北窗小太阳的制作方法

专利名称:北窗小太阳的制作方法
【专利摘要】公开了一种北窗小太阳，利用太阳能远距离高温热辐射，为朝北的住户送去阳光和温暖，包括(见附图)：聚光镜（1），二次反射镜（2），反光杯（3），太阳跟踪仪（4），风速传感器（5），控制器（6），电机（7），主轴承重柱（8），底座（9）。小太阳放置于北楼楼顶，通过聚光镜（1）汇聚阳光800℃，再通过焦点处的二次反射镜（2）斜向下反射给南楼。聚光镜（1）是大凹面镜。二次反射镜（2）是等焦距的小凹面镜，加反光杯（3），方便调焦，以控制照射范围。太阳跟踪仪（4）和风速传感器（5）把信息传输给控制器（6），驱动电机（7）运转，实现聚光镜（1）对太阳的自动跟踪和防风保护。双太阳模式具有普适性。有益效果：改善朝北房屋的光照和阴冷状况，大幅提高室内温度，节能环保，是太阳能利用的新途径。
【专利说明】
北窗小太阳
技术领域
[0001]本实用新型，公开了一种利用太阳能远距离高温热辐射装置，具体就是北窗小太阳，为窗户朝北的千家万户送去阳光和温暖。
技术背景
[0002]两千多年前，古希腊科学家阿基米德曾经用镜子聚集阳光烧毁罗马战船。1747年，法国科学家布韦用360面边长15厘米的正方形镜子拼成一个大凹面镜聚集阳光，烧着了 70米外的木柴堆，烧熔了 30米外的铝和18米外的银。
[0003]太阳能是清洁、可再生能源。太阳能利用目前主要集中在太阳能光伏发电、太阳能热水器两个领域，还有推广受限的太阳灶领域。
[0004]众所周知，朝向对房价有重要影响，在北方地区，朝北的房屋比朝南的房价通常要低8-15%，总价往往相差几十万元，原因就在于日照和采光，朝北的房屋要阴冷得多。目前，还没有什么技术对朝北的房屋的光照和阴冷问题予以改善。

【发明内容】

[0005]本实用新型的目的，就是要填补这一技术空白，改善朝北的房屋的光照和阴冷问题，为千家万户送去阳光和温暖。
[0006]根据法国科学家布韦的试验结论，本实用新型，是采用如下技术方案实现的:
[0007]北窗小太阳，由9部分组成:1.聚光镜，2.二次反射镜，3.反光杯，4.太阳跟踪仪，5.风速传感器，6.控制器，7.电机，8.主轴承重柱，9.底座。
[0008]北窗小太阳，放置于北楼楼顶的前边缘，通过聚光镜I汇聚阳光于焦点，再通过焦点处的二次反射镜2斜向下反射给南楼朝北的住户，送去光和热。聚光镜I是能自动跟踪太阳的大凹面镜，R = 1.4-1.8m，功率约4000-8000?，焦斑温度控制在800°C左右。二次反射镜2是等焦距的小凹面镜，由耐高温材料制成，置于聚光镜I的焦斑处，加反光杯3，方便调焦，以控制照射前楼范围。太阳跟踪仪4和风速传感器5把实测信息传输给控制器6，驱动电机7运转，实现对太阳的自动跟踪和防风保护。
[0009]本实用新型的有益效果是:
[0010]结构简单，易于生产；自动跟踪，无须维护;能够改善朝北房屋的光照和阴冷状况，将温度提高10_15°C，帮助住户节约50%能源，保护环境。
【附图说明】

[0011]附图是本实用新型的结构示意图。
[0012]1.聚光镜，2.二次反射镜，3.反光杯，4.太阳跟踪仪，5.风速传感器，6.控制器，7.电机，8.主轴承重柱，9.底座。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】，对本实用新型作进一步的详细说明:
[0014]北窗小太阳，放置于北楼楼顶的前边缘，通过聚光镜I汇聚阳光于焦点，再通过焦点处的二次反射镜2斜向下反射给南楼朝北的住户，送去光和热。
[0015]前楼左右宽度在50m以下时，安装单太阳系统，置于前楼宽度的中线上;楼宽在50-1OOm时，将楼宽四等分，安装标准的双太阳系统，把小太阳分别安装在后楼楼顶前边缘的左右两个等分点上，这是重点推广的双太阳模式;楼宽大于10m时，每隔40m安装一套北窗小太阳系统。
[0016]1.聚光镜:
