专利名称：仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种太阳能聚光技术，具体地说是一种仿星际单轴定点聚焦 太阳能聚光器。2、 背景技术随着能源短缺和环境污染的日益严重，可再生能源的利用受到人们越来越广 泛的关注。在所有的可再生能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭和零污染的 特性而受到人们的特别关注。但是，在现有技术的太阳能应用领域内存在着一个 无法逾越的障碍，那就是到达地面上的太阳能密度太低，其峰值也不过每平方米 一千瓦左右。目前，利用真空热管技术的太阳能热水器，夏天产生的水温只能达 到七、八十度，冬季只有四、五十度。这个温区只能用于家庭淋浴。既无法提供 饮用水，更无法提供工业上广泛应用的二、三百度的热蒸汽。虽然利用聚光镜可 以有效地提高太阳能密度，从而产生高温蒸汽，但是由于太阳是运动的，就必须 对太阳进行跟踪。实现大面积太阳光向空间固定点的聚焦， 一直是太阳能高温利用的主要制约 瓶颈。主要原因有(一)是传统的跟踪方式及聚光反射镜导致结构复杂、造价昂 贵，反射镜的面积也受到限制进而限制了聚焦比的提高(二)是传统的跟踪和聚 焦方式要求聚焦耙点必须随太阳移动，这就成为高温利用太阳能的更大问题。现 在尽管在跟踪模式及定点聚焦方面有了较大的突破，但为实现跟踪所需要的控制 系统仍然是非常复杂的，而且因造价昂贵难以更广泛的利用，在经济上得不偿失， 所以聚光型太阳能利用技术在太阳能应用领域受到了很大的限制。3、 发明内容本实用新型的目的是克服上述缺点，提供一种结构简单、易于加工、使用方 便的仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器。本实用新型的仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器，其结构是由主传动机构、 聚焦驱动机构和多分镜联动机构组成，其中主传动机构由变速器、主驱动盘、定 日轴、从动轴、定日滑套、主驱动销轴、调节螺杆销轴、主传动主杆、定日轴调 节螺杆、定位连杆和定日轴中销组成，变速器的动力输出轴与主驱动盘的中心连 接，在主驱动盘的盘面上对称设置有垂直于主驱动盘平面的两根主传动主杆，在 主传动主杆上设置有主驱动销轴与其滑动连接，主驱动销轴与定日滑套的一端部转动连接，定日滑套的另一端部与调节螺杆销轴转动连接，调节螺杆销轴通过定 日轴调节螺杆与定位连杆的端部连接，定位连杆的另一端与主传动主杆的端部连 接，定日滑套设置在定日轴的两端，定日轴的中部穿在从动轴中间并通过定日轴 中销相链接，从动轴4的右端与基框主轴连接；聚焦驱动机构由基框主轴、长摇臂 主动轴、长摇臂、轴座、长摇臂支点轴、主传动杆和聚光镜基框、从镜法轴驱动 连杆轴、从镜法轴驱动连杆、短摇臂支点轴、短摇臂组成，基框主轴的两端通过 轴承座与机架的顶部转动逹接，基框主轴的中部斜穿在聚光镜基框的中间，并通 过固定件与聚光镜基框中间固定，基框主轴的左端位于聚光镜基框左端的下方， 基框主轴的右端位于聚光镜基框右端的上方，定日轴通过主传动杆与长摇臂主动 轴活动连接，长摇臂主动轴两端与设置在聚光镜基框两侧的长摇臂的上端连接， 长摇臂的中间通过长摇臂支点轴与设置在聚光镜基框两边上的轴座连接，长摇臂 的下端与从镜法轴驱动连杆轴的两端连接，从镜法轴驱动连杆轴与纵向排列在聚 