专利名称：太阳能应用领域阳光跟踪的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能应用领域中对阳光进行跟踪的一种方法和设备，该方法和设备有简便精确的特点，运用本方法和设备有利于普遍地应用太阳能资源。
背景技术：
太阳能是人类最重要的资源，是人类最终可以完全依赖的能源，太阳能应用领域分为光伏发电、光热发电和光热利用三种方式。光伏发电是利用太阳能电池板使阳光直接转化成电能，光热发电和光热利用都是使阳光直接转化成热能为人们所利用。在太阳能应用领域存在如何方便地使太阳光能量密度增加的问题，也就是如何用简便、低成本、低能耗的办法使太阳光聚光的问题。由于地球的自转和公转，解决聚光问题的难点在于，如何用简便实用低成本的方法来跟踪太阳，使阳光能够始终垂直于受热物体表面，或者使阳光始终与反射镜成一定角度，再通过反射镜聚光，所以跟踪阳光的方法是否简便与实用，决定太阳能应用能否简便实用，现阶段人们解决跟踪阳光的方法，采用光传感器，电子设备以及复杂的驱动与转动轴设施。存在成本高、不精确和阴天无法跟踪的缺点，所以限制了太阳能应用的利用，长期以来人们一直缺乏一种简便实用精确的跟踪方法和设备。如中国专利号ZL99221978.7采用的跟踪方式；如中国专利号96219031.4全自动跟踪太阳控制器，专利号98122130.0国际专利分类号G01J 1/20。如中国专利号00135854.5，申请日期2000.12.25，公开号1361397，又如中国专利号200410104079.9，都为光传感器、电子设备式跟踪聚光设备；而运用本方法将解决上述聚光设备中存在的问题。也就是说简便实用而精确跟踪太阳的方法是太阳能应用的关键，本新方法是利用天文，立体几何、物理与地理知识，从地球对太阳的固有运动规律跟踪太阳，检索表明未发现有同类的跟踪方法和设备的专利报导。
发明内容
本发明的目的旨在解决太阳能应用领域中，如何无须光传感器和电子设备，而简便、实用、精确地跟踪太阳光。
技术方案一种太阳能应用领域中跟踪阳光的方法，不同于太阳能应用领域中，跟踪阳光采用光传感器和电子设备的方法，本发明在于地表须跟踪阳光的任一点，从该点出发设定一根平行于地轴的直线，使平行于地轴的直线上任一点出发的跟踪阳光的直线，与平行于地轴的直线之间的角度变化，同阳光与地轴间的角度变化相同，即可跟踪阳光。
即地球表面上任一地点如须跟踪阳光，则从该点出发设定一根直线，该直线平行于地轴，则在该平行于地轴的直线上任一点有如下规律，任一时刻“其与阳光的夹角”都与“地轴和阳光的”夹角相同，在一个恒星日内地轴与阳光相交的轨迹为锥角略有变化的圆锥，在一个回归年中为锥角由66°34′至113°26′，然后再由113°26′到66°34′规律性变化的类圆锥形轨迹，原理从中国全日制普通高级中学地理上册(必修)，人民教育出版社地理社会室2003年3月第一单元“宇宙中的地球”第15页至22页，可知地球自转一周360°所需要的时间为23时56分4秒叫1恒星日，地球自转平面叫赤道平面，公转平面叫黄道平面。黄赤交角为23°26′，黄道平面与地轴的交角为66°34′。从冬至到第二年夏至，太阳直射点自南纬23°26′向北移到达北纬23°26′，从夏至到冬至太阳直射点自北纬23°26′自南移动到达南纬23°26′，太阳直射点在赤道南北的这种周期性往返运动，称为太阳直射点的回归运动，周期为365日与5时48分46秒叫1回归年，春分秋分时太阳直射点垂直于地球赤道。而地轴与阳光的夹角由于地球的自转和公转有如下规律在任一时刻地轴与阳光光线相交成一个平面，根据全日制普通高级中学教课书(必修)第二册(下B)人民教育出版社中学数学室2004年6月，第九章直线、平面、简单几何体，第6页公理的推论可知经过两条相交直线有且只有一个平面。地球自转和公转运动中在下一刻，地轴与阳光相交又成另一个平面，统计整个回归年中的所有平面，其中地轴与阳光相交的角度关系是锥角均匀变化的类圆锥形轨迹。由于阳光是平行光，我们设立的平行于地轴的直线，其任一时刻和地轴均平行，所以地轴平行线与阳光相交的角度关系，在一回归年中的角度变化与“地轴与阳光”角度变化规律相同。
所以，只要把须“跟踪阳光的物体垂线和平行于地轴的直线相交的角度”保持同“地轴与阳光相交的角度”一致，并按转一周一个恒星日，匀速转动平行于地轴的直线(或使跟踪阳光的直线围绕地轴平行直线，以一周一个恒星日匀速随阳光光线的方向转动)，即可精确跟踪阳光。
