专利名称：多镜反射聚光太阳能集热装置的制作方法
技术领域：
本发明属太阳能利用技术领域，本发明涉及一种多个平面反光镜反射太阳能，聚光到一个固定的吸热管组上面，加热管组里面的工作物质的装置。尤其是能锁定各个反光镜的反射光线到一个固定的尺寸范围之内。达到聚光吸热效果。
背景技术：
目前，公知的太阳能的利用方法有两种，一种是利用光电池直接把阳光中某些波长的光波直接转换成电能。第二种方法是把光能转换成热能，再行利用。第一种利用的方法由于电池的制造工艺复杂，制造的成本过高(1～2美元每瓦以上)，光能的利用率低(8％～20％)，一直没能够广泛推广使用。第二种光能的利用方法目前的实施方案是利用玻璃真空管吸热加热水，主要用作家庭的太阳能热水器。另一种实施方案是用抛物面反光镜，把阳光聚集到一个小区域加热工质，推动原动机，做功发电转换成电能。因抛物面的制造工艺复杂困难，镜面的面积受到限制，跟踪技术的难度较大，要使大抛物镜转动起来耗能大，所以使这一方案的实际应用难以推广。制造的成本过大，限制了太阳能的大规模应用，让这一取之不尽的清洁能源白白浪费了。
据网上信息报道，澳大利亚决定建造光“太阳塔”，塔高1000米，底端为直径7000米的圆盘状集热管，利用太阳能加热空气，形成高速气流，推动涡轮产生电力，这一方案的投资相当巨大，发电量估计为200兆瓦，可见这种方法建造的单位容量的成本是相当高的。
槽式太阳能集热方法也因为抛物面的制造成本过高，而难以现实推广使用。
发明内容
为了克服现有的太阳能利用方案制造抛物面工艺复杂、规模受限制、单位容量制造成本高的缺点，本发明提供一种太阳能利用的方案，即多镜反射聚光太阳能集热装置。该装置由吸光集热单元、平面镜反光单元组成。平面镜反光单元的反光镜用平面镜，制造成本低，而且可以实现模块式生产，每套反射聚光吸热系统可以扩大到几十万平方米甚至更大的建设规模。通过设计独特的控制器和调整机构，使太阳光投射到镜面的反射光，始终被锁定在一个方向。投射到相当于镜面的面积的1.5倍的吸光集热单元的吸热管组件上。所以吸热管组件可以被安装在空中某一小区域内，接收若干个单元的反光镜投射过来的反射光，获得非常巨大的光能，转化为热能，推动原动机做功发电。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是在本套装置的地理中心位置，设置一个高度为10米至50米的吸光集热塔架(按规模的大小选择塔架的高度)，由塔架、金属和玻璃组合太阳能真空管、工质管组成吸光集热塔架即吸光集热单元。在塔架下面地面的四周，装设多个平面镜反光单元，利用平面镜反光单元自动控制功能，自动锁定反射光线，照射到吸热单元上，以达到反射聚光的目的。平面镜反光单元的安装应该按一定的高度排列，形成如足球场及其观众台，中间低，四周高，这样有利于防台风。本装置的核心元件是平面镜反光单元，主要由平面镜、平面镜基架、球形节、反射光锁定瞄准器、控制电路组成。控制电路包含有粗调和细调两个环节，粗调环节能把对平面镜入射角大于β角的太阳光线调整到使它的反射线正对反射光锁定瞄准器，细调环节对反射光进一步细调，从而“锁定”反射光线的方向。本利用太阳能的方案的特征是固定吸热单位，利用平面镜，平面镜反光单元自动控制，锁定反射光线，照射到吸热单元上，以达到反射聚光的目的。因平面镜反光单元的制造工艺简单、使用的元件种类少成本低，所以实现本方案的容量单位建造成本低。
