间，中位37开始的第1圈螺纹的螺距为 RXtg[ED(y91)]，第2圈螺距为RXtg[ED(y92)]-RXtg[ED(y91)]， 设y为大于或等于l的整数，所以第U圈为RXtdED[y(90+U )]}-RXtg{ED[y (90+u-l) ]}， (3/4圈螺纹不是整数无须制造出，布 置在第二杆体2螺纹下位32处即可，对应夏至或冬至当天)本文将 中位37开始的到上位36或下位38，与此数据相同的连续螺纹的螺 距命名为"u型螺距"。夏至到冬至第三个铰链9中心从上位置34 到下位置35，对应下位38到上位36上连续的183+1/2圈螺纹，该 螺纹为，从第三个铰链9向杆体1方向看顺时针旋转第二杆体2，第 二杆体2相对于杆体1为縮入型的螺纹，即右旋螺纹。夏至到秋分 第三个铰链9中心从上位置34到中心位置41，对应第二杆体2上的 下位38到中位37上连续的93+2/3圈螺纹，中位37至下位38之间， 中位37开始的第1圈螺纹的螺距为RXtg[ED(B93)]，第2圈螺距 为RXtg[ED(B92) ]- RXtg[ED(B93)]，设P为大于或等于1的整 数，所以第P圈为RXtg(ED[ B (94-P ) ]}- RXtg(ED [B (94-P +1) ] } ， (2/3圈螺纹无须计算，布置在第二杆体2螺纹下位38处 即可，对应夏至或冬至当天)本文将中位37开始的到上位36或下 位38，与此数据相同的连续螺纹的螺距命名为"P型螺距"。秋分 到冬至第三个铰链9中心从中心位置41到下位置35，对应第二杆体 2上的中位37至上位36上连续的89+5/6圈螺纹，中位37至上位 36之间，中位37开始的第l圈螺纹的螺距为RXtg[- ED(B95)]， 第2圈螺距为RXtg[- ED(B96) ]- RXtg[- ED(B95)]，设d为大于或等于1的整数，所以第d圈为RXtg{- ED[B (94+d) ]}- RX tg{-ED[B (94+d-1) ]}， (5/6圈螺纹不是整数无须计算，布置在上 位36处即可，对应夏至或冬至当天)本文将中位37开始的到上位 36或下位38，与此数据相同的连续螺纹的螺距命名为"d型螺距"。 即第二杆体2螺纹为左旋和右旋两种螺纹，夏至到冬至和冬至到夏 至须更换左旋和右旋这两种螺纹的杆。
同理该设备用于南半球，从南半球夏至到南半球冬至第三个铰 链9中心从上位置34到下位置35，对应下位38到上位36上连续的 181+3/4圈螺纹，该螺纹为，从第三个铰链9向杆体1方向看逆时针 驱动旋转支架体15，第二杆体2相对于杆体1縮入型的螺纹，即左 旋螺纹。则第三个铰链9从上位置34到中心位置41，对应第二杆体 2上的下位38到中位37上连续的89圈螺纹，中位37至下位38之 间，中位37开始的第l圈螺纹的螺距为RXtg[-ED(y89)]，第2函 螺距为RXtg[-ED(y88) ]- RXtg[-ED(y89)];即"n型螺距"。 同理第三个铰链9中心从中心位置41到下位置35，对应第二杆体2 上的中位37到上位36上连续的92+3/4圈螺纹，即"u型螺距"。 南半球冬至到南半球夏至，第三个铰链9中心从下位置35到上位置 34，对应上位36到下位38上连续的183+1/2圈螺纹，该螺纹为， 从第三个铰链9向杆体1方向看逆时针旋转第二杆体2，其相对于杆 体1为伸出型的螺纹，即右旋螺纹。第三个铰链9中心从下位置35 到中心位置41，对应第二杆体2上的上位36到中位37上连续的 93+2/3圈螺纹，即"P型螺距"。第三个铰链9中心从中心位置41 到上位置34，对应第二杆体2上的中位37到下位38上连续的89+5/6 圈螺纹，即"d型螺距"。驱动设备25固定在第一框架设备14上， 与传动机构24相连。操作步骤与具体实施方式
中图2的操作不同之 处在于步骤2、实施跟踪的当天，在杆体l的"正午时刻"之前， 计算当天的赤讳角ED1 ,并使第二杆体2上的螺纹在"螺孔位置平面" 的相应位置上，赤纬角为正值则主轴3指在中部位置11至最下位置 10范围内，反之主轴3指在中部位置11至最上位置12范围内。
19作为上述三种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下，所述
