专利名称：定日镜装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种定向投射太阳光的平面镜装置，即通常称为定日镜的装置，属于太阳能应用技术领域。
背景技术：
定日镜装置顾名思义，其作用是将太阳光准确定位在某个目标上，通常用来作为太阳能采光照明装置或热发电系统的聚光部件。
随着太阳能利用技术的不断发展，为了获得理想的采光效果，设计时希望定日镜装置具有足够的跟踪精度。然而，据申请人了解，现有定日镜装置的跟踪均具有近似性，无法满足科技进步对跟踪精度日益严格的使用要求。
在经过深入细致的研究后发现，现有定日镜装置的设计普遍存在先天性的系统误差。具体情况如下一般说来，定日镜应用时需要在设定的目标处放置太阳能接收器之类的装置，由于其跟踪精度对接收器性能或利用效果会产生直接的影响，因此为了满足定日的要求，理当要求平面镜中的一点在定日镜装置运转过程中始终固定不动，否则定日镜装置将存在固有缺陷，影响跟踪精度。
现有的定日镜装置普遍采用可以产生复合运动的两交叉轴机械传动机构驱动，两交叉轴中的横轴机构叠加在立轴机构上。由于结构受限(例如为了避开横轴)，平面镜的几何中心点只能设计成尽量靠近两交叉轴交点的位置，因此基本上都没有满足上述要求——平面镜中的一点在定日镜装置运转过程中始终固定不动。结果，在运转过程中，实质上只能忽略了由此引起的误差，或者说设计时只能让接收器来容忍该误差。
这种平面镜偏离理想位置引起的误差可以借用物理学中的系统误差概念来表述，或进一步定义为固有系统误差。例如，美国在南加州建成的太阳I号和II号塔式发电系统中采用的定日镜装置采用了典型的两交叉轴机械传动机构，其中横轴机构架设在立轴机构上，但是平面镜整体框架全部安装在横轴上，平面镜离横轴轴线的距离约150毫米——存在固有系统误差。
当定日镜装置面积较大时，横轴为了承受更大的载荷，直径相应加粗，结果装置本身的系统误差就会越大。
此外，现有定日镜装置的横轴和立轴两轴线本身也常常呈非空间正交状态，从而进一步加剧了定日镜装置的固有系统误差。
实践证明，这种固有系统误差的存在使得定日镜只能按近似规律跟踪太阳，无论如何匹配定位传感器的位置以及采取何种补救措施，都不能满足高精确度跟踪的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上现有技术存在的缺点，提出一种消除上述固有系统误差的的定日镜装置，从而显著提高跟踪精度，满足现代化太阳能利用设施的设计要求。
为了解决以上技术问题，本发明的定日镜装置包括安装在整体框架上的平面镜组，驱动整体框架绕立轴轴线转动的方位角调整机构，叠加在方位角调整机构之上、驱动整体框架绕横轴轴线转动的高度角调整机构，定位传感器，以及以定位传感器为输入、控制上述调整机构驱动电机转角的控制电路，其特征在于所述横轴和立轴的轴线位于同一平面且垂直相交，所述平面镜组的几何中心位于所述两轴线的交点，所述定位传感器的中心线与两轴线交点和投射目标中心点之间的连线重合。
采用本发明的以上技术方案后，不管装置各部位如何运动，平面镜的几何中心物理位置始终不动，正是由于整体装置具有了真正不动的物理空间中心点，并且在此中心点和目标点之间安装了定位传感器，因此消除了现有技术存在的固有系统误差，既实现了整个装置的机构设计不存在理论误差，从而得以保证入射到平面镜上的太阳光经反射后能始终准确投向目标点。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1-1、1-2、2为本发明实施例一的结构示意图。
图3、4为本发明实施例一大小范围传感器结构示意图。
图5为本发明实施例一系统误差原理图。
图6为本发明实施例一中平面镜剖面结构示意图。
图7、8、9为本发明实施例一中平面镜表面弧度微调机构示意图。
图10、11为本发明实施例二的结构示意图。
图12、13为本发明实施例三的结构示意图。
图14为图11、图13的A向视图。
具体实施例方式