平面反光镜的构造方案是平面反光镜(约1m2)的重心部位用双面沾胶块沾贴在一个平面镜固定架上面，平面镜固定架带有万向球形节，其中有一个主定位万向球形节，固定在一定高度的主支持杆上，主支持杆的另一端固定在基座上，作为转动轴心点，以该支点为原点。在X轴和Y轴方向上各有两个辅助万向球形节支持点，每个辅助万向球形节各自与一个可以伸缩的连杆相连，连杆的一端带螺纹，与带内螺母的齿轮相连，齿轮与小电动机的锅杆相连。锅杆与直流小电动机组成一个正反转可控的调整机构。每个调整机构通过电缆与自动控制器相连接。调整机构的支点与基座相铰接，其中的一个支点可以向X轴方向摆动，另一个调整机构的支点可以向Y轴的方向摆动，通过控制两个方向轴上的调整机构，控制两个辅助万向球形节的连杆的伸缩，从而使平面镜沿X轴和Y轴的方向转动，调整平面镜的方向，以达到调整太阳反射光线方面的目的。在平面镜的主定位万向球形节的正上方约10cm处，反射光锁定瞄准器固定在一个“T”字形的固定支架上，锁定瞄准器对准吸光集热单元的吸热管组件的中心位置。锁定瞄准器通过电缆与自动跟踪控制器相连。自动跟踪控制器装在一个绝缘外壳内，固定在基座上。利用简单，巧妙的电路设计，使反射光线始终固定方向射到吸热管组件上。达到“锁定”太阳光的平面反射光的目的。这样数个甚至数万个平面镜反射聚光组合在一起，形成了大规模集中利用太阳能的效果。为大规模地利用太阳光提供了一个低成本大规模地应用的方案。目前，属国内外技术领先的方案。
本发明的有益效果是使用了平面镜，平面镜反光单元制作工艺简单，成本非常低，控制转动力矩小，从而工作时自耗的能量小；使用了固定位置的吸光集热单元，有利于制造成大规模集中利用形式；自动控制单元中的电器元件种类少，成本低；控制电路采用粗、细调节，双级调整控制，反射光锁定控制的精确度高；电路的粗、细调整环节采用反相器和与门组成逻辑比较环节，有效防止过云、天阴等因素的干扰。以上的几个方面，决定了本发明的装置比其它任何方案利用太阳能的容量单位建造成本都低得多，工作的可靠更高。是低成本大规模利用太阳能的先进方案之一。
下面结合附图和实施例对本装置进一步说明。
图1是本发明的装置的各单元关系总图。
图2是吸光集热单元一个施例构造图。
图3是平面镜反光单元一个实施例构造图。
图4是平面镜反光单元中调整机构的大样图。
图5是平面镜反光单元中控制器的粗调环节的电原理图。
图6是平面镜反光单元中控制器的细调环节的电原理图。
图7是平面镜反光单元中控制器的直流电动机控制原理图。
图8是平面镜反光单元中控制器的锁定瞄准器的构造图。
图1是本发明的装置的各单元关系总图。
图1中，平面镜反光单元(1)组成n列，m行的平面镜反光单元阵列。当太阳光(平行光)照射到每个平面镜反光单元上时，平面镜反光单元利用其自动控制的功能，把反射光线投射到集热单元组件(4)上面，如图中入射光线(6)，也能经过该平面镜反光单元的反射，把反射光线投射到(4)上面。同理，其它的每个平面镜反光单元，都同时把照射在自身镜面上的太阳光，投射到(4)上面，形成了反光聚光的效果。锥管形的塔架(2)支持着集光吸热管组(4)，塔架的高度可以为任意的高度，具体选用高度的尺寸，由建设太阳能利用的规模而定，可以是5m，也可以是50m。管形架内有一条内管(3)，与对侧的另一条内管组成工质进出集热管组件的通道。内外管之间填满保温材料。由于锁定反射光线方向有一定的误差，吸光集热管组件的面积比平面镜的面积大1.5到2倍。为了防风，塔架的周围的平面镜反光单元的布置，宜中间低，四周高。形如大的足球场和观众台，周围可建造建筑物作为档风墙，也可以利用统一设计的建筑群的天面实现这一布置。
图2是吸光集热单元一个施例构造图。
图中(1)是锥体形空心锥管，管内有保温材料(2)，工质管(3)，管(3)与集管(6)相连，集管(6)与金属和玻璃组成的真空管(7)相连。(4)是金属和玻璃组合真空管的外管(玻璃管)，管(3)与对侧的另一半管塔，组成了工质的上、下(进、出)吸光集热管组。本图的吸光集热管组件安装成平面，也可以安装成“V”字形。