并且为研究方法方便，令地轴平行直线足够长，使地表该点1在一个恒星日内都有光线照射在以点1出发的地轴平行线上，方法如下(1)记录地表须跟踪阳光的地理意义上的正午时刻(即该点所在经度的地方时的正午时刻)，该时刻地表该点在阳光与地轴相交所确立的平面内，这一时刻特征是地表该点垂直水平面的线段阳光阴影最短，并且从地表该点设定一根直线，将要使该直线平行于地轴，称为准地轴平行线。(2)第二天查日历可计算出阳光与地轴的角度，使准地轴平行线上出发的跟踪阳光的直线与准地轴平行线的角度同阳光与地轴的角度相同。(3)当到达地表该点地理意义上的正午时刻时，使地表该点出发的准地轴平行直线和准地轴平行直线上跟踪阳光的直线，均处于阳光与地轴相交而确定的平面内。(4)以地表该点为轴，上下调节准地轴平行线与水平面的角度，使跟踪阳光的直线与阳光光线重合或平行，这时的准地轴平行线位置与地轴平行，称为地轴平行直线。(5)使跟踪阳光的直线围绕地轴平行线，以一周一个恒星日时间匀速随阳光转动，同时保持与地轴平行线的角度和阳光与地轴的角度变化相同，即可跟踪阳光，注意从步骤(3)到(5)应在一分钟内完成操作。
具体方法如下图1中点1为地表任一点，直线2为从点1出发的直线，将要使其平行于地轴称其为准地轴平行线，点9为准地轴平行直线2上的任一点，直线3为需跟踪阳光的物体表面垂线，直线5和直线7为二至时分的位置，其中，直线4从直线5至直线7，和直线3从直线10至直线12的角度为46°52’。直线6和直线11为和直线2垂直的直线，即二分时阳光与直线2的角度位置。
地表点1的地轴平行线2的确定地表任一点1在北半球时，使用中国日历为参考，则先在第一天确定点1的地理意义上，即点1所在经度的地方时的正午时刻，这一时刻的点1在阳光与地轴相交而确立的平面内，这时刻的特点是点1上垂直于水平面的线段的阳光阴影在全天中最短。(当然地表该点1在南北极圈内而正好处在极夜时期，则须等点1在极昼时期才能跟踪阳光，当点1在南北回归线内，有时可能阳光阴影和点1的垂线重合，则须错一天，再来确立点1垂线阳光阴影最短时刻)。记录点1这一时刻，第二天查日历得知当天在冬至后第几天(夏至同理)，设定该天为N表示。则使直线4与直线7的角度保持N×[46°52’÷(1/2回归年)]。直线3与直线12的角度保持N×[46°52’÷(1/2回归年)]。当到达点1垂线最短这一记录的时刻，使直线2与点1上水平垂直线段的阴影重合，这时使直线2和直线4在阳光与地轴相交而确立的平面中(为研究原理方便我们认为地轴足够长使阳光能照射到地轴上)。在阳光与地轴相交确立的平面内，令直线2以点1为轴，反复调节直线2与水平面的角度直到使直线4和射到点8的阳光光线重合。(由于阳是平行光所以同时和其它光线平行)。这时直线2的位置为点1的地轴平行线位置。以转动一周一个恒星日时间，从点9向点8看顺时针以匀速且一周一个恒星日时间驱动直线2，同时使直线3与直线12的夹角开始每天均匀变大46°52′÷(1/2回归年)角度。以上操作一分钟内完成。直至夏至位置10，然后直线3与直线12的角度每天变小46°52′÷(1/2回归年)直至位置12的位置，即冬至时分，然后直线3与直线12的角度又开始每天变大46°52′÷(1/2回归年)如此往复。注意从地表点1出发的直线2，即地轴平行线应和北极同方向，直线2所指方向和北极同一方向。
图1中当点1在南半球时，并且使用中国日历为参考，记录点1垂直水平面的线段阴影最短的时刻，第二天查日历得知当天在北半球意义的夏至后第几天(冬至同理)，设定该天为N表示，则使直线4与直线7的角度保持N×[46°52′÷(1/2回归年)]，直线3与直线12的角度保持N×[46°52′÷(1/2回归年)]。当至达点1垂线最短时刻，使直线2与点1垂直水平面的垂线的阴影重合，这时直线2和直线4在阳光与地轴相交而确立的平面中。在阳光与地轴相交确立的平面内，令直线2与点1为轴，反复调节直线2与水平面的角度，直到使直线4和射到点8的阳光光线重合。这时直线2的位置为点1的地轴平行线位置，以转动一周一个恒星日时间，从点9向点8看逆时针匀速以一周一个恒星日驱动直线2，由于地球自转，以上操作在一分钟内完成，同时使直线3与直线12的夹角开始每天均匀变大46°52′÷(1/2回归年)角度，直至北半球意义的冬至位置10，然后直线3与直线12的角度每天变小46°52′÷(1/2回归年)直至直线12的位置(即北半球夏至)，然后直线3与直线12的角度又开始每天变大46°52′÷(1/2回归年)如此往复。注意从地表点1出发的直线2应和南极同方向，即直线2的所指方向和南极同一方向。(且一周一个恒星日时间，指通常意义的一天24小时)校准地轴平行线的具体方法为，如进行科学领域的研究，当以中国日历参考，春分日的前一天我们先得到春分时刻春分点(太阳光直射赤道的经度)的经度值，进入春分日(我们以国际日期变更线来做日期的更迭线)，如地表该点1的经度正好在春分点的经度线上，则使直线4与直线2(准地轴平行线)垂直；如果点1在春分点经度线的东侧和国际日期变更线之间，当点1与春分点的经度每差1度时，直线4与直线6的角度为[46°52′÷(1/2回归年)]÷360°，差M度时(设M为相差度数)为M×[46°52′÷(1/2回归年)]÷360°，并且直线4在直线6的南侧(稍微偏向南极侧)，如果点1在春分点经度线的西侧和国际日期变更线之间，当点1的经度与春分点的经度每差1度时，直线4与直线6的角度为[46°52′÷(1/2回归年)]÷360°，差M度时(设M为相差度数)为M×[46°52′÷(1/2回归年)]÷360°，并且使直线4在直线6的北侧(稍微偏北极侧)。然后当点1到达其地理意义的正午时刻(垂线阴影最短)时，使直线2和直线4均在阳光与地轴相交而确立的平面内，以点1为轴反复调节直线2与水平面的角度，使直线4与点8相交的阳光重合，固定直线2这时直线2的位置为精确的地轴平行线位置。