实施例一本实施例定日镜装置结构示意如图1、2所示，包括9片平面镜及其整体框架1，驱动平面镜及其整体框架1绕横轴轴线AB转动的高度角调整机构，驱动平面镜及其整体框架1绕立轴轴线CD转动的方位角调整机构，以及定位传感器。横轴和立轴的两轴线AB、CD空间正交于点O，9片平面镜组合体的几何中心即为中间平面镜1’的中心，与空间正交点O重合。定位传感器的中心轴线与两交叉轴机构的轴线交点O和投射目标中心点之间的连线重合(其具体结构在后面叙述)。
方位角调整机构由固定于基础面的立轴2、带有两侧立架3、3’的底架4以及位于底架4四角的四个转轮组成，其中的一个转轮为电机驱动的主动轮(图中未示出)，由蜗轮蜗杆驱动，其他三个转轮为从动轮。蜗轮蜗杆在驱动电机带动下，带动底架4围绕立轴轴线CD转动作方位角的调整。
平面镜整体框架1的构件空挡内固定有两个同轴线的横轴轴套，两轴套通过轴承座5、5’分别支撑于方位角调整机构的两侧立架3、3’上端，9片平面镜组合体的横向几何中心线与横轴轴套轴线AB重合。
高度角调整机构由丝杠6、螺母7及它们的支撑座、轴套及其轴承座5、5’组成，丝杠6一端的支撑座与整体框架1连接，螺母7的支撑座与两立架3、3’间的连接件8连接，在驱动电机的带动下，丝杠6在螺母7内旋转，推动整体框架1绕轴套轴线AB转动，调整整体框架1的高度角。
定位传感器的结构如图3、图4所示，中心轴线O1O2与两交叉轴机构的轴线交点和投射目标中心点之间的连线重合。传感器由探测小角度偏差的小范围传感器14和探测大角度偏差的大范围传感器15组合而成。小范围传感器14主要由四象限光敏元件17和透镜16组成，四象限光敏元件17位于透镜16焦点四周。大范围传感器15由沿东、西、南、北四个方位布置的光敏元件阵列I、II、III、IV构成，每个阵列内的光敏元件布置如图4所示。当定日镜出现大角度偏差时，大范围传感器15的某一阵列或两相邻阵列内的光敏元件必然接收到光信号，从而驱动定日镜装置朝相应方向转动，进入小范围传感器14的探测范围，通过透镜16成太阳像斑于四象限光敏元件17上，根据四象限光敏元件17的输出信号继续驱动定日镜装置转动，使得定日镜装置准确地定位。(详细原理参见第一申请人此前申请并获授权的美国专利US6465766B1，不另赘述。)由于横轴和立轴的两轴线AB、CD空间正交于点O，全部平面镜组合体的中心——即为中间平面镜1’的中心与空间正交的两交叉轴轴线的交点O重合。这样，不管整体框架1围绕立轴轴线CD和横轴轴线AB如何转动，中间平面镜的中心位置始终固定不动，通过在这个中心位置和目标点之间安装的定位传感器14、15，就有了理论上准确的定位基准，从而彻底消除了由于中心位置不固定而引起的系统误差，使得定日镜装置的跟踪精度大大提高。
为了更清楚的展示平面镜组合体的中心与空间正交的两交叉轴轴线的交点O不重合而引起的系统误差问题，下面借助图5进一步说明。首先假设平面镜组合体的中心为O’，偏离空间正交的两交叉轴轴线的交点O一段距离d。假设平面镜开始处于4的位置，并用实线表示，平面镜组合体的中心O’位于位置①处，此时落在位置①处的太阳光线1经反射后沿1”方向射出；经过一段时间，太阳位置发生变化，假设高度角变化了α角，入射太阳光线变为位置2，并用虚线表示。由几何光学知识可知，平面镜的法线相应转动α/2角，平面镜的中心点O’从位置①处移到位置②处，平面镜本身由位置4移动至4’处，此时落在位置②处的平面镜中心O’的太阳光线2沿2”射出。
经过上述分析，不难发现，由于平面镜组合体的中心O’偏离空间正交的两交叉轴轴线的交点O一段距离d，使得平面镜中心点的反射光线投射目标不能保持在同一点上，发生了偏移，即从1”变化到2”，这意味着装置本身存在不可克服的系统误差，无论怎样提高其它零部件的精度均无法消除这一误差。
此外需要说明的是，定日镜将入射到其表面的太阳光反射到目标点处设置的接收器时，实质上是太阳光聚光于接收器处，为了使得每片平面镜反射的太阳光不产生过大的散焦，平面镜本身最好具有类似凹镜的一定的表面微小弧度，这样就能产生规则的太阳聚光。本发明实施例中的平面镜依靠具有特殊结构的玻璃及其表面曲率微调机构，达到了上述目的。
