专利名称：一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳聚光装置，一种能跟踪太阳，高倍聚集太阳光并利用所聚的太阳光产生高温的装置，特别是一种采用自旋仰角跟踪方式以及采用行列运动像差修正方式的太阳炉。
背景技术：
现有的利用聚集太阳光产生高温的光热技术涉及太阳跟踪器和反射式(譬如碟式或槽式的抛物面)或透射式(譬如菲涅尔透镜)聚光镜的使用。在较大型(热功率>10kw)的太阳能光热应用当中，高聚光比的装置能达到1500°c以上的高温，这种太阳聚光装置被称为太阳炉。传统技术的太阳炉有两种光学结构
一种太阳炉的采光面为一个反射式的抛物面(碟式)，加热目标置于在抛物面的光学焦点上。在操作的时候，抛物面跟踪太阳以确保抛物面的光学轴平行于太阳光入射方向，因此加热目标是悬挂在空中并且一直相对地面移动。其不足之处是悬挂在空中并且一直移动的目标在应用上带来的不便大大的限制了其应用范围，比如说在冶金和高温金属镀膜等方面的应用就很难进行。另一种太阳炉的采光面是由至少一个平面或球面定日镜组成，定日镜跟踪太阳并同时把太阳光反射在一个抛物面反射镜上，抛物面反射镜的光学轴平行于从定日镜反射过来的入射的太阳光，而加热目标则是放置在抛物面反射镜的光学焦点上。抛物面反射镜的面积与定日镜的总面积大约相等。在操作的时候，该抛物面反射镜和加热目标相对地面是固定的。其不足之处在于其庞大的抛物面反射镜的光学精度的要求会大大增加制造成本； 两阶式的结构也使得整个系统十分庞大而复杂，材料及维修成本都十分高昂。上述方案中的定日镜有两个特点一是定日镜的反射面几乎都采用普通的球面或平面；二是定日镜的跟踪都使用传统的方位+仰角公式。这两个特点导致上述太阳炉存在着以下难以克服的问题普通球面或平面反射镜无法克服由于太阳运动而产生的像差，由于入射光的偏轴效应效应，定日镜在光学焦点上形成的光斑大小在一天之内产生较大幅度的变化，而方位+仰角跟踪系统也不能保证定日镜中心点的入射光线和反射光线始终位于子午面内，因此聚光光强和聚区的光密度出现大幅度波动，光热转换效率不理想。尽管某些定日镜开始采用不同曲率半径的球面，以减小光斑的尺寸，但大大增加的光学设计的复杂性导致制造成本也跟着大幅增长。
文献 1 (Chen, Y. Τ. , et al (2002), "Report of the first prototype of non-imaging focusing heliostat and it’ s application in high temperature solar furnace" Solar Energy Vol.72 No. 6，p. 531-544.陈应天等(2002)太阳能 72 (6)， 531-544)，文献2 (CN101004298)和文献3 (CN101368764)，公开了一种新型太阳炉，其特点是该太阳炉由采用自旋和仰角跟踪方式的聚光定日镜和一个远小于定日镜的聚光镜组成，所述的定日镜由一个行列排列的方形子镜群组成，每个子镜可以进行行和列方向的运动以实现在偏轴情况下的像差的修正。由于实现了偏轴像差的修正，其聚光光斑比传统光学的聚光定日镜的光斑小，并且稳定。根据文献2和文献3所述的技术特征，新型太阳炉的二次聚光镜的采光面积和新型太阳炉的定日镜的采光面积的比是五十分之一或更小，由于二次聚光镜的采光面积很小，因此可以实现低成本高精度的制造，太阳炉的制造成本也因此显著地比传统的太阳炉低。虽然文献1，文献2和文献3所公开的新型太阳炉相比传统的太阳炉有着显著的技术进步，然而在原公开的新型太阳炉的定日镜的设计中，为了达到精确的像差修正，每行每列子镜都需要有独立的驱动器。这样的设计不但增加了制造成本，也使工作的稳定性降低。本专利将披露新型太阳炉的定日镜的子镜群的行列像差修正装置可以进一步进行简化，从而在降低成本的同时更加提高新型太阳炉的设备稳定性。本专利披露了一种在新型太阳炉的设计中如何使用统一的子镜像差修正驱动装置，使每一行和每一列子镜接收同一个驱动动作或者共享一个驱动源，。这样一种设计在原理上是可以实现的。因为新型太阳炉中的定日镜的子镜运动所依赖的行列运动的自适应调节的参数只有一个，即太阳光线的入射角；同时，新型太阳炉的定日镜的整体跟踪所依赖的跟踪方式中的仰角等于太阳光线的入射角。当然整体跟踪与入射角的函数关系同子镜的行列运动与入射角的函数关系相差甚远，然而依赖这种函数关系的单值性，子镜行列运动就可以通过一种特殊的变化的凸轮同定日镜的整体运动的自旋或仰角联系起来，从而共享一个驱动源。如果能做到这一点，那么新型定日镜的子镜数量的增加或减少都不会改变子镜像差修正驱动装置的数量。另外，理论的研究还发现，每行每列的修正运动尽管不同，然而它们同入射角的函数关系是有一定规律的。