光镜基框中的从镜法轴驱动连杆的左端连接，从镜法轴驱动连杆的右端通过从镜法轴驱动连杆轴串连在一起，从镜法轴驱动连杆轴的MM轴接在位于聚光镜基框右端两侧的短摇臂下端，短摇臂上端通过短摇臂支点轴和轴座与聚光镜基框连接固定；多分镜联动机构由分镜组件、万向连接件分镜托板、分镜垫、分镜片、定法 导杆、导杆支架、支撑球座、支撑球、球支撑杆、分镜支点轴组成，定法导杆的 下端通过万向连接件纵向排列在从镜法轴驱动连杆上，定法导杆的上端设置有导 杆支架，导杆支架的上部与分镜托板底部连接，分镜托板的底部中间设置有支撑 球座，支撑球座通过支撑球下端的球支撑杆横向排列在分镜支点轴上，分镜片通 过分镜垫固定在分镜托板的上表面。各组支撑球座、支撑球、球支撑杆的位置由如下聚焦定点公式确定:X;[=L*I+L* (_B*C0S(A)-L*I) /M Y工=L*I*(1-L/M) Zi =L*B*SIN(A)/MM=SQRT((-B*C0S(A)-L*I)*( -B*C0S(A)-L*I)+L*L*I*I+B*SIN(A)*B*SIN(A))其中Zj为支撑球中心的坐标值，1取-N到N的整数值. 本实用新型的聚光器和现有技术相比，所具有的显著优点是 该仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器，克服了现有技术的聚光器结构复杂、造价昂贵、无法对任意固定点进行定点聚焦及聚焦精度和聚集比不高等缺点。 本实用新型根据地球绕太阳运转的规律，利用自旋~#角跟踪的理论和方法，找到了统一和简化从镜布局及驱动机构的规律和具体方法，使聚光器的结构更加简单，控制更加方便，从根本上解决了传统的跟踪和反射镜所造成的局限，为实 现大面积太阳光的定点聚焦、高效利用太阳能提供了简单、廉价和实用的解决方 案。本实用新型是仿照地、日、靶三者运动关系，采用变基准跟踪的机械传动方 式，采用全机械仿星际跟踪变换的机械结构，利用主传动机构的仿地、日、耙三 者运动关系，确定主驱动盘、定日轴、从动轴的安装调试规范，使得聚光设备具 有自动定点聚焦跟踪。本实用新型的独到之处是采用统一和简化的分镜驱动方式，以及采用一套简 单的机械传动机构和多分镜光学驱动机构就能实现多分镜片同时随仰角变化而始 终保持合理的定点聚焦姿态。4、
图l是太阳能聚光器的总装结构示意图； 图2是太阳能聚光器的多分镜联动机构局部结构示意图；附图中的标记分别表示；变速器l、主驱动盘2、定日轴3、从动轴4、定日 滑套5、主驱动销轴6、调节螺杆销轴7、主传动主杆8、定日轴调节螺杆9、定位 连杆IO、定日轴中销ll、基框主轴12、长摇臂主动轴13、长摇臂14、轴座15、 长摇臂支点轴16、主传动杆17、聚光镜基框18、从镜法轴驱动连杆轴19、从镜 法轴驱动连杆20、短摇臂支点轴21、短摇臂22、分镜托板23、分镜垫24、分镜 片25、定法导杆26、导杆支架27、支撑球座28、支撑球29、球支撑杆30、万向 连接件31、分镜支点轴32、 V型调节底座33、固定机架34、角度调节螺杆35、 轴承座36、固定件37。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器作以下详细说明。本实用新型的仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器，其结构是由主传动机构、 聚焦驱动机构和多分镜联动机构组成。如图1所示，其中主传动机构由变速器l、主驱动盘2、定日轴3、从动轴4、定 曰滑套5、主驱动销轴6、调节螺杆销轴7、主传动主杆8、.