专利名称：一种太阳周期性光热作用模拟装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及太阳能的应用与研究領域的日照加热模拟装置，具体涉及ー种太阳周期性光热作用模拟装置。
背景技术：
太阳能是地球上取之不尽、用之不竭的清洁能源，是地球生命赖以生存的源泉。在当今化石能源不断枯竭，生态环境严重破坏的情况下，研发充分利用太阳能的各种方法和装置，对于世界范围内节约能源和保护生态环境都具有重要的现实和长远意义。目前，太阳能利用技术在全世界得到了广泛应用和深入研究，如太阳能热水系统、太阳能光伏发电系统、太阳能热电联产系统、天然光收集和传输系统、被动式采暖和制冷系统、太阳能加热或干燥系统等。这些系统的性能除了与系统本身的构成有关外，还受到太阳周期性光热作用的影响。由于太阳周期性光热作用与某一地区的地理位置有关，并且随季节不同而变动，呈 现不稳定性，因此，太阳能利用系统性能测试至少面临如下三方面的问题一是在某一具体地区测试的性能指标难以运用到其它地区；ニ是在某ー时段测试的性能指标很难具有时节代表性；三是依托于室外不稳定的光热作用来做试验，只有进行长时间的观测和统计，才具有一定的可信度，这既耗时耗カ又不方便。显然，这三方面问题限制了现有太阳能产品的研发和应用。并且太阳周期性光热作用是室外气候的主要成因，室外空气温度的升降和湿度的增减以及风速风向都极大地受到太阳周期性光热作用的影响。室外气候直接影响室外人体行为和室外环境设计，也直接或间接影响到室内气候。而且在建筑环境中，太阳周期性光热作用形成了建筑的热湿气候和采光气候，直接影响建筑的采暖、制冷和照明能耗等。所以太阳周期性光热作用还关系到室内外气候的形成和建筑的居住性能等。因此模拟任意地区任意时段的太阳周期性光热作用，对太阳周期性光热作用进行稳定、准确和真实的测试和数据采集，对太阳能产品的研发和创建舒适的人居住环境如太阳能光热利用、太阳能光伏发电、环境日照与遮阳、局地气候营造和建筑保温隔热等都有着深远的意义和价值。针对上述问题人们提出了一些解决方案，如中国实用新型专利CN200720061327. 5公开了ー种日照模拟装置，其主要由支架和日照模拟部分組成，日照模拟部分可在支架上转动，从而改变照射的范围和角度，得到较真实的光照強度，用于空调器在长期日照环境中的性能测试。显然，该日照模拟装置的应用范围较窄，并且不能模拟太阳周期性光热作用。再如早期人们提出的ー种日照仪，參见2002年华南理工大学等合编的《建筑物理》第169页，它由地平面板、赤道面板、时间转盘和固定平行光源組成。固定的平行光源发出的平行光线代表太阳光线，通过调节赤道面板与平行光线的夹角实现赤纬角定位，通过调节地平面板与赤道面板夹角实现地理纬度的定位，转动时间转盘实现地球自转的模拟。该仪器装置主要用来观测任意地点、任意日期和时刻的太阳方位角和高度角，制作太阳轨迹图和日照棒影图，测算建筑阴影、遮阳面积、日照间距和地区日落日出时间，但该日照仪不能模拟太阳周期性热作用，所以该日照仪的应用范围也较窄，并且因其结构上的缺陷而不能稳定、准确和真实的模拟太阳周期性光热作用，而不能满足现代各种各样的太阳能利用方式。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种太阳周期性光热作用模拟装置，可对太阳周期性光热作用进行直观、稳定、准确和真实的测试和数据采集，适用范围广，实用性強。为了达到上述目的，本实用新型采用这样的技术方案一种太阳周期性光热作用模拟装置，包括光源装置，还包括试件的放置装置，上述光源装置形成以试件作为静止參考点的周期性升落的太阳模拟装置。上述放置装置为可调节试件相对 上述光源装置位置的支撑架。上述放置装置包括由下至上依次支撑连接的底部水平支脚架、竖直支撑架和顶部水平支撑架，三者构成开ロ朝向上述光源装置的“匚”字状，所述竖直支撑架为可上下伸縮的支撑架，在所述顶部水平支撑架上活动设置有盛载试件的地平面板。上述光源装置配设有驱动装置。上述光源装置配设有支架，上述驱动装置为设于此支架上的电动机。上述电动机配设有控制器。上述光源装置通过以上述电动机的输出轴为轴平衡旋转的摆臂，与电动机的输出轴传动连接。上述摆臂为可伸縮的摆臂。上述光源装置由电刷通电，此电刷与上述电动机的输出轴同轴设置，上述支架固设有圆环，上述电动机的输出轴垂直于此圆环且输出轴的轴线通过圆环的圆心，所述光源装置配设有开关，此开关设于所述圆环上，上述摆臂对应此开关设有触发器。