专利名称：分立式全天跟踪太阳灶的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能收集及热能应用的装置。用于太阳炊灶及其他太阳热能应用方面。
背景技术：
本文主要发明者从2001年至2005年连续在国外学术刊物上发表了六篇文章，提出了作者发明的新异数码光学原理，阐述了由此所衍生出的无光象跟踪聚光理论，并且报告了该理论在高温炉、中央系统太阳能聚光以及食品工业方面的应用。我们研究成功的分立式全天跟踪太阳灶，作为新异数码光学和跟踪聚光理论的一个重要应用，并没有公开发表。非分立式太阳灶具有简单廉价的优点，但其不可克服的缺点如灶具必需隨太阳而运动，功率小，极易受破坏等等大大限制了太阳灶的应用与推广。分立式太阳灶有潜力制造成大型装置，但它的设计受到了太阳光斑的像差变化以及复杂的跟踪模式的限制而在市场上几乎很少有商业产品。本发明是在基础理论突破后的一个应用，它解决了分立式太阳灶的像差变化以及跟踪的两大难题，从而可望在市场上提供一个可靠而廉价的新的太阳灶产品。此系统的方向优化设计是创新的，可以大大简化设备，提高太阳能利用率。本发明的制作原理是创新而独一的，这是本专利申请的理由。
本发明的原理的说明1)发明装置的示意一是分立式全天跟踪太阳灶的示意图，装置由太阳能接收镜面及二次反射镜两部分组成。接收镜面采用特殊曲面以保证聚光效果。中间距离为接收反射曲面的焦距。曲面的自旋轴朝向目标即二次反射镜面。聚光后的太阳能射向目标，二次反射镜将光束反射至垂直或接近垂直方向。灶具则可以用与其他加热方法一样的方式放置。
1)跟踪的原理分立式太阳灶不仅需具备聚光能力，而且能够精确地跟踪。传统的跟踪方式利用了仰角-方位角公式，这个跟踪方法与本发明所使用的曲面不协调，使本发明的曲面聚光板的优越性无法发挥出来。为了解决这个困难，发明者推导出一种新的朝向目标的太阳跟踪公式(仰角-自旋角跟踪公式)，仰角是θ=π4-12ArcSin-CosδCosω(SinλCosΦ+CosλCosφSinΦ)-CosδSinωCosλSinφ+Sinδ(CosλCosφCosΦ-SinΦSinλ)]]>自旋角是ρ=ArcSin{-CosδCosωSinφSinΦ+CosδSinωCosφ+SinδSinφCosΦCosβ}]]>δ - 恒星方位偏角Φ - 纬度φ - 面向角λ - 目标角ω - 恒星时以上公式中的参数由图二定义。
以上公式是应用于-般情况的，在太阳灶的应用上，我们可以进行一些重要的简化，1)φ＝π，就是说，接收器镜面朝南设置，并且，2)Φ-λ＝0，就是说自旋方向指向当地北极，代入以上公式并进行运祘，可以得到ρ＝-ω(1)θ=π4+δ2---(2)]]>公式(1)明確地表示了，在北极设置的方向上，太阳灶接收器的自旋速度是二十四小时/日的时钟速率，而公式(2)则表明仰角调整只同恒星方位偏角有关，在每日的运转中可以认为是常数。这就给本发明的太阳灶的太阳跟踪提供了大大的方便。单轴的时钟速率的运动是本发明的可靠性及廉价性的一个原因。
2)聚光原理乞今所使用的聚光反射镜面大多是二次曲面，他们在不同光轴的情况下，当入射角变化时，会呈现很大的像差，也就是说其太阳光斑会比较大从而影响太阳热能的利用。本发明的聚光使用了发明者提出的新的曲面，它的曲面方程不再是二次，而是包含了偶次项及奇次项的多次方程。在本专利申请中，我们使用了这个理论中的两个特例的曲面曲面1Z＝6.17×10-5X2-9.22×10-9X3+8.42×10-13X4+1.02×10-16X5-7.13×10-20X6+1.12×10-4Y2-4.27×10-12Y4+3.72×10-19Y6(3)此曲面用于每年的九月八日至四月四日。
曲面2Z＝4.96×10-5X2-8.85×10-9X3+1.41×10-12X4-1.46×10-16X5-1.36×10-20X6+1.40×10-4Y2-8.25×10-12Y4+1.12×10-18Y6(4)此曲面用于每年的四月五日至九月七日。新的曲面能够给出相当集中并且时间上的均匀光斑，是本发明的可靠性及廉价性的另一个原因3)二次反射镜原理如图-所示，二次反射镜的角度是同当地緯度有关的，与水平面的夹角符合公式λ=π4-Φ2---(5)]]>以保证反射光束垂直反射而方便灶具的安装。反射镜是用高反射率的玻璃镜面组成以达到少损失及耐用的目的。隨之带耒的玻璃镜面易炸裂的问题是由使用多片小镜片的方法克服的。本发明己从理论及实验中取得镜片大小的数据。当使用镜片为一毫米厚的情况下，镜片的面积可在4平方厘米到8平方厘米之间。理想的排列是反射镜中央使用更小型镜片(4平方厘米)，而其他部位使用较大型(8平方厘米)。用此原理设计的二次反射镜面基本上不会因为光束过分集中或操作中的溅水、杂物的原因而炸裂。
本发明的应用举例发明者己按照以上原理制造成样机，其样机的部分照片如图三所示。接收器面积为1平方米，与二次反射镜之问距离为3米。图三是在有阳光的时间内所摄，(当天的最高日照为780瓦/平方米)用其煮沸的开水蒸汽可以直观看出接收反射镜在跟综的同时聚集太阳光束的情形。
图四则给出了一天中不同时间的太阳光斑的太小比较的照片。
从图五的照片可以看出，二次反射镜在很集中的太阳光束下没有炸裂，并且在泼上冷水的情况下也没有炸裂，照片上的许多亮点是泼上的水珠。
附录申请人近期发表的有关文献(Y.T.Chen系陈应天)Y.T.Chen，et al Non-Imaging Focusing Heliostat.Journal of Solar Energy，Vol.71/3，155-164，2001.