且快速、简易寻找点1地轴平行线的方法具体步骤为
(1)、查地图可知须跟踪阳光的地表地点1所在的时区，将一只精确走时一周一个恒星日时间的表，调到地表该点1的地方时时间。(如地表该点在南半球，该表的走时方向为逆时针)(2)查日历计算出当天阳光与地轴的角度，使地表须跟踪阳光的准地轴平行线与其上的跟踪阳光的直线的角度，调节至地轴与阳光的角度相同。
(3)将表水平放置，指针的轴与地表须跟踪阳光的点1重合并转动表盘，使表的时针落在阳光与指针的轴相交而确立的平面内，这时指针的轴与表盘上第24小时的时间刻度之间，垂直于水平面的垂直平面，为阳光与地表须跟踪阳光的点1正午时刻相交而确立的平面。
(4)移走该表，从地表该点1出发，以该点1为轴，使准地轴平行线，在阳光与地表须跟踪阳光的点1的正午时刻，相交而确立的平面内。调节准地轴平行线与水平面的角度，使准地轴平行线上的跟踪阳光直线，与阳光重合或与其他阳光平行，这时的准地轴平行线为地表该点的地轴平行线。
(5)使地轴平行线以一周一个恒星日匀速地与阳光同方向转动，并使跟踪阳光的直线与地轴平行线的角度，同地轴与阳光的角度变化一致即可跟踪阳光。
以上均为对地轴平行线的确定、校正和精确确定，为同一构思。
由跟踪阳光的方法而产生的设备，在于带有水平装置的底座21，底座21上有一个杆24，垂直于底座21，24上有一个圆盘25和底座平行，相互垂直的杆26和杆31连成一体，同底座21相连，杆26和杆31相连接处有一个轴1，且轴1在杆26和杆31上，和轴1相连内壁为圆柱体空腔的杆13，和杆13上的轴8相连的杆4，杆4上有一个细管20，和杆13相连的圆弧18，在杆13中有一个杆2，杆2上有一个齿轮22，和杆2上的轴9相连的杆3，杆3上有一个细管29，杆2上有一个圆弧19，和杆3相连的杆28，杆28端部上有一个小轮17，杆13上有一个内壁为圆的一部分14，14内壁为连续的螺旋形螺蚊。
由跟踪阳光的方法产生的跟踪式光伏发电设备，其太阳能电池板33在杆3上。
由跟踪阳光的方法而产生的一种跟踪式太阳灶，即凹面镜聚光设备，其中凹面镜23通过杆34和杆2上的轴32相连，凹面镜23和圆弧19位于杆2的同一侧，和杆34相连的配重27位于杆2的另一侧。
由跟踪阳光的方法而产生的一种跟踪式定向反射阳光，再聚光设备，其中平面镜35和杆2上的轴9相连，杆28和平面镜35相连。
首先说明图2、图3、图4和图5中各零件结构的位置和相互关系，以及功能特性，21为带水平装置且四只腿分别可调高度的底座；其中24为杆且在21上，24垂直于底座，25平行于底座，在杆24上，杆26和31为截面半圆相互垂直的整体，并且通过两个圆杆和底座相连且垂直于底座，在杆26和杆31上有圆弧30用来指示刻度和固定以1为轴的杆13，杆13内部为圆柱体空腔的杆，轴1在杆26和杆31相交的交点上，杆13和轴1相连，能在26与31构成的垂直于底座的平面上，调节与底座的角度，杆13上有轴8和轴8相连的杆4，18是以杆4为半径，在杆13上的圆弧，圆弧上5和7为二至时分位置，6为二分时分位置，从点5到点7均匀刻有182+5/8的刻度代表1/2回归年中的某一天，8为杆13上可自由调节角度的轴，(等同于图1中的点8)杆4是以8为轴的杆，20为杆4上平行于杆4的管并且杆4从5位置到7位置走过的角度为46°52′，杆4到6位置时，正好垂直于杆13，以上结构除圆盘25以外，均在垂直于底座21的同一平面内，杆2为能在粗杆13中刚好能够自由转动的杆，建议杆13的内径和杆2的外径尺寸公差配合为0.03-0.08毫米，用同种材料制作以防气温变化而卡滞或松旷，并且充满润滑油利于转动，22为固定在杆2上的斜齿齿轮和杆2同轴一体，9为杆2上的轴，杆3在轴9上可自由调节角度(图3中点9为焦点)，而凹面镜以32为轴，可自由转动，轴32在杆2上，是杆2的一个斜杆，并且图3中3代表过凹面镜焦点的凹面镜中心线，凹面镜23通过杆34和轴32相连，配重27和凹面镜的杆34相连)，29为杆3上平行于杆3的观察管，用来观察阳光光线，圆弧19为以杆3为半径的圆弧，并且在杆2上，其上12和10代表二至时分，11代表二分时分，其中圆弧上的12至10位置上，均匀刻