上述光源装置为金属卤化物灯，其灯罩的内表面为抛光的抛物面，且所述金属卤化物灯设于抛物面的焦点处。采用上述技术方案后，本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置，可用于实验教学与科学研究活动等领域，其将传统的光源装置设置成以试件作为静止參考点而模仿任意地点任意时段太阳周期性升落的太阳模拟装置，模拟地球上的物体受到自然太阳光热的照射和加热情况，即以地球上人的观察角度来对试件进行太阳光热作用测试和数据采集等，与现有技术相比，本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置，可对太阳周期性光热作用进行直观、稳定、准确和真实的测试和数据采集，结构新颖合理，适用范围广，实用性強。进ー步，放置装置为可调节试件相对光源装置位置的支撑架，此结构可使试件与光源装置之间的位置灵活可调，任意选择试件受光源装置光照及加热的条件，测试结果更加全面准确。进ー步，放置装置包括由下至上依次支撑连接的底部水平支脚架、竖直支撑架和顶部水平支撑架，三者构成开ロ朝向上述光源装置的“匚”字状，竖直支撑架为可上下伸縮的支撑架，在顶部水平支撑架上活动设置有盛载试件的地平面板，此合理的整体结构为光源装置的全方位转动预留了空间，并且可上下伸缩的竖直支撑架和活动设置的地平面板可分别实现试件在竖直方向和水平方向相对光源装置位置的灵活可调。进ー步，光源装置配设有驱动装置，驱动装置作为光源装置的动カ装置，实现了光源装置的运动并增强了光源装置运动的可操作性。进ー步，光源装置配设有支架，驱动装置为设于此支架上的电动机，支架可使光源装置形成的太阳模拟装置的整体结构更加完整，且电动机为市场上普通常见的驱动装置，可有效降低本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置的成本。进ー步，电动机配设有控制器，如此，人们可通过此控制器对电动机进行控制，进而对光源装置的周期进行所需条件的调节，增强了本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置的可操作性和实用性。进ー步，光源装置通过以电动机的输出轴为轴平衡旋转的摆臂与电动机的输出轴传动连接，此结构可实现光源装置模拟以某地地面为静止參考点的太阳周期性转动，并且平衡旋转的摆臂使光源装置的转动更加稳定可靠。进一歩，摆臂为可伸縮的摆臂，此结构可调节光源装置的转动半径，实现试件与光源装置的距离灵活可调，可调节试件所受到的光照強度和亮度等參数，以扩大本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置的条件适用范围。进ー步，光源装置由电刷通电，此电刷与电动机的输出轴同轴设置，支架固设有圆环，电动机的输出轴垂直于此圆环且输出轴的轴线通过圆环的圆心，光源装置配设有开关，此开关设于圆环上，摆臂对应此开关设有触发器，如此本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置的结构更加完整，可实现光源装置形成太阳模拟装置的目的，电刷可保证光源装置在转动时的电导通或断开，触发器可在光源装置转动的过程中适时对光源装置的开关进行触发，以自动实现光源装置开启发光或关闭熄灭的模拟太阳升落的效果，进ー步增强了本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置的可操作性。进ー步，光源装置为金属卤化物灯，其灯罩的内表面为抛光的抛物面，且所述金属卤化物灯设于抛物面的焦点处，此结构可保证光源装置发出的光线和热辐射线经灯罩反射后形成平行的光线和热辐射，以模仿太阳光线和热辐射。
图I为本实用新型的结构示意图。图中I-太阳模拟装置11-光源装置111-电刷112-开关113-触发器12-支架13-电动机131-控制器14-摆臂15-圆环2-放置装置21-底部水平支脚架22-竖直支撑架23-顶部水平支撑架231-地平面板3-试件具体实施方式