[0017]聚光镜I是一个大凹面镜，为旋转抛物面反射镜，由贴膜铝材料制成，大半径、小曲率，反射率大于95 %,R=1.4-1.8m,采光面积6_10平方米，功率约4000-8000?，仰角范围0-90°，重量约60-70kg，正轴(或偏轴，效果更佳)，焦距2m左右，以二次反射镜2和聚光镜I互不遮挡为原则来确定聚光镜I的半径和曲率。聚光镜I高度聚焦时的焦点温度可达3000°C，所以，应扩大焦斑面积，使焦斑温度控制在800°C左右，既能延长设备寿命，又不降低光热辐射总量。可参考太阳灶数据:采光面积3.7平方米，焦距0.8m，仰角范围30-90°，重量45kg，功率相当于2800w。
[0018]为方便运输，镜面分为12块，首先以1/2R为界，划分为内圆、外环两部分，内圆由6个扇面组成，外环也相应地由6块组成。背面由6根2节的放射支撑梁和3环箍联结、固定，内环为整体方钢管；中环为6段槽钢，于4块镜面结合部用四爪钉联结;外环即外边缘，为6段弧形方钢管。聚光镜I如果根据三圆作图法，裁去效率较低的上下两边，改用偏轴的长方形抛物面，效果会更好。
[0019]2.二次反射镜:
[0020]二次反射镜2，是与聚光镜I焦距相等的小凹面镜，可截取聚光镜I的中心部分得至IJ，半径0.2m，与聚光镜I的焦斑半径相当，大约是聚光镜I半径的1/9-1/7，由耐高温材料制成，置于聚光镜I焦斑处。来自于聚光镜I的光线，相当于光源从二次反射镜2的焦点入射，让光芒充满整个镜面，可增强光热辐射，温度可达800°C，如同炫目的汽车远光灯，再以近平行光反射给南楼并适度扩散。二次反射镜2分内圆和外环，双色，内圆半径0.15m，外环宽度
0.05m，但仍是一个整体。外环外加同色的反光杯3，方便调焦，控制反射范围。反射最佳区域:半径25m范围内，宽度:100m，楼距:40m，高度:50m，相当于17层楼高。远高于50m的大楼，应在适当高度加装北窗小太阳系统。由于聚光镜I向上倾斜，二次反射镜2向下倾斜，反射到南楼呈纵向的椭圆形光区或扇形光区，靠近顶层处，可能会出现小范围盲区。
[0021]下面重点说明标准的双太阳模式。
[0022]楼宽在40m以上时，将楼宽四等分，把小太阳放置在北楼楼顶前边缘的左右两个等分点上(假定前、后楼等宽)，左为红太阳，内红外橙，以反射红色光、红外线为主；右为橙太阳，内橙外红，以反射橙色光、黄色光为主，并减少强光污染。橙色光色温4000K，接近冬季早上10:30的阳光;红色光色温2400K，如旭日。各照射大约45°视角，其中同时照耀的重合区约占50%，重合区域在正午时分如同朝南的房屋，温度约高出10°以上。南楼东西两端各有一小片区域不会出现重合，只能看到单太阳。为弥补两端住户的缺憾，小太阳反光区域应以南楼西墙、东墙为边界，使反光不会溢出边界，造成资源浪费和对别处的光污染。太阳跟踪仪运行到端点后，小太阳会在两端点较长时间停留。小太阳有月相般变化，不同时刻会看到月牙、凸月、满月状的小太阳。日出时，前楼右端能看到左太阳如凸月，右太阳如月牙。左端只能看到左太阳如月牙，看不到右太阳；日落时相反，前楼左端能看到左太阳如月牙，右太阳如凸月。右端只能看到右太阳如月牙，看不到左太阳。
[0023]小太阳两个焦点附近5米内不得有电线和树枝，以防发生火灾。
[0024]3.反光杯:
[0025]反光杯3，加在二次反射镜2外圈，耐高温，主要是为了方便调焦，以控制照射前楼范围，还能防焦斑溢出，防热能散逸。
[0026]4.太阳跟踪仪:
[0027]太阳跟踪仪4采用单片光敏传感器，测定入射太阳光线和聚光镜I主光轴间的偏差，当偏差超过1.5°时，相当于6分钟，驱动电机7调整聚光镜的位置，直到太阳光线与聚光镜I主光轴重新平行，实现对太阳高度角0-90°和方位角360°的双轴跟踪。能够准确无误地识别太阳升起、落下及任何时刻所处的位置，识别阴天、多云、晴天及昼夜。日落后，系统会自动进入休眠状态，并自动回归到太阳升起的方位，第二天再自动进入新一轮的运转。电路设计简单，不用输入经玮度，不用考虑四季太阳运行路线，不用设定时间，采用数字芯片完成信息处理，驱动电机7工作。