有182+5/8的刻度，代表1/2回归年中的某一天，且杆3从12到10位置走过的角度为46°52′，当杆3指在位置11上时，杆3正好垂直于杆2，杆28和杆3相连，杆28为带有弹簧略微能伸缩的杆使小轮17始终抵住14内壁螺纹，且杆28的伸缩幅度最大不能超过5毫米，且伸缩幅度越小跟踪精度越大，17为杆28端部的轮，14为杆13上以点9到轮17为半径以点9为圆心的内壁为圆的一部分，14当驱动齿轮22时轮17可以在内壁刻有182+5/8圈的螺纹轨道，轨道适合轮17滚动，轮17始终接触14内壁螺纹轨道上滚动，从位置15至位置16正好走完182+5/8圈14的螺纹，使杆28带动杆3从冬至走到夏至或从夏至走到冬至，并且内壁为圆14上的螺纹应制作成使轮17每滚过一圈(14螺纹的一圈)，杆3与杆2的角度均匀变化46°52′÷(1/2回归年)，但在图5中轮17每滚过一圈(14螺纹的一圈)，平面镜35的法线38与杆2的角度均匀变化23°26′÷(1/2回归年)，并且圆内螺纹分为四种，当地表点1在北半球时，为由位置15至位置16是顺时针由里向外的螺纹，或者为由位置16至位置15是顺时针由外向里的螺纹，地表点1在南半球时，为由位置15至位置16逆时针由里向外的螺纹。或者由位置16到位置15为逆时针由外向里的螺纹轮17从位置15至位置16图1至图4中直线3(杆3)与杆2的角度变化46°52′。
而在图5中轮17从位置15到位置16平面镜法线38与杆2的角度变化应为23°26′，(即图5中14内壁螺纹之间的间隙，比图2至图4中的螺纹间隙要小。)平面镜35(第一面反射镜)与杆2上的轴9相连，杆28与平面镜35相连，36为平面镜35的反射光线，平面镜37(第二面反射镜)通过轴41和另一个不在底座的杆相连。图5中38、39分别代表平面镜35的法线在二至时刻的不同位置，40代表杆28夏至时刻位置(点1在北半球时)或杆28在北半球意义冬至时刻位置(点1在南半球时)。
有益效果由于其运用地球与太阳之间的天体运动规律，所以无须光传感器和电子设备，并且只采用两个运动的组合，即平行于地轴的直线按转动一周一个恒星日来匀速转动，和“须跟踪阳光的直线与地轴平行线的角度”每天按46°52′÷(1/2回归年)来变化[图5中平面镜35的法线38与杆2的角度每天均匀变化23°26′÷(1/2回归年)]，所以本结构只采用一个轴的匀速转动来跟踪阳光，由于不是变速运动，所以可摆脱电子控制方式，又由于采用天体固有运动规律，无需光传感器，所以不同于采用光传感器和电子控制式跟踪阳光的方法和设备，(用光传感器和电子设备就必须消耗电能，而且成本高，降低了太阳能应用的意义)，并且，本方法和设备又不同于其它“不采用光传感器和电子设备跟踪阳光的方式”，具有精确而简便的特点，本方法解决了如何低成本、普便应用太阳能的问题，可以在太阳能应用领域得到广泛应用。并且图2、图3、图4和图5中对齿轮22可以选用多种驱动方式，马达、步进电机、人工上发条、水力驱动，当选用人工上发条的方式时，成为弹性势能组合应用太阳能，则完全无电能消耗地应用太阳能，有利于减少温室气体排放，节能环保。将该方法和设备，用于加热领域图3，可用于生活中须加热的各种方式，将图3结构优化扩大并改变配重，可广泛应用于工业领域发电、供暖、太阳能空调、光纤照明、餐饮加热，切割焊接等。将图2结构用于科学领域(使须跟踪阳光物体的垂线与直线3重合)可用于太阳能辐射观测站，太阳辐照度测量，材料老化实验。并且可以用来寻找地轴点，测定地球震颤率，定位和岁差的研究。尤其值得一提的是(一)跟踪阳光的方法和设备为平面镜定向反射阳光打下基础，而平面镜定向反射阳光是另一种大规模聚光，高温利用太阳能的前提，例图5在整个聚光系统中，加热物体固定，第二面平面镜37固定，只有第一面平面镜35做绕地轴平行线的匀速转动和平面镜法线的角度变化，因此具有实用、可操作的特点。实验证明，只要操作得当，其聚光精度为1厘米以内，又由于无须光传感器和电子设备，因此降低制造成本和使用能耗，解决了用低成本在太阳能光热领域聚光的问题。并且图5中对驱动齿轮22的驱动方式可以有多种选择方案，如马达或弹性势能(发条驱动)，当采用弹性势能驱动可成为人工上发条方式应用太阳能，具有完全节能环保、减少温室气体排放的优势。该聚光方法适合工业生产中各种须加热的领域，如太阳能热发电领域中的阳光聚光部分，热力供暖单位的加热锅炉的热源、太阳能空调的热源、冶金的热源、炼油、工业晒盐的热源、切割、焊接、机场驱鸟，和光导纤维结合可用于矿井的安全照明(只须将光导纤维入射光的一端，放在第一面平面镜的反射光线36上即可)，尤其运用该方法可以在第二面平面镜的反射光线上加上第三面平面镜，在第三面平面镜的反光光线上加上第四面平面镜，直至将光线引入室内，多个引入室内的光线聚光后，可实现室内直接利用太阳光热效应。