图3是平面镜反光单元的一个实施例图3中，平面镜(1)通过双面粘胶块(3)与基架(4)相连，基架(4)下面有一个万向主轴球形节(5)，在以万向主轴球形节(5)为原点，南北方向作为Y轴，东西方向作为X轴，两轴线上各有一个辅助转动球形节，Y轴方向上的辅助球形节(2)，X轴方向上的辅助球形节(20)，球形节可以向各个方向转动，主轴球形节的球头固定在主轴柱子(7)上，主轴柱子(7)固定在基座(8)上。Y轴方向上的球形节的球头通过φ8的全牙锣纹杆与调整机构(6)的锅轮螺母相连，调整机构(6)与φ8的圆柱一端相连，圆柱的另一端与基座绞接，绞接点只能向南北方向摆动。X轴方向上的辅助球形节(20)的球头与φ8的全牙螺纹杆(9)相连，螺管上有上限位推块(10)和下限位推块(13)，X轴上的调节机构(11)上下各侧分别有一个限位开关(12)，限位开关的接点属常闭触点，X轴上的调节机构(11)与φ8的圆柱一端相连，圆柱的另一端与基座绞接，绞接点只能向东西方向摆动。基座上有一个自动控制器(17)，通过电缆(14)和调整机构相连，通过电缆(18)与锁定瞄准器(16)相连。(19)是太阳光的入射光线。
图4是平面镜反光单元的调整机构的大样图图4中，调节螺纹杆(1)用φ8全牙螺杆，与锅轮(3)中心的内螺纹相咬合，蜗轮被限定在槽形架内转动，从而使螺杆向上或向下位移，达到调整平面镜的方向的目的。蜗轮(3)与蜗杆(4)相齿合，蜗杆(4)与小直流电动机(6)的转轴相连，(5)是把小电机定位在槽形架上的固定块。通过小螺丝，把二者相连。
这样的调整机构有两个，一个位于Y轴方向上，一个位于X轴的方向上。Y轴方向与南北方向一致，X轴方向与东西方向一致。在X轴方向上的调整机构的槽形架的上、下沿各安装一个触点为常闭的限位开关，当蜗杆上的限位块触及限位开关时，常闭触点断开，从而断开附图7中的J1或J2点。
附图5、附图6、附图7是自动控制器的电气原理图。
本电路的特点是使用的元件种类少。调试简单，只要调节光敏管的受光强度，即加遮光镜，其他基本不用调试。适用性能优良，不受阳光时阴时晴的影响。只要锁定了反光，控制器就不随阴晴的变化而受到影响而误动作。可靠性强，成本很低。
图中R1至R12，R17至R28均是10K阻值的小电阻，R13、R14、R15、R16为5K阻值的电阻，R29、R30、R31、R32是5KΩ阻值电阻，A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4分别是光敏二极管(可以用型号2AC38)，f1～f8是反相器，Y1至Y8是二输入与门，反相器用CD4069；与门用CD4081四二输入与门；T1、T3、T5、T7、T9、T11、T13、T15用C1815三极管，T2、T4、T6、T8、T10、T12、T14、T16用C2383三极管；Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8为直流继电器，型号为JZC-23F(4123)、DC12V；K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8是光偶，可采用型号为P621。