具体而言，9片平面镜具有同样的双层玻璃特殊结构，由背面镀银玻璃和普通玻璃构成，两层玻璃之间夹有PVB胶膜，如图6所示。采用这种结构有两大好处，一是保护了中间的镀银层，免受大气侵蚀；二是有利于采取如下所述的表面曲率微调机构微调平面镜的表面弧度，使之产生类似凹镜的聚光效果。
微调平面镜表面曲率的机构为螺母螺栓机构，如图7、8、9所示，图7为主视图，图8为后视图，图9为图8的A向视图。该机构由具有十字构件13的框形托架9、位于托架四角的8个顶推螺母螺栓(a、a’、b、b’、c、c’、d、d’)、托架周框的压紧螺母螺栓(A、B、C、D、E、F、G、H)、中心位置的调节螺母螺栓、玻璃块10等组成，每片平面镜通过四角的顶推螺母螺栓和周框的压紧螺母螺栓支撑于各自的框形托架9上，中心位置的调节螺栓11穿过十字构件13，其端部与玻璃块10固定连接，玻璃块10与平面镜的普通玻璃层固定连接，旋合于调节螺栓11上的两个螺母12、12’分别位于十字构件13两侧。通过顶推螺母螺栓和压紧螺母螺栓的组合调节以及中心位置的调节螺母螺栓的作用，便可以得到一定曲率的平面镜，产生类似凹镜的聚光光斑。
上述完整的定日镜装置由于平面镜组合体中心与两交叉轴机构的轴线交点重合，消除了系统本身误差；而且采用了特定的玻璃平面镜及其曲率微调机构，可以经济地实现平面镜聚光的光学要求；采用大、小范围传感器比较准确地联合完成大、小角度偏差的定日镜装置的定位功能。因此，总体方案科学、合理、实用、经济，操作性强，精度高。
实施例二本实施例的基本情况与实施例相同，主要区别在于(1)如图10、图11所示，整体框架1被限定在方位角调整机构的两立架3、3’之间，整体框架1两侧分别固定两个同轴的轴套，并分别通过轴承座5、5’支撑于两侧立架3、3’上端，并同样保持所有平面镜组合体的横向几何中心线与轴套轴线AB重合，所有平面镜组合体的中心即中间平面镜的中心，与空间正交的两交叉轴转动轴线的交点O重合。(2)该定日镜装置还包含一个依附于丝杠螺母高度角调整机构的防风机构，主要由一套电磁离合器机构18、轴套19和钢丝绳20组成(参见图11的A向放大图)。其中轴套19通过键与电机输出轴连接，电磁离合器机构18空套于电机输出轴上，钢丝绳20一端与整体框架1连接，此时的丝杠螺母机构安装于图10所示的整体框架1的侧面位置，而且丝杠一端与轴套之间通过插销21连接。当天气正常时，电磁离合器机构18与轴套19脱开，丝杠螺母机构正常起作用，满足整体框架1高度角调整的动力需要；当从天气预报得知大风恶劣天气可能出现时，丝杠一端与轴套19之间连接的插销21被拔除，电磁离合器机构18与轴套19吸合上，此时电机带动钢丝绳不断卷绕，直至平面镜及其整体框架1旋转至水平位置，平面镜反射面朝下。这样，既可以保证定日镜装置迎风面积最小，又可以使得镜面免受冰雹等异物袭击和灰尘覆盖。
可以推论，本实施例的装置完全可以达到实施例一带来的定位效果，消除系统误差。
实施例三本实施例的基本情况与实施例二相同，主要区别在于如图12、13所示，方位角调整机构不是底架形式，而是直接采用蜗轮蜗杆，蜗轮轴14连接于立轴；平面镜整体框架1的构件的中间空挡内固定有一个轴套，轴套通过轴承座15支撑于方位角调整机构的立轴14上端，所有平面镜组合体的横向几何中心线与轴套轴线重合。
高度角调整机构依然采用丝杆螺母机构，所有平面镜组合体的中心依然与两轴线交点重合。与实施例一、二相比，虽然所有平面镜组合体的中心不存在实际意义上的平面镜，但是可以在设计时让两侧平面镜之间的间距尽量缩小，这样依然可以合理设置定位传感器的位置，保证定日镜装置一定的跟踪精度。