定日轴调节螺杆9、定位 连杆10和定日轴中销11组成，变速器1的动力输出轴与主驱动盘2的中心连接，在 主驱动盘2的盘面上对称设置有垂直于主驱动盘2平面的两根主传动主杆8，在主传 动主杆8上设置有主驱动销轴6与其滑动连接，主驱动销轴8与定日滑套5的一端部 转动连接，定日滑套5的另一端部与调节螺杆销轴7转动连接，调节螺杆销轴7通过 定日轴调节螺杆9与定位连杆10的端部连接，定位连杆10的另一端与主传动主杆8的端部连接，定日滑套5设置在定日轴3的两端，定扫轴3的中部穿在从动轴4中间 并通过定日轴中销ll相链接，从动轴4的右端与基框主轴12连接；聚焦驱动机构由基框主轴12、长摇臂主动轴13、长摇臂14、轴座15、长摇臂 支点轴16、主传动杆17和聚光镜基框18、从镜法轴驱动连杆轴19、从镜法轴驱动 连杆20、短摇臂支点轴21、短摇臂22组成，基框主轴12的两端通过轴承座36与固 定机架34的顶部转动连接，基框主轴12的中部斜穿在聚光镜基框18的中间，并通 过固定件37与聚光镜基框18中间固定，基框主轴12的左端位于聚光镜基框18左端 的下方，基框主轴12的右端位于聚光镜基框18右端的上方，定日轴3通过主传动杆 17与长摇臂主动轴13活动连接，长摇臂主动轴13两端与设置在聚光镜基框18两侧 的长摇臂14的上端连接，长摇臂14的中间通过长摇臂支点轴16与设置在聚光镜构 基框18两边上的轴座15连接，长摇臂14的下端与从镜法轴驱动连杆轴19的两端连 接，从镜法轴驱动连杆轴19与纵向排列在聚光镜基框18中的从镜法轴驱动连杆20 的左端连接，从镜法轴驱动连杆20的右端通过从镜法轴驱动连杆轴19串连在一起， 从镜法轴驱动连杆轴19的两端轴接在位于聚光镜基框18右端两侧的短摇臂22下 端，短摇臂22上端通过短摇臂支点轴21和轴座15与聚光镜基框18连接固定；多分镜联动机构由分镜托板23、分镜垫24、分镜片25、定法导杆26、导杆支 架27、支撑球座28支撑球29、球支撑杆30、分镜支点轴32组成，定法导杆26的下 端通过万向连接件31纵向排列在从镜法轴驱动连杆20上，定法导杆26的上端设置 有导杆支架27连接，导杆支架27的上部与分镜托板23底部连接，分镜托板23的底 部中间设置有支撑球座28，支撑球座28通过支撑球29下部的球支撑杆30纵向排列 在分镜支点轴32上，分镜片25通过分镜垫24固定在分镜托板23的上表面。变速器1通过V型调节底座33固定在机架34上，V型调节底座33中间设 置有角度调节螺杆35。定日轴3、从动轴4两轴各自的回转中心线与定日轴中销11的中心线、主驱动盘 2的回转中心线相交于一个点上。仿星际跟踪变换方式及仿星际基本跟踪工作原理如下1)主传动机构工作原理如图l所示主传动机构由主驱动盘、定日轴、从动轴等主要部件组成。定日轴可在定日滑套内转动，由定日轴中销与从动轴铰接 在一起，两轴之间只能在与定日轴中销垂直的平面内有改变交角大小的相对转动， 且两轴各自的回转中心线、定日轴中销的中心线、主驱动盘的回转中心线四者始终相交于一点；主驱动盘与定日轴中心线保持固定的位置关系(只在作基准仰角 跟踪时才作相应改变)，并可带动定日轴绕主驱动盘回转中心线转动，两者回转中 心线之间的夹角大小可以通过转动定日轴调节螺杆进行微调；从动轴可绕其回转中心线转动且只随定日轴的转动作相^z转动。将主驱动盘安装得与地球自转轴垂直(即定地)，让从动轴指向耙点(即定耙)，将定日轴调整(称为基准仰角跟踪) 到与入射光线平行(即定日或称仿日)。让主驱动盘带动定日轴按地球的自转速度 自东向西转动(即做基准跟踪--这显然是仿入射光束相对地球自转轴的运动关 系)，同时由定日轴带动从动轴转动并进而带动固连在从动轴上的分镜系统转动。 