为了进一歩解释本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例进行详细阐述。本实用新型的一种太阳周期性光热作用模拟装置，如图I所示，包括太阳模拟装置I和试件3的放置装置2。[0039]太阳模拟装置I包括光源装置11、支架12、电动机13、摆臂14和圆环15，光源装置11为金属卤化物灯，其灯罩的内表面为抛光的抛物面，金属卤化物灯设置在抛物面的焦点处，以产生类似太阳的平行光线和热辐射，支架12作为太阳模拟装置I整体的支撑结构，电动机13作为光源装置11的驱动装置固定设于支架12上并接有电源，电动机13配设有控制器131，用以控制电动机13的转速等參数，光源装置11通过摆臂14与电动机13的输出轴传动连接，摆臂14垂直于电动机13的输出轴并以电动机13的输出轴为轴平衡旋转，光源装置11设于摆臂14的一端，具体是摆臂的端部朝试件3的方向设有延伸部，光源装置11设于此延伸部，并可调节照射方向，以在不同条件下保证光线照射在试件3上，摆臂14采用可沿电动机13的输出轴的径向伸縮的结构形式，以调节光源装置11的转动半径，进而使光源装置11的光热辐射值和均匀度可调，达到相关模拟要求。光源装置11具有电刷111，光源装置11由此电刷111保证在旋转时的通电或断电，电刷111与电动机13的输出轴同轴设置，具体是电刷111的静止部分固定在支架12上并与电源电连接，电刷111的转动部分固定在电动机13的输出轴上与摆臂14同步转动并与光源装置11电连接，圆环15由金属材料制成，固定设置在支架12上，电动机13的输出轴垂直于圆环15且输出轴的轴线通过圆环15的圆心，其光源装置11具有开关112和开关112的触发器113，两个开关112以 中心対称的形式设于圆环15上，触发器113对应开关112设于摆臂14的相应位置，以保证在摆臂14带动光源装置11转动时的某时刻，如在模拟太阳升起或降落时，触发器113在摆臂14每转过180°后即将开关112触发开启或触发关闭；放置装置2包括底部水平支脚架21、竖直支撑架22和顶部水平支撑架23，三者构成开ロ朝向光源装置11的“じ”字状，底部水平支脚架21作为放置装置2的支脚，竖直支撑架22采用可上下伸縮的结构形式，使试件3相对于光源装置11在高度方向上灵活可调，在顶部水平支撑部23上活动设置有地平面板231，地平面板231用于承载试件3并作为试件3的參考地平面，活动设置的地平面板231使试件3相对于光源装置11在水平方向上灵活可调，配合调节竖直支撑架22和地平面板231可使试件3处于合适的位置。本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置，在使用时，将太阳模拟装置和放置装置适当摆放后，将试件适当的置于地平面板上，根据要模拟的太阳的赤纬角8和所在地点的地理纬度小，按公式h = 90° -、￠-8 I确定光源装置的光线与地平面板的夹角h，适当的配合调节竖直支撑架、地平面板、光源装置的照射角度和支架整体的倾斜角度，使光源装置发出的光线与地平面板间夹角等于h并使试件处于光线照射范围内，设定电动机的控制器使摆臂带动光源装置进行所需周期的转动和适时的启停，调整摆臂在绕电动机的输出轴转动时触发器相对开关的触发位置，以满足模拟所需的太阳周期性光热作用的各个条件。就绪之后，本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置即可按电动机的控制器的设定參数进行运转和停止，模拟太阳周期性光热作用，并至少产生如下三个有益效果一是能真实模拟任意地点任何时段太阳周期性光热作用，解决现有太阳能利用系统性能测试面临的诸多问题，方便太阳能利用产品的研发。ニ是在室内创造稳定的太阳周期性光热作用条件，便于相关的实验教学与科学研究。三是特别适合有重力影响的相关太阳光热作用效果的测试，如，水平屋面的被动蒸发冷却和太阳光热引起的局部外表热压流动，由于液态水分和空气热压流动会受到重力影响，从而影响到光热作用效果，因此，只有试件放置具有客观性，才能保证测试效果的真实准确。本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置对于太阳能产品的研发，室外光热环境的营建，太阳运行轨迹图和棒影图绘制，建筑环境阴影、日照、遮阳、采光、保温、隔热等分析都有重要的价值和意义。