图5是平面镜反光单元中控制器的粗调环节的电原理5中，A1、A2、A3、A4安装在锁光瞄准器内，作为粗调环节的光敏二极管，A1与R1，A2与R2，A3与R3，A4与R4分别相连，电阻一端接到电源的正极上，光敏二极管的另一端接到电源的负极上，A1的正极性端与反相器f1和与门Y2相连，f1的输出端和与门Y1的输入端相连，A2的正极性端与反相器f2和与门Y1相连，f2的输出端和与门Y2的输入端相连，与门Y1的输出端与三极管T1基极相连。T1的集电极与R5相接，R5接到电源的正极，T1的发射极接T2的基极，T2的集电极接电源的正极，T2的发射极接直流继电器Z1的一端，直流继电器Z1的另一端接电源的负极，Z1的两端并联一个光偶和电阻，光偶开关侧的一端接到电阻R6的一端，R6的另一端接电源的正极，光偶开关侧的另一端接T1的发射极。在此，光偶K1的作用是在T2导通时，Z1两端有电位差，当Z1达到动作时，电位差相关于电源端的电压，K1内部的发光二极管亮，使对侧光敏管通，把R6并联上R5，使T1的导通电流增大，从而使T2的饱和程度加强，防止Z1因处于临界动作电压值时的振荡现象。
光敏二极管A1的正极性端与按钮AN一端相连，AN的另一端与电源负极相连，AN的作用是用作X轴方向上的每天早上复归平面镜向东。AN可以用一个时间控制器的常开触点代替。光敏二极管A2的连接与A1的连接除少一个按钮AN外，其它的连接与A1的原理完全相同，元件的参数也要求基本相同。同理，光敏二极管A3、A4的连接与A1的连接原理除少一个按钮AN外，其它部分的连接与A1的原理完全相同。
A1和A2作为粗调整环节上X轴方向的感光元件，A3和A4作为粗调整环节上Y轴方向的感光元件。
图6是平面镜反光单元中控制器的细调环节的电原理6中，光敏二极管B1、B2、B3、B4安装在锁光瞄准器内，作为细调环节的光敏二极管，B1与R17，B2与R18，B3与R19、B4与R20分别相连，接到电源的正极上，B1的正极性端与反相器f5和与门Y6相连，f5的输出端和与门Y5的输入端相连，与门Y5的输出端与三极管T9基极相连。T9的集电极与R21相接，R21接到电源的正极，T9的发射极接T10的基极，T10的集电极接电源的正极，T10的发射极接直流继电器Z5的一端，直流继电器Z5的另一端接电源的负极，Z5的两端并联一个光偶和电阻支路，光偶开关侧的一端接到电阻R22的一端，R22的另一端接电源的正极，光偶开关侧的另一端接T9的发射极。在此，光偶K5的作用是在T10导通时，Z5两端有电位差，当Z5达到动作时，电位差相当于电源端的电压，K5内部的发光二极管亮，使对侧光敏管通，把R22并联R21，使T10的导通电流增大，从而使T10的饱和程度加强，防止Z5因处于临界动作电压值时的振荡现象。B2、B3、B4的连接原理完全与B1的连接原理相同。
B1和B2作为细调整环节上X轴方向的感光元件，B3和B4作为细调整环节上Y轴方向的感光元件。
A1、A2成对，作为粗调环节的东西方向上的反射光线的感光元件，相对应于控制东西方向上的调整机构的直流小电机M1的正、反转，从而使平面镜的X轴方向上的螺杆上下位移。位移的调整原则是当反射光照到A1，A2不感受光照时，A1导通，A2不导通，从而使反相器Y1输出高电位，反相器Y2输出低电位，T1、T2导通，T3、T4截止，Z1动作，Z2不动作，合上Z1-1常开触点，电机转动，这时，电机的转动必须使调整螺杆位移，且使平面镜与A1同侧的镜面下移，这样才能使反射光线趋向于照射A2光敏管。当A1和A2都受光照时，反相器Y1和Y2的输出均为低电平，T1、T2、T3、T4均不导通，Z1和Z2不动作，使调整收敛。反之当反射光照到A2，A1不感受光照时，Z2动作，Z1不动作，不电机M1反转。当同理，光敏二极管A3和A3成对，作为粗调环节南北方向上(即Y轴)控制的感光元件，工作原理与A1、A2成对调整的工作原理完全相同。A1、A2、A3、A4作为粗调，它能对与初始镜面成β角(附图8所示)以上范围的入射光进行了有效的调整，使镜面转动，使反射光拉入正对锁光瞄准器的方向。接着，B1、B2、B3、B4光敏管起作用，进一步对平面镜的角度进行细调，B1，B2，B3，B4光敏管及其所连的元件，起到对平面镜进行精细调整，使镜的反射线方向精度更精确，锁定反射光。