Y.T.Chen，et al Report of the First Prototype of Non-Imaging FocusingHeliostat and Its Application in High Temperature Solar Furnace？Journal ofSolar Energy，Vol.72，No.6，531-544，2002.
Y.T.Chen，et al，Study of Residual Aberration of Non-Imaging FocusingHeliostat？Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells，Vol.79，1-20，2003.
Y.T.Chen，et al，High Precision(1 part in 104)Reflectivity Measurement forthe Study of Reflective Materials Used in Solar Collectors.Journal of SolarEnergy Materials and Solar Cells，Vol.80，305-314，2003.
Y.T.Chen，et al，Comparison of Two Sun Tracking Methods in theApplications of Heliostat Field？Journal of Solar Energy Engineering，Vol.126，1-7，2004.
Y.T.Chen，et al，Report on the Second Prototype of Non-Imaging FocusingHeliostat and Its Application in Food Processing.Journal of Solar Energy，inpress.
权利要求
1.一种收集太阳热能的的装置，其装置为分立式的接收器及二次反射镜两部分。太阳接收器是由定点跟综的聚焦反射镜面组成；位于反射镜焦点的二次反射镜则将光束反射成垂直或接近垂直的方向以便利于热能灶具的应用。
2.一种收集太阳热能的的装置，其装置为分立式的接收器及二次反射镜两部分。太阳接收器是由定点跟综的聚焦反射镜面组成，其镜面形状是由发明者所提出的曲面定义的；位于反射镜焦点的二次反射镜将光束反射成垂直或接近垂直的方向便利于热能灶具的应用，其反射镜面是由多个小镜面组成以防止由于集中太阳能的热应力、操作中的溅水及其他原因而炸裂镜面。
3.一种收集太阳热能的的装置，其装置为分立式的接收器及二次反射镜两部分。太阳接收器是由定点跟综的聚焦反射镜面组成；位于反射镜焦点的二次反射镜将光束反射成垂直方向以便利于热能灶具的应用。接收器的跟踪由于采用了发明者提出的自旋及仰角公式，在北极方向朝向的情况下，可以运用单轴跟踪。其中自旋是按照二十四小时的时钟速率的运动；仰角在每个工作日的时间内保持恒量。
全文摘要
本装置是在最新创造的定点跟踪聚光理论的基础上发明的全天用太阳灶。在跟踪方面，由于使用了申请人所发表的仰角－自旋角公式，在本发明所规定的方位中，全天的高低角是不需要调节的；全天的自旋是时钟速率。在反射聚光镜方面，本发明使用了根据申请人所发表的无光象镜面理论计算出来的特殊曲面以取得了最小象差的效果。在装置的方位方面，发明者指出，太阳灶的位置应当这样取向聚光反射镜的自旋方向垂直于当地的纬度，或者说自旋轴指向当地北极星方向。分立太阳灶接收器克服了传统太阳灶的许多不便的缺点；固定的灶具下方按装了使用高反射率的玻璃镜面的二次反射镜面以保持加热用具的垂直位置。为了防止玻璃镜面在高集中光强下可能发生的炸裂，本发明使用了板块镜面粘合的反射镜，板块的大小(厚度及尺寸)是发明者根据可能产生的最大应力计算而得出来的，以保证在最恶劣的气候条件及操作条件下不得破裂。
文档编号F24J2/02GK1779381SQ20051020003
公开日2006年5月31日 申请日期2005年1月17日 优先权日2005年1月17日
发明者陈应天 申请人:陈应天, 何祚庥