本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置，电动机优选为步进电机，如单片机程序控制的步进电机，也可为其它形式的电动机；电动机的控制器可根据实际要求配设有參数输入面板，优选为单片机PCL编程控制器；为保证电动机的输出轴运转时牢固平稳，输出轴适当配设固定在支架上的限位垫块；摆臂采用钢材等强度较高的材料制成，整体呈音叉的叉头状；摆臂的伸縮形式采用现有的伸缩技术；圆环的尺寸和材料等可根据实际要求进行调整和设计；开关和其触发器的触发形式可根据实际要求进行调整和设计，如机械式的弾性接触或无线感应的形式；光源装置与摆臂采用活动的连接方式，如万向节的形式，使光源装置任意调整发射光热的方向以满足对试件任意条件下的照射和加热；光源装置也可为其它适用于室内并可模拟太阳光线的光源形式；竖直支撑架的伸縮形式采用现有的伸縮技术；地平面板可采用滑动或直接放置的方式设置于水平支撑架上；并可进ー步将本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置的各部件设置成可拆装的形式，便于运输，进ー步增强了实用性強。 本实用新型的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。
权利要求1.一种太阳周期性光热作用模拟装置，包括光源装置，其特征在于还包括试件的放置装置，上述光源装置形成以试件作为静止參考点的周期性升落的太阳模拟装置。
2.根据权利要求I所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述放置装置为可调节试件相对上述光源装置位置的支撑架。
3.根据权利要求2所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述放置装置包括由下至上依次支撑连接的底部水平支脚架、竖直支撑架和顶部水平支撑架，三者构成开ロ朝向上述光源装置的“じ”字状，所述竖直支撑架为可上下伸縮的支撑架，在所述顶部水平支撑架上活动设置有盛载试件的地平面板。
4.根据权利要求I所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述光源装置配设有驱动装置。
5.根据权利要求4所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述光源 装置配设有支架，上述驱动装置为设于此支架上的电动机。
6.根据权利要求5所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述电动机配设有控制器。
7.根据权利要求5或6所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述光源装置通过以上述电动机的输出轴为轴平衡旋转的摆臂与电动机的输出轴传动连接。
8.根据权利要求7所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述摆臂为可伸縮的摆臂。
9.根据权利要求8所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述光源装置由电刷通电，此电刷与上述电动机的输出轴同轴设置，上述支架固设有圆环，上述电动机的输出轴垂直于此圆环且输出轴的轴线通过圆环的圆心，所述光源装置配设有开关，此开关设于所述圆环上，上述摆臂对应此开关设有触发器。
10.根据权利要求I所述的ー种太阳周期性光热作用模拟装置，其特征在于上述光源装置为金属卤化物灯，其灯罩的内表面为抛光的抛物面，且所述金属卤化物灯设于抛物面的焦点处。
专利摘要本实用新型提出一种太阳周期性光热作用模拟装置，包括光源装置，还包括试件的放置装置，上述光源装置形成以试件作为静止参考点的周期性升落的太阳模拟装置。采用上述技术方案后，本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置，可用于实验教学与科学研究活动等，其将传统的光源装置设置成以试件作为静止参考点，模仿任意地点任意时段太阳周期性升落的太阳模拟装置，即以地球上人的观察角度对试件进行光热作用测试，与现有技术相比，本实用新型的太阳周期性光热作用模拟装置，可对太阳周期性光热作用进行直观准确的测试，结构新颖合理，适用范围广，实用性强。
文档编号G01M99/00GK202599683SQ201220168740
公开日2012年12月12日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者冉茂宇, 方瑞明 申请人:华侨大学