这种规律则表现在1，田子镜组成的矩阵中，上行与下行函数形式不同；2，左列与右列的函数是对称的；3，相邻行列的函数形式相同，差异只在于系数。根据这些特点，本发明公开一种新的技术方案，其特点是将在现有技术里用于推动子镜的所有驱动器都可省却，利用软传输方式将变速后的仰角运动传输到不同的行列中的非线性凸轮以进行自适应调节。所述的非线性凸轮的设计原理在于凸轮的轮廓曲线的曲率半径是该定日镜的光入射角的函数，也就是说直接把每行或者每列的子镜像差修正的运动公式(也是入射角的函数)用凸轮外形轮廓表现出来，这么以来每一行和每一列子镜的凸轮都只能接受同一种驱动动作，因此新型太阳炉的定日镜则可省去大量的驱动器。由于新型定日镜的仰角和太阳光入射角是一致的而非线性凸轮的转角实际上也是太阳光入射角的函数，这样子镜像差修正的驱动源则可以和新型定日镜的仰角驱动装置共享，比如在仰角的传动轴上安装一种非线性凸轮，将入射角转换成推动子镜的非线性凸轮的转角， 在这种情况下，使用仰角驱动装置，子镜像差修正的驱动装置的数量则为零。
发明内容
一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，包括一个或多个聚光定日镜和一个聚光镜，所述的聚光定日镜跟踪太阳并将太阳光聚集和反射到聚光镜上，该聚光镜将太阳光作第二次聚光，在聚光镜的焦点上形成一个高温区，所述的聚光定日镜是一种由一个子镜阵列组成的、作双轴跟踪的无光像聚光定日镜，所述的子镜能够进行行和列方向的转动，使聚光定日镜在跟踪太阳的时候对所聚的光斑进行像差修正。其特证是所述的子镜的行和列方向的转动是通过一种非线性凸轮对子镜的推动实现的，所述的非线性凸轮的曲率半径r有三种类型并由以下公式定义 凸轮的转角为， t = kq;a)
负责子镜阵列上半部行方向运动的凸轮的曲率半径(其中n>0)，
权利要求
1. 一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，包括一个或多个聚光定日镜和一个聚光镜， 所述的聚光定日镜跟踪太阳并将太阳光聚集和反射到聚光镜上，该聚光镜将太阳光作第二次聚光，在聚光镜的焦点上形成一个高温区，所述的聚光定日镜是一种由一个子镜阵列组成的、作双轴跟踪的无光像聚光定日镜，所述的子镜进行行和列方向的转动，并对该聚光定日镜在跟踪太阳的时候对所聚的光斑进行像差修正，其特证是所述的子镜的行和列方向的转动是通过一种非线性凸轮对子镜的推动实现的，所述的非线性凸轮的曲率半径r有三种类型并由以下公式定义 凸轮的转角为， t = k θ ；负责子镜阵列上半部行方向运动的凸轮的曲率半径(其中η > 0)，
2.根据权利要求1所述的一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉的聚光定日镜，其特征是具有自旋轴及仰角转动轴，采用自旋与仰角跟踪法来跟踪太阳，其中仰角转动轴转角θ 由公式
3.根据权利要求1所述的一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，其特征是其二次聚光镜的口径与其聚光定日境的采光面积之比小于等于1 50。
4.根据权利要求1所述的一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，其特征是所述的聚光定日镜是由至少3行以及至少3列具有光学反射面的子镜组成，其中子镜的光学反射面可以是平面镜、包含球面在内的二次曲面镜或者是由公式
5.根据权利要求1所述的一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，其特征是所述的子镜所进行的行方向的转动0 和列方向的转动Yn由以下公式给出，
全文摘要
本发明涉及一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉，其中包括一个或多个聚光定日镜和一个小型聚光镜，所述的聚光定日镜跟踪太阳并将太阳光聚集和反射到小型聚光镜上，该小型聚光镜将太阳光作第二次聚光。聚光定日镜是一种由子镜阵列组成的、作双轴跟踪的无光像聚光定日镜，子镜能够进行行和列方向的转动，并对聚光定日镜在跟踪太阳的时候随时对所聚光斑进行像差修正，其特证是子镜的行和列方向的转动是通过一种非线性凸轮对子镜的推动实现的；聚光定日镜采用自旋与仰角跟踪法来跟踪太阳。本发明提高了太阳炉性价比，使太阳炉普及化，适合于太阳能提纯金属材料，太阳能光电，太阳能光热，太阳能制氢，太阳能焚化炉等的使用，其产业化使用前景广阔。
文档编号G02B19/00GK102563919SQ20101060654
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者陈应天 申请人:北京应天阳光太阳能技术有限公司