实验证明当反光面积为2000平方米时(焦点为10平方米时)其焦点温度达1600℃以上。适当再增加或减少反光面积，可完全用于上述工业领域的加热部分。实施例地表该点在中午时刻，当反光面积为2000平方米时(焦点为10平方米)，其焦点温度达1600℃以上，用于供热锅炉的加热，锅炉内的20吨水可在1小时内达到80℃。(当锅炉保温良好时)(二)如用来从地表跟踪天体的观测，可以用本方法来拓展，保持地表点1的地轴平行线2从北极向南极看的顺时针转动，匀速转动一周一个恒星日时间，即克服地球的自转，同时再克服地球的公转(360°÷一恒星年)，观测视线再从地表该点的地轴平行线2上出发，用来观测太阳系以外的遥远天体，有利于提高观测天体的精度。实验证明当图3中凹面镜直径为2米时其焦点温度最高可达1000℃，当反光面积达到100平方米时，其焦点温度达2500℃(以上指焦点面积3平方厘米时)，实际证明只要操作得当，该方法和设备跟踪阳光的精度在0.1毫米内。(但由于大气折射作用，在太阳日出1小时内，落山前1小时内，精度会下降到1毫米，属于正常现象)。
图1为该方法的原理图。
图2为该方法产生的设备的侧面结构图。
图3为该设备凹面镜应用的侧面结构图。(即太阳灶应用结构图)图4为该设备跟踪式光伏发电的结构图。
图5为跟踪式定向反射阳光，再聚光设备在图1至图5中，其中2为地表某一点1平行于地轴的直线(或杆)，1为地表任一点(在图2、3、4、5中为轴代表地表任一点)，7和5为二至时分阳光的入射光线位置。11和6为垂直于地轴平行线2的杆(或线)，在阳光二分时刻位置。10和12为二至时分需跟踪阳光的直线的位置。8为阳光和地轴平行直线相交的点，在图2、3、4、5中为杆4(直线4)的轴，9为跟踪阳光物体表面垂线在地轴平行线上的轴(图5中为平面镜35的轴)，22为杆2上的齿轮，该齿轮上为斜齿以增大受力面积，该齿轮与杆2同轴且一体，杆13以点1为轴的杆内部带有圆柱体空腔，18是以4为半径的圆弧，4是以轴8为轴的杆(在图1中为直线)，20在杆4上且平行于杆4的观察管，3以9为轴的杆代表跟踪阳光物体表面的垂线即跟踪阳光的直线(在应用于具体的物体时，如凹面镜、太阳能电池板、则将太阳能电池板、凹面镜的中心垂线与3重合或平行即可)。29为在杆3上的观察管，杆3上有一个杆28(28为带有弹簧可伸缩的杆)，17为28端部的轮，13为带有圆柱体空腔的杆，且以轴1为轴，14是内壁为圆的一部分(图中为剖面图)，以轴9为圆心以轴9到轮17为半径，15和16为圆上的位置，分别对应二至时刻，24为21上的杆，25为24上的圆盘，31和26为截面半圆的杆，30为杆26和31上的圆弧，21为带水平装置的底座，23为凹面镜，其焦点正好在9上且从轴9出发的跟踪直线3穿过凹面镜的凹面中心，32为轴，27为配重(在图3中凹面镜代表太阳灶)凹面镜通过杆34和32相连，27通过杆34和凹面镜相连。图5中35为第一面平面镜和杆2上的轴9相连，36为平面镜35的反射光，37为第二面平面镜通过轴41和另一个杆相连，28为和平面镜35相连的杆，图5中38、39分别代表平面镜35的法线在二至时刻的不同位置，40代表杆28夏至时刻位置(点1在北半球时)或杆28在北半球意义冬至时刻位置(点1在南半球时)。
具体实施例方式本发明的设备结构中其优选的实施方式是图2。操作步骤如下(一)地表需跟踪阳光的某一点在北半球时(图2、3、4和图5中轴1代表地表某点1)1、记录地表该点1地理意义上的正午时刻(使底座21水平，这一时刻的特点是杆24在一天的时间中阳光阴影最短，记录这一时刻，以该点所在国的法定时间为标准来记录，如地表该点1在中国则以北京时间记录该点的这一时刻。
2、第二天，查日历得到当天在二十四节气中的位置，特点是全年任一天都对应在圆弧18上的5至7之间的182+5/8个刻度中。如夏至后第8天则将杆4的箭头直指夏至点5后的第8个刻度上。
3、确定该点的地轴平行线，当到达地表该点1地理意义上的正午时刻时，使底座21水平，使杆13及杆4和圆弧18与杆24的阴影重合，并且从点1至杆2和北极同方向，反复调节杆13，使杆4与入射到轴8的阳光重合(和其它的阳光光线平行)，这时从观察管20能看到太阳，这时杆13及杆2为地表该点1的地轴平行线(即杆13和杆2由准地轴平行线成为，和地表点1的地轴平行线重合的杆，然后固定杆13)。
4、调节杆3使杆3和与轴9相交的光线重合(和其它的阳光光线平行)，这时从观察杆29应能看到太阳。同时使17对应15后第8圈螺纹上(由于是北半球夏至后，所以使用顺时针由里向外的螺纹)。
5、驱动22以转动一周一个恒星日时间来匀速驱动22(即我们通常意义上的一天24小时来匀速转动)从9向8看齿轮22顺时针转动。
6、用于生活生产领域，上述操作步骤3至5须在60秒内完成，否则下一天重新开始。如用于科研领域，上述操作步骤3至5须在30秒内完成(寻找地轴点、定位、地球震颤率、岁差等)，并且每到春分时刻须进行地轴平行线的校正。