图7是平面镜反光单元中控制器的直流电动机控制原理7中，Z1-1表示继电器Z1的常开触点，Z1-2表示常闭触点，Z2-1、Z3-1、Z4-1、Z5-1、Z6-1、Z7-1、Z8-1分别表示继电器Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8的常开触点，Z2-2、Z3-2、Z4-2、Z5-2、Z6-2、Z7-2、Z8-2分别表示常闭触点。J1表示下限位开关常闭触点，J2表示上限位开关的常闭触点。电源的正极接到上限位开关J2、Z2--2的一端，J2的另一端接到继电器Z1-2、Z5-2、Z6-2，Z1-2、Z5-2经过各自的常闭触点后与电机M1的一极相连接，Z2-2、Z6-2经过常闭点与M1的另一极相连接。电源的负极和继电器Z2-1、J1相接，Z2-1经过常开触点后和电机M1的一端相接，限位开关J1的另一端和Z1-1、Z5-1、Z6-1相接。电源的正极接到Z3-2、Z4-2、Z7-2、Z8-2的一端，通过各自的常闭点后，Z3-2、Z7-2接到M2的一端，Z4-2，Z8-2接到电机的另一端。电源的负极分别接Z3-1、Z4-1、Z7-1、Z8-1的一端。
直流电机M1的控制电原理(东西方向)是当太阳光相对于平面镜的入射角大于或等于β角时，进入可调整范围，X轴方向上的粗调环节的光敏二极管A1受光，使图5中的Z1动作合上Z1-1，图3中的螺纹柱(9)向上位移，反射光线趋向于照射A2，当A2、A1均同时受光时，Z1不动作，但这时，已拉入细调的可调范围，B1受光照，Z5动作合上Z5-1，M1对平面镜进一步调整。当跟随到下午极限位置时，J1动作，常闭点变为断开，停止跟随。当Z2、Z6动作时，往相反方向调整。图5中的AN可用定时器的常开触点代替，作为每天上午复归用。
M2控制的电原理与M1的基本相同。
图8是平面镜反光单元中控制器的锁光瞄准器的构造中(1)是方形遮光筒，可以用方铝管等材料制作，“十字”形角铝(3)把方管分成四个间隔。方管的上端(底端)封闭，下端(前端)透光，可加透光滤色玻璃，减弱光线强度。光敏二极管A1、A2、A3、A4安装在方管口的下端，A1和A2配对，A3和A4配对，安装在互相成直角的“十”字形的两块档光板上，B1、B2、B3、B4安装在方管的底端B1和B2配对，B3和B4配对，安装在互相成直角的“十”字形的另两块档光板上。光敏二极管黑色部分涂黑，只留受光的敏感点。光敏二极管A1和A2，A3和A4尽量相近，并接近角铝块。B1和B2，B3和B4尽量相近，A1和B1、A2和B2、A3和B3、A4和B4位于“十字”形档板的同一侧。设粗调角为α，则B1、B2、B3、B4安装在α角以内。
设平面镜的边长(直径)为2R，粗调环节的光敏二极管A1、A2、A3、A4离平面镜的距离为H，方形遮光筒的内边长为2a光敏二极管A1、A2、A3、A4离方形遮光筒口的深度为h，tgβ＝h/a，则光敏二极管A1、A2、A3、A4离平面镜的距离H必须满足H＜R*tgβ。
权利要求
1一种多镜反射聚光太阳能集热装置，其特征是有多个平面镜反光单元，每个平面镜反光单元能以镜的中心(重心)位置为转动点，沿东西和南北两个方向上下转动，转动的位置由一个自动控制器控制，始终使投射到每个平面镜的太阳光的反射光线固定射向锁定瞄准器对准的方向，每个锁光瞄准器对准吸光集热单元的吸热管组件的中心位置，从而，使多个平面镜反光单元同时把太阳光反射到中心位置的吸光集热单元的吸热管组件上；多个平面镜反光单元组成大规模的阵列，把大面积的太阳光反射到吸光集热单元的吸热管组上，形成大规模地利用太阳能的效果。