这样，主驱动盘的回转中心线就是基准轴，它与定日轴的回转中心线所决定的平面就是基准子午面；由定日轴、从动轴二者的回转中心线所决定的平面就是子午 面，与定日轴中销中心线平行的平面就是基面。显然，由于上述各主要部件的结 构及相互关系，随主驱动盘的基准跟踪，定日轴就强制地带动从动轴与子午面的 转动同步，从而实现基本跟踪；同时将入射光线与自旋轴的夹角(即仰角)变化 关系准确地模拟出来(这就是仿入射光束与自旋轴之间的运动关系)，并通过主传 动杆传递给聚焦驱动机构。因光线入射地球的仰角变化很缓慢，只需每隔3—5天 微调定日轴调节螺杆一次，以使定日轴与入射光束平行，便可实现基准仰角跟踪。由以上描述的这种仿地、日、耙三者运动关系，变基准跟踪为基本跟踪的机 械传动方式是独一无二的，在此称为仿星际跟踪变换(简称跟踪变换)。以上描述 的这种仿地、日、靶三者运动关系，为实现仿星际跟踪变换而设计的机械结构， 也是独一无二的，在此称为仿星际基本跟踪主传动机构(简称主传动机构)。以上 描述的这种仿地、日、靶兰者运动关系而确定的主驱动盘、定日轴、从动轴的安 装调试规范，在此称为仿星际安装调试规范(简称仿星规范)。因定日轴通过主传动杆与长摇臂铰连在一起(主传动杆的长度要保证定日轴 与长摇臂平行)，故长摇臂的方位也随定日轴是始终与与入射光束平行的。长摇臂 与基框主轴的夹角的变化关系，实际上准确地模拟了入射光束与自旋轴的仰角变 化，因此，在聚光器基本跟踪的过程中，定日轴通过主传动杆驱动长摇臂，又由 长摇臂驱动聚焦机构进而驱动球一法机构运动，从而实现了分镜系统的聚焦跟踪。本实用新型的仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器的突出优点是1) 使得复杂的跟踪控制变成了简单的单轴控制，而且只是简单的随地球的匀 速转动，从而使控制跟踪系统更加简单、廉价和可靠。2) 能方便地实现向空问任意固定点的聚焦，从而能够大面积聚集太阳光、进 而大大地提高太阳光的聚焦比。3) 可以在室内炊事、工业蒸汽、高温工程、太阳燃气轮机发电站等领域取代 煤、石油、天然气、乙炔、核能，以及在超高温焊接、切割、熔炼、爆破矿岩等 方面也可有广泛的用途，在电磁波、声波等需要跟踪、聚焦的军事领域也有极为 广阔的应用前景。
权利要求1、仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器，其特征是由主传动机构、聚焦驱动机构和多分镜联动机构组成，主传动机构通过基框主轴(12)和主传动杆(17)与聚焦驱动机构和多分镜联动机构连接，其中主传动机构由变速器(10、主驱动盘(2)、定日轴(3)、从动轴(4)、定日滑套(5)、主驱动销轴(6)、调节螺杆销轴(7)、主传动主杆(8)、定日轴调节螺杆(9)、定位连杆(10)和定日轴中销(11)组成，变速器(1)的动力输出轴与主驱动盘(2)的中心连接，在主驱动盘(2)的盘面上对称设置有垂直于主驱动盘(2)平面的两根主传动主杆(8)，在主传动主杆(8)上设置有主驱动销轴(6)与其滑动连接，主驱动销轴(8)与定日滑套(5)的一端部转动连接，定日滑套(5)的另一端部与调节螺杆销轴(7)转动连接，调节螺杆销轴(7)通过定日轴调节螺杆(9)与定位连杆(10)的端部连接，定位连杆(10)的另一端与主传动主杆(8)的端部连接，定日滑套(5)设置在定日轴(3)的两端，定日轴(3)的中部穿在从动轴(4)中间并通过定日轴中销(11)相链接，从动轴(4)的右端与基框主轴(12)连接；聚焦驱