除以上实施例外，本发明还有其他多种实施方式。凡是本领域技术人员在本发明基础上所做的等同替换或类似组合变换均属于本专利保护范围。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种定日镜装置，包括安装在整体框架上的平面镜组，驱动整体框架绕立轴轴线转动的方位角调整机构，叠加在方位角调整机构之上、驱动整体框架绕横轴轴线转动的高度角调整机构，定位传感器，以及以定位传感器为输入、控制上述调整机构驱动电机转动的控制电路，其特征在于所述横轴和立轴的轴线位于同一平面且垂直相交，所述平面镜组的几何中心位于所述两轴线的交点，所述定位传感器的中心线与两轴线交点和投射目标中心点之间的连线重合。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于所述平面镜具有双层玻璃结构，由背面镀银玻璃和普通玻璃构成，两层玻璃之间夹有PVB胶膜。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于所述平面镜包含微调自身曲率的螺母螺栓机构，该机构由具有十字构件的框形托架、位于托架四边的顶推螺母螺栓、托架周框的压紧螺母螺栓、中心位置的调节螺母螺栓、连接中心位置调节螺母螺栓的玻璃块等组成，每片平面镜通过四边的顶推螺母螺栓和周框的压紧螺母螺栓支撑于各自的小托架上，中心位置的调节螺栓穿过十字构件，其端部与玻璃块固定连接，玻璃块与平面镜的普通玻璃固定连接，两个螺母分别旋合于穿过十字构件的调节螺栓两个部位上。
4.根据权利要求1所述的定日镜装置，其特征在于所述平面镜整体框架的构件空挡内固定有两个同轴线的轴套，所述两轴套分别支撑于方位角调整机构的两侧立架上端，所有平面镜组合体的横向几何中心线与轴套轴线重合。
5.根据权利要求1所述的定日镜装置，其特征在于所述平面镜整体框架边缘两侧固定有两个同轴线的轴套，所述两轴套分别支撑于方位角机构的两侧立架两端，平面镜组合体的横向几何中心线与轴套轴线重合。
6.根据权利要求1所述的定日镜装置，其特征在于所述平面镜整体框架的构件的中间空挡内固定有一个轴套，所述轴套支撑于方位角调整机构的立轴上端，所有平面镜组合体的横向几何中心线与轴套轴线重合。
7.根据权利要求1所述的定日镜装置，其特征在于所述定位传感器由探测小角度偏差的小范围传感器和探测大角度偏差的大范围传感器组合组成，所述小范围传感器由一个四象限光敏元件和透镜组成，所述四象限光敏元件位于透镜焦点附近，所述大范围传感器由沿东西南北四个方位布置的光敏元件阵列构成。
8.根据权利要求1所述的定日镜装置，其特征在于所述驱动平面镜及其整体框架绕横轴轴线转动的高度角调整机构为丝杠螺母机构，由丝杠、螺母、丝杠支撑座、螺母支撑座以及电机组成，所述丝杠一端与电机连接，所述螺母支撑座与整体框架连接，丝杠支撑座与方位角调整机构的立架连接。
9.根据权利要求1所述的定日镜装置，其特征在于所述驱动平面镜及其整体框架绕横轴轴线转动的高度角调整机构为液压传动机构。
10.根据权利要求8所述的定日镜装置，其特征在于所述定日镜装置包含一个依附于所述丝杠螺母机构的防风机构，主要由一套电磁离合器机构、轴套和钢丝组成，所述轴套通过键与电机输出轴连接，钢丝绳一端与整体框架连接，所述丝杠螺母机构安装于整体框架的上部，且丝杠一端与轴套之间通过插销连接。
全文摘要
本发明涉及一种定日镜装置，属于太阳能应用技术领域。该装置包括平面镜组、方位角调整机构、高度角调整机构、定位传感器以及控制电路，其中横轴和立轴的轴线位于同一平面且垂直相交，平面镜组的几何中心位于两轴线的交点，定位传感器的中心线与两轴线交点和投射目标中心点之间的连线重合。采用本发明后，不管装置各部位如何运动，平面镜的几何中心物理位置始终不动，正是由于整体装置具有了真正不动的物理空间中心点，并且在此中心点和目标点之间安装了定位传感器，因此消除了现有技术存在的固有系统误差，既实现了整个装置的机构设计不存在理论误差，从而得以保证入射到平面镜上的太阳光经反射后能始终准确投向目标点。
文档编号F24J2/38GK1687669SQ20051003911
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月27日 优先权日2005年4月27日
发明者张耀明, 张文进, 张振远, 孙利国, 刘晓晖 申请人:张耀明, 张振远, 张文进