专利名称：一种实现单向跟踪太阳的简单方法和装置的制作方法
技术领域：
太阳能利用中经常需要对太阳进行跟踪，以提高太阳能的利用效率。本发明涉及一种单向跟踪太阳角度变化的简单方法和装置，属于太阳能利用技术领域。
背景技术：
目前，太阳能作为一种可再生能源正逐渐成为能源领域的主角，对太阳能的跟踪收集、采光利用技术也一直是研究的热点问题之一。
太阳跟踪的方法主要有全方位跟踪和单向跟踪两种，全方位跟踪是对太阳变化的经纬度角进行跟踪，单向跟踪是指对其中一个方向的变化进行跟踪。太阳在经度方向的变化是以天为周期的，每天变化约180°；而且在纬度上的变化是以年为周期的，一年变化±23.45°。两者的变化周期和幅度差别很大，因此，有时候只需要对太阳进行单向跟踪。
对太阳角度跟踪的专利也有很多，但主要是全方位跟踪或者适用于变化频率和幅度都很大的角度跟踪，跟踪测量要求高，跟踪操作复杂，操作需要较大的动力。本发明专利所公开的跟踪方法简单，适用对太阳角度进行单向跟踪，特别是对纬度角度变化的跟踪；跟踪装置简单，可以自动操作，也可以定期由手工完成。
发明内容
对聚集太阳光线的装置，需要跟踪太阳的角度变化。本发明专利涉及到一种单向跟踪太阳角度变化的简单方法。其特征是接受装置安装在圆弧型反射板的中心线附近；将接受装置按太阳角度变化方向相反的方向平行移动，或者将反射板按太阳角度变化方向相同的方向平行移动。按这种方式，即使太阳角度变化，在不增加接受装置的长度的情况下，接受装置能接受到的反射光通量仍基本不变。因此，聚光装置就可以跟踪太阳在一个方向上的角度变化。
如附图1所示，当太阳光线角度变化，并且以ω角照射到反射板1上时，反射板将其接受的光线反射到接受装置2上，在接受装置上产生的偏移为Δ＝L*TAN(ω)。其中L为反射点到接受装置的垂直距离。显然，偏移Δ与太阳角度与反射点到接受装置的距离成正比。如果反射板的横截面(本专利中指与所需要跟踪太阳角度变化方向相垂直的方向)与接受装置的尺寸基本相当，即使接受装置与反射装置的纵向长度相同，也只需要将接受装置向太阳角度变化相反的方向移动Δ距离或者将反射装置按太阳角度变化相同的方向移动Δ距离，反射光线就可以全部被接受装置所接受。即可以用平移接受装置或者反射装置的办法来跟踪太阳一个方向的角度变化。
当采用栅板结构时，可以将各栅板的横截面的中心线布置在同一个圆弧上，而接受装置安装在该圆弧的圆心附近，只要各栅板的横截面尺寸与接受装置的尺寸相差不太大，则无论栅板是否旋转，各反射板横截面上各点到接受装置的距离也基本相同。因此，也可以用平移接受装置或者反射装置的办法来跟踪太阳的一个方向的角度变化。相应的栅板横截面可以是平面的、圆形的或者其它聚光型曲线的。
图2所示反射板的纵截面采用圆形曲面。在垂直光线进入时，反射板在纵向可以有一定的聚光率。但当太阳有一定倾角ω时，反射板上任一点反射的光线将落在接受装置上的相应点上，该点对反射镜对称线的偏移为Δ＝(H-R+R cosθ)*tan(ω+2θ)-Rsinθ(1)
其中θ——取值范围为[-α，+α]；ω——太阳角度变化值。当用于跟踪纬度方向的变化时，其变化范围为[-90°，+90°]，当用于跟踪经度方向的变化时，其变化范围为[-23.45°，+23.45°]。
当θ＝0时，则(1)式变成Δ＝H*tanω(2)即为反射镜对称点所对称的接受点的偏移。
我们可以证明(1)在θ＝0时有最小值，而在
范围内是单调增加的，在[-α，0]范围内是单调下降的，即最大值发生在+α或者-α处。相应的极值为Δ1＝(H-R+R cosα)*tan(ω+2α)-Rsinα(3)Δ2＝(H-R+R cosα)*tan(ω-2α)+Rsinα(4)而此时的接受带宽为|Δ1-Δ2|＝|(H-R+R Cosα)*[tan(ω+2α)-tan(ω-2α)]-2Rsinα|(5)设Y＝(H-R+R Cosα)*[tan(ω+2α)-tan(ω-2α)]-2Rsinα(6)显然，Y|ω＝Y|-ω，即Y函数是ω的对称函数；并且在ω＝0处有最小值YMIN＝Y|ω＝0＝2(H-R+R Cosα)*tan(2α)-2Rsinα(7)而在|ω|最大时，有最大值YMAX。
如果要保证接受装置平移后，反射光线仍能全部被接受，则接受装置的长度L应为L＝MAX(|YMAX|，|YMIN|)(8)聚光的情况下，如果电池性能许可，应采用尽可能小的接受装置。对(8)式，就可以得到YMAX＝-YMIN(9)将(6)和(7)式代入，可得H=4R SinαTan(ω+2α)-Tan(ω-2α)+2Tan(2α)+R-Rsinα---(10)]]>显然，H在ω＝0时有极大值，极大值为HMAX=R Cos(2α)2Cosα---(11)]]>即H应该是一个小于反射镜曲率半径的一半(R/2)的一个值，其具体的计算公式为式(10)。将(10)式代入(7)式，可得接受装置的最小带宽为|YMIN|=Tan(ω+2α)-Tan(ω-2α)-2Tan(2α)Tan(ω+2α)-Tan(ω-2α)+2Tan(2α)*2R Sinα]]>=2R SinαSIN2ω2Cos2(2α)-Sin2ω---(12)]]>当采用此高度时，可以得到的单向聚光倍率为 当跟踪经度方向太阳角变化时，ω＝23.45°，单向聚光倍率为12.6COS2(2α)-1。因为α一般很小，实际可以得到的单向聚光倍率约在10倍左右。显然，当用于跟踪纬度方向太阳角变化时，由于ω接近90°，单向聚光倍率约为1，因此，就没有实际意义。