7、当到达冬至时刻后，即杆3到达12位置后，即轮17达到16位置后，须将圆14更换成内壁顺时针由外向里螺旋的螺纹，使轮17从16位置开始由外向里滚动，到达夏至时刻后，再将圆14更换成内壁顺时针由里向外的螺纹。
(二)当地表该点1位于南半球时，并且以北半球中国日历为参考。则5和10代表北半球意义上的冬至点(南半球夏至点)，7和12代表北半球意义上的夏至点(南半球冬至点)。
1、记录地表该点1地理意义上的正午时刻(使底座21水平)，这一时刻的特点是杆24在一天中的阴影最短，记录这一时刻。
2、第二天，查日历得到当天在二十四节气中的位置，特点是全年任一天都对应在圆弧18上的5至7之间的182+5/8个刻度中。如在北半球冬至后第3天，则将杆4的箭头直指点5后的第3个刻度。
3、确定该点的地轴平行线，当到达地表该点1的地理意义上的正午时刻时，使底座21水平，使杆13及杆4和弧18与杆24的阴影重合，并且从点1至2的方向和南极同方向，反复调节杆13，使杆4与入射到轴8的阳光重合，这时从观察管20应能看到太阳，这时杆13及杆2和地表该点1的地轴平行线重合。
4、调节杆3使杆3和与轴9相交的光线重合，这时从观察管29应能看到太阳。同时使17对应15后第3圈的螺纹上(由于是在南半球，并且是北半球意义冬至后所以使用逆时针由里向外的螺纹)。
5、驱动22，以转动一周一个恒星日时间来匀速驱动齿轮22(即我们通常意义上的一天24小时来匀速转动)，从9向8看使齿轮22逆时针转动。
6、用于生活生产领域，上述操作从步骤3至5须在60秒内完成，否则下一天重新开始，如用于科研领域上述操作须在30秒内完成。
7、当到达北半球夏至时刻，即杆3到达12位置，即轮17走到16位置后，须将圆14更换成内壁逆时针由外向里的螺旋的螺纹，使轮17从16位置开始由外向里走，当到北半球冬至时刻后，小轮在走完182+5/8个螺纹后到15位置时，应将圆14更换成逆时针由里向外旋转的螺纹，如此反复。(并且更换内壁为圆的14时，须调节跟踪阳光的杆3，使杆3与阳光重合和其他阳光光线平行)。
(三)校正地轴平行线，当用于精确跟踪阳光或用于科研领域须要在每年春分时对地轴平行线校正。
以中国日历为参考，春分日的前一天，我们可以通过太阳轨道计算得到春分时刻春分点(太阳光直射赤道上的经度)的经度值，进入春分日我们以国际日期变更线来做日期的更迭线，如果地表点1的经度与春分点经度重合，则使杆4(图1叫直线4)与杆13或杆2(图1叫直线2)垂直；如果点1在春分点经度线的东侧和国际日期变更线之间，当点1与春分点的经度每差1度时，杆4与垂直13的直线6的角度就为[46°52′÷(1/2回归年)]÷360°。差M度时(设M为相差度数)，就为M×[46°52′÷(1/2回归年)]÷360°，并且4在直线6的南侧(稍微偏向南极侧)。如果点1在春分点经度西侧和国际日期变更线之间，当点1的经度与春分点差M度时，就为M×[46°52′÷(1/2回归年)]÷360°，杆4在直线6的北则(稍微偏向北极侧)，然后当地表该点1到达其地理意义的正午时刻(垂线阴影最短)时，在30秒内使直线2(杆13和杆2)和直线4均在阳光与地轴相交而确立的平面内(即杆13、杆2和直线4的阴影与线段24的阴影重合)，以轴1为轴反复调节杆13与水平面的角度，使杆4与“和点8相交的阳光”重合，固定杆13，这时杆2的位置为精确的地轴平行线位置。(注意点1在北半球时和北极同方向，点1在南半球时直线2和南极同方向)实施例(一)聚光应用，以太阳灶为例，点9为凹面镜23的焦点，在直线(杆)2上。32为杆2上分出的斜杆上的轴，使凹面镜通过杆34和轴32相连可以自由转动，27为凹面镜配重，以利于驱动齿轮22的转动，34为和凹面镜23相连的杆，配重27通过杆和杆34相连。操作过程(以北半球为例，使用中国日历为参考)1、记录地表该点1地理意义上的正午时刻(使底座21不平)，特点是杆24在一天中阴影最短。
2、第二天查日历得当天在二十四节气中的位置，如夏至第12天则将杆4直指夏至点5后的第12个刻度上。
3、确这该点的地轴平行线，当到达地表该点1地理意义上的正午时刻，使底座21水平，使杆13及杆4、弧18与杆24的阴影重合，并且杆2的所指方向和北极同方向，反复调节杆13，使杆4与入射至轴8的阳光重合/平行(阳光是平行光)，这时从观察管20应能看到太阳。这时杆13及杆2为地表该点1的地轴平行线。
4、调节杆3，使杆3和与焦点9相交的光线重合/和其它光线平行。这时从观察管应能看到太阳，即杆3直指夏至点10后的第12刻度，同时使轮17放在(内壁为圆14上)位置15后的第12圈上，并且使用顺时针由里向外螺旋螺纹。
5、驱动齿轮22，以转动一周一个恒星日时间来匀速驱动齿轮22，从点9向轴8看为顺时针转动齿轮22，把须加热物体放在焦点9处即可。以上步骤3至5在一分钟内完成。