[0028]5.风速传感器:
[0029]风速传感器5连接控制器6，测风向、风速。当风速超过1级时，控制器6自动启动保护程序，切断太阳跟踪仪4，驱动电机7运转，使聚光镜I垂直运动并快速收平，“漂浮”在风面上，以降低风阻。在风力降下来15分钟后，解除防风系统，恢复跟踪过程。
[0030]6.控制器:
[0031]控制器6接收太阳跟踪仪4的信号后，驱动电机7运转，使聚光镜I主光轴垂直于太阳光。控制器4另外还带有接口，连接风速传感器5。
[0032]7.电机:
[0033]电机7为步进电机(或用伺服电机)，电压DC12V，功率30W，运行环境温度-40?85°C，既控制方位角变化，又控制高度角变化(或改用两台电机，分别控制)。使用220V的交流电经变压、整流成直流电更方便;或者加装小面积的太阳能电池板和蓄电池，实现自储电、自供电，直接使用12V的直流电。
[0034]8.主轴承重柱:
[0035]主轴承重柱8，内是主轴，承担方位角转动;外是承重柱，负载北窗小太阳的全部重量。
[0036]9.底座和固定防风措施:
[0037]有广告牌风压研究数据表明，10级狂风风速达24.5-28.4m/s，取最大值28.4m/s，则风压达0.5kN/m2，约50kg/m2的风力；12级台风风速达32.7m/s_36.9m/s，取最大值36.9m/s，则风压约为0.85kN/m2，约85kg/m2的风力。
[0038]那么，6-10平方米的聚光镜1，在不考虑倾斜、凹面等降低风阻的因素下，在10级狂风时，大约要承受300-500kg的风力;在12级台风时，要承受510-850kg的风力。
[0039]北窗小太阳放置在楼顶，又是在北方多风的冬季使用，通常自11月I日一一来年3月31日，防风和安全是头等大事。
[0040]底座9用钢筋、混凝土与楼板浇铸在一起。主轴承重柱8能抗10级狂风，并预留斜拉钢丝孔，在风速超过1级时辅助加固。当风速超过1级时，控制器6自动启动保护程序，使聚光镜I快速收平，“漂浮”在风面上，以降低风阻。其他措施，如:采取双底座、双承重柱方案，把聚光镜一分为二，相当于两套系统联动，共一个焦点；加装与聚光镜基本等高的弧形防风墙，并划为禁区，效果也不错。
[0041 ] 10.保养:
[0042]北窗小太阳，冬季使用时，自动跟踪，无须保养;夏季停用，切断电源，拆除二次反射镜2即可。最好能把聚光镜I也拆下，翻扣在楼顶，与主轴承重柱拴牢，并贴上警示标志。
[0043]北窗小太阳，能让50m外的室内正午温度比室外升高10_15°C，能让楼后的积雪提前两天融化完，把阳光和温暖送到千家万户。
[0044]本实用新型中涉及的未说明部分，与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
【主权项】
1.一种北窗小太阳，是利用太阳能远距离高温热辐射装置，包括:聚光镜、二次反射镜、太阳跟踪仪、风速传感器、控制器、电机，其特征是:北楼楼顶的聚光镜汇聚阳光于焦斑处的、等焦距的二次反射镜上;二次反射镜外加反光杯，将光热反射给南楼;太阳跟踪仪和风速传感器把实测信息传输给控制器，驱动电机运转。2.根据权利要求1所述的北窗小太阳，其特征是:聚光镜是一个大凹面镜，为旋转抛物面反射镜，焦斑温度控制在800 °C。3.根据权利要求1所述的北窗小太阳，其特征是:二次反射镜是与聚光镜等焦距的小凹面镜，半径与聚光镜焦斑半径相当，由耐高温材料制成，并置于其焦斑处。4.根据权利要求1所述的北窗小太阳，其特征是:双太阳模式下的二次反射镜，镜面内红外橙，或内橙外红。5.根据权利要求1所述的北窗小太阳，其特征是:二次反射镜加装聚光杯。6.根据权利要求1所述的北窗小太阳，其特征是:聚光镜和二次反射镜都放置在北楼楼顶。
【文档编号】F24J2/38GK205717018SQ201620088455
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】韩冰天
【申请人】北京市碧江河公益广告艺术中心