2权利要求(1)所述的装置必须的一种平面镜反光单元，其特征是使用平面反光镜，平面镜的中心位置的正上方，有一个锁定瞄准器，瞄准吸光集热管组件的中心点，锁定瞄准器通过电缆与控制器相连，平面镜通过双面粘胶与平面镜的基架相连，平面镜的基架有三个支持点，一个位于镜的中心点下面的主支持点和两个辅助支持点，主支持点通过一个球形万向节与主支持柱子相连，主支持柱子固定在基座上，两个辅助支持点分别和辅助球形万向节相连，辅助球形万向节的球头通过螺杆与调节器相连，调节器通过连杆铰接在基座上，X轴方向上的调节器的连杆只能沿X轴方向摆动，Y轴方向上的调节器的连杆只能沿Y轴方向摆动，调节器通过电缆与自动控制器相连。
3权利要求(1)所述的装置必须的一种自动控制器，其特征是由调节反射光线方向的粗调环节和细调环节组成，粗调环节由安装在反射光锁定瞄准器前端的四个光敏二极管作为感光元件，组成两对，安装在“十”字形的档光板的相陵的两块板上，“十”字形的档光板与地球的东西、南北方向对应，每个光敏二极管与一个电阻组成具有“开关”电路特点的电压取样环节，把四个方向上的反射光明暗变为电压的高低的信号，输入由四个反相器和四个与门组成的逻辑比较电路，通过逻辑比较，“X轴方向”的调节器得到三种状态的信号正转、反转、停止，从而调节“X轴方向”的调节器动作，调节平面镜绕“Y轴”转动；同理细调环节由安装在反射光锁定瞄准器后端的四个光敏二极管作为感光元件，组成两对，安装在“十”字形的档光板的相陵的另外两块档光板上，每个光敏二极管与一个电阻组成具有“开关”电路特点的电压取样环节，把四个方向上的反射光明暗变为电压的高低的信号，输入由四个反相器和四个与门组成的逻辑比较电路，通过逻辑比较，“Y轴方向”的调节器得到三种状态的信号正转、反转、停止，从而调节“Y轴方向”的调节器动作，调节平面镜绕“X轴”转动；通过“X轴和Y轴”两个方向上的自动控制，先由粗调环节把与镜面的角度大于β角的入射光的反射线调节射向“十”字形档板对准的方向，接着细调环节进一步调节，使反射光线精确地对准“十”字瞄准的方向。
4权利要求(1)所述的装置必须的一种反射光锁定瞄准器，其特征是在一个遮光的方管形外壳内，有一个“十”字形的光线档板，在反射光锁定瞄准器的前端，“十”字形的光线档板的相陵档板上，有两对光敏二极管，在反射光锁定瞄准器的后端的“十”字形的另外两块光线档板上，又有两对光敏二极管。在反射光锁定瞄准器前端的“十”字形光线档板的两对光敏二极管，作为粗调环节的光敏二极管，由电缆线连接到自动控制器的粗调环节的逻辑比较电路，在反射光锁定瞄准器后端“十”字形的另外两块光线档板上的两对光敏二极管，作为细调环节，由电缆线连接到自动控制器的细调环节的逻辑比较电路。
全文摘要
本发明提供一种多镜反射聚光太阳能集热装置，属于太阳能集热技术领域。是利用平面镜作为反光镜，组成平面镜反光单元，自动控制器控制反光镜的反射光线固定射向位于中心位置的高塔上的吸光集热管组件上，加热管内的工质。这样，多个平面镜反光单元组成的阵列，把各自位置所接收的太阳光都反射到一个位置的吸热管组件上，组成了一个强大的太阳能的集中利用系统。其核心技术是提供一个由反射光锁定瞄准器(16)、自动控制器(17)、调节机构(6)、平面镜(1)及基架组(4)成的平面镜反光单元，巧妙的控制电路包括粗调和细调环节，精确锁定反射光的方向，并防止过云干扰。因采用了平面镜和固定的吸光集热单元，大大地降低了单位采光面积的建造成本，为低成本大规模利用太阳能提供了一个可靠、优化、领先的方案。
文档编号F24J2/38GK1789858SQ200410104079
公开日2006年6月21日 申请日期2004年12月15日 优先权日2004年12月15日
发明者周继人 申请人:周继人