可调节仰角的框架设备包括第一框架设备14和第二框架设备21，支 撑体为轮23,支撑体与所述可调节仰角的框架设备连接，活动连接 的支撑体与所述可转动的旋转支架体15，观察设备28与所述聚光镜 相连，以及和所述可调节仰角的框架设备相连的驱动设备25，所述 传动机构24和所述驱动设备25相连，所述传动机构24为齿轮，可 调节仰角的框架设备上有第一角度调节机构19。如图4、图6、图7。
作为上述前两种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下， 滑动连接的所述聚光镜与所述第二角度调节机构18，所述聚光镜与 第三杆体26相连，第三杆体26与所述可转动的旋转支架体15通过 铰链27铰接，所述聚光镜上有固定机构17，所述聚光镜的主轴3与
观察设备28相连。如图6、图7。
作为上述前两种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下， 所述聚光镜为线形焦点凹面镜体31，小支架体32在线形焦点凹面镜 体31上，线形焦点凹面镜体31与第三杆体26相连，第三杆体26 与所述可转动的旋转支架体15通过铰链27铰接，观察设备28与线 形焦点凹面镜体31相连，定位机构17与线形焦点凹面镜体31相连， 所述传动机构24和驱动设备25相连，所述驱动设备25为弹性势能 驱动设备，支撑体为弧形体16，所述弧形体16与所述可调节仰角的 框架设备连接，活动连接的支撑体与所述可转动的旋转支架体15。 如图8。线形焦点凹面镜为横截面大小相同长条型的凹面镜，其焦点 为直线，焦点在小支架32的顶点处。l个或2至100个线形焦点凹 面镜连接成一体即为线形焦点凹面镜体31，各主轴均与观察管28平 行。旋转支架15在轮23的凹槽中。该跟踪式线形焦点凹面镜体设 备可用来加热长条型的物体。
作为上述前两种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下，所述聚光镜为线形焦点凸透镜体33。如图9。线形焦点凸透镜为横 截面大小相同长条型的凸透镜，其焦点为直线，焦点在小支架32的 顶点处。1个或2至100个线形焦点凸透镜连接成一体即为线形焦点 凸透镜体33,各主轴均与观察管28平行。该跟踪式线形焦点凸透镜 体设备可用来加热长条型的物体。
作为上述第三种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下， 所述聚光镜为线形焦点凹面镜体31，小支架体32在线形焦点凹面镜 体31上，第二杆体2在所述第一杆体1中，螺杆39在所述第一杆 体1上，螺杆39端部与所述第二杆体2上的螺纹40相啮合；和所 述可转动的旋转支架体15相连的支撑体，以及套在一起的支撑体与 可调节仰角的框架设备；所述传动机构24和所述驱动设备25相连， 驱动设备25为电机。如图11。
作为上述三种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下，驱 动设备25 (以发条为动力的驱动设备或电机)固定在地面上，与传 动机构24相连，用来驱动.。
作为上述三种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下，所 述传动机构24可以为齿轮。如图6。
作为上述三种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下，所 述传动机构24可以为蜗杆，与旋转支架体15组成涡轮涡杆转动系。 其中各实施例的操作步骤与具体实施方式
中图2的操作相同。
作为上述三种优选的实施例另一种实施方式改进之处如下，所 述所述第一角度调节机构19可以分别与第一框架设备14和第二框 架设备21相连。如图IO。
当然，所述跟踪式聚光镜设备的连接不局限于上述形式，所述 各结构特征互换得到的设备，只要其用于跟踪阳光并聚光均属于本 发明将要保护的范围之内。
权利要求
1.跟踪式聚光镜，由聚光镜和阳光跟踪设备构成的跟踪式聚光镜，其特征在于所述聚光镜为可观察阳光光线的太阳灶(20)，活动连接的所述太阳灶(20)与第二角度调节机构(18)，以及可调节仰角的框架设备，可转动的旋转支架体(15)在所述可调节仰角的框架设备上，与所述可转动的旋转支架体(15)相连的传动机构(24)，所述第二角度调节机构(18)连接在所述可转动的旋转支架体(15)上。