如上分析，为保证平行移动能跟踪太阳角度变化，在横截面内，将接受装置应布置在圆弧的圆心附近；而另一方面，为了保证纵向聚光的需要，在纵截面内，接受装置应布置在不到曲面半径的一半处。这就要求横截面和纵截面的曲率半径是不同的。因此，比较好的处理办法有两种1)采用双曲面整体反射板，并且纵截面的方向的曲率半径稍大于横截面曲率半径一倍以上。在纵截面上还可以由多个双曲面整体反射板再组合。
2)采用栅板结构，使各栅板的中心线布置在同一个圆弧上，该圆弧的半径稍小于反射板纵截面曲率半径的一半。采用此种结构，还可以使用球面反射镜，或者多个球面反射镜的组合。
图1是本发明基本原理纵截面方向示意2是本发明基本原理横截面方向示意3是纵截面方向聚光分析示意4是纵截面方向多个反射镜组合情况示意5、图6是一种可平行移动的接受装置实施例中，1.反射板，2.接受装置，3.栅板中心线所在圆弧线具体实施方式
附图5和6是本发明专利的一个实施例图。14个反射栅板分别由8个曲率半径为5M、尺寸为250×250MM的球面反射镜组成。在横截面上，各栅板的中心线布置在一个曲率半径约为2280MM的圆弧上，真空接受装置2的中心线布置这个圆弧圆心附近；各栅板由同一同步信号源驱动的步进电机驱动，围绕各自的中心线旋转以跟踪太阳经度方向的角度变化；经过优化设计，在横截面上可以得到约70倍的聚光倍率。在纵截面上，每个栅板上的8个反射镜形成一定的聚光，各栅板的对应位置的反射镜聚光到同一个接受装置上；8个接受装置安装在一个可以平行移动的滑轨3上；滑轨上标有定期需要移动的距离的刻度，滑轨中部和接受装置的两端的中间分别安装有若干个滑轮组，两根钢丝绳从卷动手柄13中引出，通过固定在滑轨中部的滑轮组，分别与接受装置两端的滑轮组14和15联接，卷动手柄13中安装有一个小型蜗轮蜗杆机构。当摇动手柄13时，钢丝绳牵引接受装置移动；卷动方向不同，移动方向也相反由于各接受装置的安装高度稍低于曲率半径的一半，因此在纵截面上又可以得到约10倍的聚光倍率，整个装置的聚光倍率可以达到700倍左右，并且可以方便地实现在经纬度两个方向的跟踪。
权利要求
1.本发明专利提供一种单向跟踪太阳角度变化的方法和装置，其特征是接受装置安装在圆弧型反射板的圆心线附近；将接受装置按太阳角度变化方向相反的方向平行移动，或者将反射板按太阳角度变化方向相同的方向平行移动，以跟踪太阳在一个方向上的角度变化。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是反射板的横截面是一个整体的圆弧。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是反射板是栅板结构，并且各反射板的横截面中心线布置在同一个圆弧上，接受装置布置在此圆弧的圆心附近。
4.如权利要求1和3所述的装置，其特征是反射栅板的横截面可以是平面的、圆弧曲面或者其它聚光曲面。
5.如权利要求1和3所述的装置，其特征是各反射栅板经驱动同步旋转，以跟踪太阳角度变化。
6.如权利要求1、3、4和5所述的装置，其特征是反射板的纵截面是一个圆弧曲面或者多个圆弧曲面的反射板组合而成，接受装置的高度不大于R/2*COS(2α)/COSα，即稍低于反射板圆弧曲率半径的一半。
7.如权利要求1和2所述的装置，其特征是反射板是一个双曲面反射镜或者由多个双曲面反射镜组合而成，其纵截面的曲率半径比横截面的曲率半径大一倍多，从而当接受装置安装在横截面的曲率圆心附近时，它的高度也不大于R/2*COS(2α)/COSα(此处R是纵截面的曲率半径)。
全文摘要
本发明介绍了一种单向跟踪太阳角度变化的简单方法。它采用一种圆弧型反射板或者一组横截面中心点布置在一个圆弧上的反射栅板，将接受装置布置在圆弧的圆心附近，则只需要按太阳角度变化方向相反的方向平行移动接受装置2，或者是以太阳角度变化方向相同的方向平行移动反射装置(或者反射板)1，则，即使不增加接受装置的长度，接受装置接受到反射光通量也基本不变，并且可以在所跟踪的太阳角度变化方向获得一定的聚光倍率。因此，本发明能够实现对太阳角度单个方向变化的跟踪，特别适用于纬度方向的单向跟踪，可以自动也可以手动。
文档编号F24J2/38GK1979057SQ20051013001
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月8日 优先权日2005年12月8日
发明者孙长贵 申请人:北京太阳河技术发展有限责任公司