6、每一天使杆3在圆弧19上由点10处向点12处走动一个刻度(轮17在圆14内壁走一圈)，直至点12(冬至时)，轮17到位置16时，圆14更换成顺时针由外向里螺旋的螺纹。
实施例(二)以图2结构为例。定位应用以中国境内为例，以中国日历为参考(1)将北京的精确经度值刻在经度盘25边缘正对点1的位置上，并记录北京市在一天中阳光阴影最短的时刻，均匀在圆盘25上刻上各时区和经度值。注意圆盘25上以北京经度和时区为起点，顺时针刻上东九区，东十区及东径130、165、170、175直至旋转一周后到北京的经度值。
(2)在圆弧30上从上向下均匀刻上90°至0°。
(3)记录须定位点一天中阴影最短的时刻，即该点地理意义上的正午时刻。
(4)第二天使杆4对准5到7上相应位置，(查日历当天在全年中的位置，如夏至后10天对应5后第10刻度)。
(5)到达须定位点地理意义上的正午时刻。
(6)调整21水平，并调节杆13和杆24阴影重合，杆2所指方向与北极同方向。
(7)调节杆4和阳光重合，从20中可看到太阳。
(8)这时从杆13对应在圆弧30上的刻度可直接得到纬度值，固定该结构。
(9)第三天当钟表指示到达北京市阴影最短时刻的时候，可以从24在圆盘25的阴影位置上可直接读出地表点1的经度值。
同理，全球地表上包括地轴点与赤道在内任一点均可用同类方法来定位。但用北京经度为参照，只适应东半球经度值，西半球应以西半球所在国首都的经度为参考。
实施例(三)跟踪式光伏发电，即图4中将太阳能电池板与杆3相连并使太阳能电池板的垂线和直线3重合或平行(图2、3中的杆3)。
操作步骤同实施例(一)实施例(四)一种太阳能光热领域聚光的方法，不同于现有太阳能聚光方法中采用光传感器和电子设备来聚光的方式，包括地表一点出发的地轴平行线，平行线上的平面镜随阳光作转动一周一个恒星日的转动，地轴平行线上的平面镜法线与反射光的角度，随阳光与地轴平行线的角度变化而变化，从而得到与地轴平行线重合的反射光，然后用另一面平面镜来反射阳光到需加热物体表面，多个(指3至200个)该结构可完成聚光加热作用。
说明一下第一面平面镜35如何将阳光反射到与地轴平行线重合，并始终保持方向不变。从义务教育标准实验教科书、物理八年级上册，第二章光现象，第40页光反射定律(垂直于镜面的直线叫做法线；入射光线与法线的夹角叫做入射角；反射光线与法线的夹角叫做反射角；在反射现象中反射光线、入射光线和法线都在一个平面内；反射光线、入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角)。所以，只要将第一面平面镜的法线保持在阳光与地轴平行线相交而确立平面内(即跟踪阳光转动)，并且使“阳光与法线的角度”和“地轴平行线与法线的角度”相等，即可以使第一面平面镜反射的阳光与地轴平行线重合。即从夏至到冬至或从冬至到夏至法线38与杆2的角度由33°17′变化至56°43′或由56°43′变化至33°17′。每天均匀变化23°26′÷1/2(回归年)。点1在南半球时同理。
1、当在北半球且使用中国日历时，使以点1为轴的杆13与地表该点的地轴平行线重合，并且固定以轴1为轴的杆13。
(1)查日历记录该天在24节气中的位置，如图5中该天位于冬至后第一天，则将杆4指到位置7与位置5间，位置7后的第一个刻度；(2)将和平面镜35相连的杆28指到位置15与位置16间、位置15后第一个螺纹刻度，并且使杆28与杆4在同一个平面即垂直于水平面的平面内；(3)当到达地表该点地理意义上的中午时分，杆24的阴影最短时刻，反复调节和轴1相连的杆13。直至从观察管20能看到阳光，并使架21完全水平；(4)固定和轴1相连的杆13。(这时杆13应和北极方向相同)2、从9向8看顺时针，以转动一周一个恒星日时间匀速驱动22，由于是冬至后的第一天，须使用内壁为圆14上位置5至位置16的螺纹为顺时针由里向外螺旋的182+5/8圈螺纹。如当天是夏至或夏至后某一天，则用顺时针由外向里螺旋的182+5/8圈螺纹。
3、从步骤1中(3)到2以上操作在一分钟之内完成，可以得到反射光线36。且从轴1向轴9看为和北极同方向。
4、调节第二个平面镜37，使反射光线最终照射到需加热的物体表面(镜37可在轴41和手阀作用下调节方向，转动到需要位置，并且固定第二平面镜37即可)。
5、下一个该设备用同样的方法，直至完成。(注意由于地球很大，地表该点附近其它的相同设备中，地轴平行线可以用第一个设备的地轴平行线为参考，以后再校正以加快调节速度)。
当地表该点位于南半球时，须使用北半球(中国)的日历，因此7、15代表北半球意义上的夏至时分，5、16代表北半球意义上的冬至时分(南半球的夏至)。
1、使以轴1为轴的杆13与地表该点的地轴平行线重合，并且固定以1为轴的杆13(原理同上)。