2. 跟踪式聚光镜，由聚光镜和阳光跟踪设备构成的跟踪式聚光 镜，其特征在于所述聚光镜为可观察阳光光线的凸透镜(29)，活动 连接的所述凸透镜(29)与第二角度调节机构(18)，以及可调节仰 角的框架设备，可转动的旋转支架体(15)在所述可调节仰角的框 架设备上，与所述可转动的旋转支架体(15)相连的传动机构(24)， 所述第二角度调节机构(18)连接在所述可转动的旋转支架体(15) 上。
3. 跟踪式聚光镜，包括太阳灶(20)，以及阳光跟踪设备，其特 征在于可转动的旋转支架体(15)在可调节仰角的框架设备上，可 转动的旋转支架体(15)与传动装置(24)相连，第二杆体(2)与 第一杆体(1)螺纹连接，连在一起的所述太阳灶(20)和可伸縮的 支架(3)，通过第三个铰链(9)与第二杆体(2)铰接，所述可伸 縮的支架(3)通过第二个铰链(42)和可转动的旋转支架体(15) 铰接，第一杆体(1)与所述可调节仰角的框架设备相连。
4. 如权利要求1、 2或3所述的跟踪式聚光镜，其特征在于所述 可调节仰角的框架设备包括第一框架设备(14)和第二框架设备(21)，支撑体为轮(23)，支撑体与所述可调节仰角的框架设备连接，活动连接的支撑体与所述可转动的旋转支架体(15)，观察设备 (28)与所述聚光镜相连，以及和所述可调节仰角的框架设备相连 的驱动设备(25)，所述传动机构(24)和所述驱动设备(25)相连， 所述传动机构(24)为齿轮，可调节仰角的框架设备上有第一角度 调节机构(19)。
5. 如权利要求1或2所述的跟踪式聚光镜，其特征在于滑动连 接的所述聚光镜与所述第二角度调节机构(18)，所述聚光镜与第三 杆体(26)相连，第三杆体(26)与所述可转动的旋转支架体(15) 通过铰链(27)铰接，所述聚光镜上有固定机构(17)，所述聚光镜 的主轴(3)与观察设备(28)相连。
6. 如权利要求1或2所述的跟踪式聚光镜，其特征在于所述聚 光镜为线形焦点凹面镜体(31)，小支架体(32)在线形焦点凹面镜 体(31)上，线形焦点凹面镜体(31)与第三杆体(26)相连，第 三杆体(26)与所述可转动的旋转支架体(15)通过铰链(27)铰 接，观察设备(28)与线形焦点凹面镜体(31)相连，定位机构(17) 与线形焦点凹面镜体(31)相连，所述传动机构(24)和驱动设备(25)相连，所述驱动设备(25)为弹性势能驱动设备，支撑体为 弧形体(16)，所述弧形体(16)与所述可调节仰角的框架设备连接，活动连接的支撑体与所述可转动的旋转支架体(15)。
7. 如权利要求3所述的跟踪式聚光镜，其特征在于所述聚光镜 为线形焦点凹面镜体(31)，小支架体(32)在线形焦点凹面镜体(31) 上，第二杆体(2)在所述第一杆体(1)中，螺杆(39)在所述第 一杆体(1)上，螺杆(39)端部与所述第二杆体(2)上的螺纹(40) 相啮合；和所述可转动的旋转支架体(15)相连的支撑体，以及套在一起的支撑体与可调节仰角的框架设备；所述传动机构(24)和 所述驱动设备(25)相连，驱动设备(25)为电机。
8.阳光跟踪设备，其特征在于可转动的旋转支架体(15)在可调 节仰角的框架设备上，可转动的旋转支架体(15)与传动装置(24) 相连，第二杆体(2)与第一杆体(1)螺纹连接，可伸縮的支架(3)， 通过第三个铰链(9)与第二杆体(2)铰接，所述可伸縮的支架(3) 通过第二个铰链(42)和可转动的旋转支架体(15)铰接，第一杆 体(1)与所述可调节仰角的框架设备相连。
全文摘要
跟踪式聚光镜，属太阳能应用领域中，能对阳光精确跟踪的中高温光热设备。用来解决现有聚光设备采用电控设施，成本高的问题。使地轴平行线与旋转支架体(15)的中心垂直，聚光镜(20)在旋转支架体(15)上，旋转支架体(15)通过支撑体(16)和可调节仰角的框架设备相连，以转动一周一个真太阳日驱动旋转支架体(15)时，则聚光镜随阳光转动，其焦点位置始终与旋转支架体(15)的中心重合。主要用途是提供一种非电控且能有效跟踪阳光的太阳能加热设备。
文档编号F24J2/12GK101551165SQ200910132478
公开日2009年10月7日 申请日期2009年3月29日 优先权日2008年3月31日
发明者曹宏海 申请人:曹宏海