动机构由基框主轴(12)、长摇臂主动轴(13)、长摇臂(14)、轴座(15)、长摇臂支点轴(16)、主传动杆(17)和聚光镜基框(18)、从镜法轴驱动连杆轴(19)、从镜法轴驱动连杆(20)、短摇臂支点轴(21)、短摇臂(22)组成，基框主轴(12)的两端通过轴承座(36)与固定机架(34)的顶部转动连接，基框主轴(12)的中部斜穿在聚光镜基框(18)的中间，并通过固定件(37)与聚光镜基框(18)中间固定，基框主轴(12)的左端位于聚光镜基框(18)左端的下方，基框主轴(12)的右端位于聚光镜基框(18)右端的上方，定日轴(3)通过主传动杆(17)与长摇臂主动轴(13)活动连接，长摇臂主动轴(13)两端与设置在聚光镜基框(18)两侧的长摇臂(14)的上端连接，长摇臂(14)的中间通过长摇臂支点轴(16)与设置在聚光镜构基框(18)两边上的轴座(15)连接，长摇臂(14)的下端与从镜法轴驱动连杆轴(19)的两端连接，从镜法轴驱动连杆轴(19)与纵向排列在聚光镜基框(18)中的从镜法轴驱动连杆(20)的左端连接，从镜法轴驱动连杆(20)的右端通过从镜法轴驱动连杆轴(19)串连在一起，从镜法轴驱动连杆轴(19)的两端轴接在位于聚光镜基框(18)右端两侧的短摇臂(22)下端，短摇臂(22)上端通过短摇臂支点轴(21)和轴座(15)与聚光镜基框(18)连接固定；多分镜联动机构由分镜托板(23)、分镜垫(24)、分镜片(25)、定法导杆(26)、导杆支架(27)、支撑球座(28)、支撑球(29)、球支撑杆(30)、万向连接件(31)、分镜支点轴(32)组成，定法导杆(26)的下端通过万向连接件(31)纵向排列在从镜法轴驱动连杆(20)上，定法导杆(26)的上端设置有导杆支架(27)，导杆支架(27)的上部与分镜托板(23)底部连接，分镜托板(23)的底部中间设置有支撑球座(28)，支撑球座(28)通过支撑球(29)下端的球支撑杆(30)纵向排列在分镜支点轴(32)上，分镜片(25)通过分镜垫(24)固定在分镜托板23的上表面。
2、 根据权利要求1所述的仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器，其特征在于 变速器(1)通过V型调节底座(33)固定在机架(34)上，V型调节底座(33) 中间设置有角度调节螺杆(35)。
3、 根据权利要求l所述的仿星际单转轴定点聚焦式太阳能聚光器，其特征在 于定日轴(3)、从动轴(4)两轴各自的回转中心线与定日轴中销(11)的中心线、 主驱动盘(2)的回转中心线相交于一个点上。
专利摘要本实用新型提供一种仿星际单轴定点聚焦太阳能聚光器，其结构是由主传动机构、聚焦驱动机构和多分镜联动机构组成，主传动机构分别通过基框主轴和主传动轴与聚焦驱动机构和多分镜联动机构连接配合，用以实现多分镜光学系统的基本跟踪，同时将入射光线与自旋轴的夹角变化同步模拟出来，用以驱动分镜球支撑—法轴驱动机构；分镜球支撑—法轴驱动机构由分镜球支撑组件及法轴驱动组件组成，用于支撑相应的分镜，在从镜法轴驱动连杆的驱动下，驱动分镜将入射光束向自旋轴上的即定点反射，实现向空间任意固定点的聚焦，接受聚光的物体与聚光器是相互分离的，能够大面积聚集太阳光、进而大大地提高太阳光的聚焦比，因而，具有很好的推广使用价值。
文档编号H02N6/00GK201107457SQ20072002661
公开日2008年8月27日 申请日期2007年8月15日 优先权日2007年8月15日
发明者安会云, 鑫 金, 金友光 申请人:金友光