(1)查日历记录该天在24节气中的位置，如图5中该天位于北半球夏至后的第一天，则将杆4指至5与7之间，标记7后的第一个刻度上；(2)将和第一平面镜35相连的杆28直指15与16间，15后的第一个螺纹刻度，并且使杆28与杆4在同一个平面上即垂直于水平面的平面上；(3)当到达地表该点地理意义上的正午时分，杆24的阴影最短时刻，反复调节和轴1相连的杆13。直至从观察20中能看到阳光。并使架21完全水平。
(4)固定和轴1相连的杆13。(且从轴1向轴9看为和南极同方向)2、从轴9向轴8看，以逆时针方向转动一周一个恒星日时间匀速驱动齿轮22，并且应选择15到16的螺纹，为逆时针由里向外螺旋的螺纹，并且螺纹为182+5/8圈。如当天是北半球冬至或冬至后的某一天，则内壁为圆的14上的螺纹为逆时针方向，182+5/8圈，并且由16到15为由外向里螺旋的螺纹。
3、以上操作步骤1中的(3)至2在一分钟内完成，可以得到反射光线36。
4、调节第二平面镜37使反射光线最终射到须加热物体表面，固定第二平面镜37即可。
5、下一个设备用同样方法直至完成(注意由于地球很大，其它设备的地轴平行线可以用第一个设备来参考，以后再校正以加快调节速度)。
权利要求
1.一种太阳能应用领域中跟踪阳光的方法，不同于太阳能应用领域中，跟踪阳光采用光传感器和电子设备的方法，其特征在于地表须跟踪阳光的任一点，从该点出发设定一根平行于地轴的直线，使平行于地轴的直线上任一点出发的跟踪阳光的直线，与平行于地轴的直线之间的角度变化，同阳光与地轴间的角度变化相同，即可跟踪阳光。
2.一种实施权利要求1跟踪阳光的方法而产生的设备，其特征在于带有水平装置的底座(21)，底座(21)上有一个杆(24)，垂直于底座(21)，(24)上有一个圆盘(25)和底座平行，相互垂直的杆(26)和杆(31)连成一体，同底座(21)相连，杆(26)和杆(31)相连接处有一个轴(1)，且轴(1)在杆(26)和杆(31)上，和轴(1)相连内壁为圆柱体空腔的杆(13)，和杆(13)上的轴(8)相连的杆(4)，杆(4)上有一个细管(20)，和杆(13)相连的圆弧(18)，在杆(13)中有一个杆(2)，杆(2)上有一个齿轮(22)，和杆(2)上的轴(9)相连的杆(3)，杆(3)上有一个细管(29)，杆(2)上有一个圆弧(19)，和杆(3)相连的杆(28)，杆(13)上有一个内壁为圆的一部分(14)，(14)内壁为连续的螺旋形螺蚊。
3.由权利要求2而产生的跟踪式光伏发电设备，其特征在于太阳能电池板(33)在杆(3)上。
4.由权利要求2而产生一种跟踪式太阳灶即凹面镜聚光设备，其特征在于凹面镜(23)通过杆(34)和杆(2)上的轴(32)相连，凹面镜(23)和圆孤(19)位于杆(2)的同一侧，和杆(34)相连的配重(27)位于杆(2)的另一侧。
5.由权利要求2而产生的一种跟踪式定向反射阳光，再聚光设备，其特征在于平面镜(35)和杆(2)上的轴(9)相连，杆(28)和平面镜(35)相连。
6.由权利要求1所述一种跟踪阳光的方法，在于以下步骤(1)记录地表须跟踪阳光的点地理意义上的正午时刻(即该点所在经度的地方时的正午时刻)，该时刻地表该点在阳光与地轴相交所确立的平面内，这一时刻特征是地表该点垂直水平面的线段阳光阴影最短，并且从地表该点设定一根直线，称为准地轴平行线；(2)第二天查日历可计算出阳光与地轴的角度，使准地轴平行线上出发的跟踪阳光的直线与准地轴平行线的角度，同阳光与地轴的角度相同；(3)当到达地表该点地理意义上的正午时刻时，使地表该点出发的准地轴平行直线和准地轴平行直线上跟踪阳光的直线，均处于阳光与地轴相交而确定的平面内；(4)以地表该点为轴，上下调节准地轴平行线与水平面的角度，使跟踪阳光的直线与阳光光线重合，这时的准地轴平行线位置与地轴平行，称为地轴平行直线；(5)使跟踪阳光的直线围绕地轴平行线，以一周一个恒星日时间匀速随阳光转动，同时保持与地轴平行线的角度和阳光与地轴的角度变化相同，即可跟踪阳光，注意从步骤(3)到(5)应在一分钟内完成操作。
全文摘要
太阳能应用领域阳光跟踪的方法和设备，属太阳能应用领域即应用于光伏发电、光热发电、高低温光热利用中对阳光的精确跟踪。不同于现有太阳能应用领域阳光跟踪系统，须光传感器和电子设备，而使成本较高不适合普遍应用太阳能资源的问题，设定从地表须跟踪阳光的某点(1)引出一根直线(2)，使直线(2)平行于地轴，则直线(2)上任一点出发的须跟踪阳光的直线(3)，与直线(2)的角度变化同“阳光和地轴的角度变化相同即可跟踪阳光”。主要用于太阳能应用领域中对阳光的跟踪。
文档编号F24J2/10GK1945163SQ200610137968
公开日2007年4月11日 申请日期2006年11月2日 优先权日2006年7月24日
发明者曹宏海 申请人:曹宏海