專利名稱：太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種對利用太陽能聚光能量對沙漠表面進(jìn)行硬化的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太陽能是一種清潔無污染的可再生能源，取之不盡，用之不竭，充分開發(fā)利用太陽能不僅可以節(jié)約日益枯竭的化石能源，緩解嚴(yán)峻的資源短缺問題，而且還可以減少污染，保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。在我們生存的地球上，存在著大面積的沙漠，因其惡劣的自然環(huán)境，使人類很難在這些區(qū)域內(nèi)居住和生存。在風(fēng)的作用下，沙漠具有的流動性可以造成周圍地區(qū)的生產(chǎn)生活 設(shè)施的破壞，最終導(dǎo)致無法利用，人類的生存空間被沙漠不斷侵蝕。當(dāng)今，荒漠化也是世界性的公害，全球受到荒漠化危害的陸地面積已達(dá)到I / 4，且每年仍以5 7萬平方公里的速度擴(kuò)展。目前，全球荒漠化面積達(dá)到3800萬平方公里，占地球陸地總面積的四分之一，使世界三分之二的國家和五分之一的人口受到其影響。沙塵暴虐，田毀人亡,每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)400多億美元。國家林業(yè)局公布的數(shù)據(jù)表明，我國現(xiàn)有荒漠化土地面積為262. 6萬平方公里，占國土總面積的27. 3%,涉及全國18個(gè)省區(qū)的471個(gè)縣，影響著近4億人口的生產(chǎn)和生活，每年由沙化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過540億元人民幣?；哪殉蔀閲?yán)重威脅中華民族生存空間、嚴(yán)重制約中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。目前，政府每年要拿出巨額資金用于防沙治沙工程建設(shè)?，F(xiàn)有治沙方法主要包括工程治沙和植物治沙兩大類。所謂工程治沙是用柴、草、粘土、板條、席笆、卵石或浙青乳劑和高分子聚合物等設(shè)置障礙或輔壓遮蔽的方法阻沙固沙。這種方法受資源和條件的限制只在少數(shù)地區(qū)可用，但費(fèi)用較高，可持續(xù)時(shí)間短，而植物治沙法生產(chǎn)周期長、見效慢，在大部分缺水和降水稀少地區(qū)是不具備實(shí)施條件的。在公開的《治沙、筑路方法及其裝置》(97104067. 2)專利技術(shù)中，是將聚焦后的太陽光束掃描地面，使地面的沙粒或土壤熔融或者燒結(jié)，冷卻后使地面上形成堅(jiān)硬覆蓋物。這項(xiàng)技術(shù)存在很多缺點(diǎn)一是采用點(diǎn)聚焦和逐點(diǎn)逐行掃描方式的機(jī)構(gòu)與控制都很復(fù)雜；二是在實(shí)施過程中太陽的位置時(shí)刻都在發(fā)生變化，其聚焦落點(diǎn)很難控制；三是動力系統(tǒng)沒有采用太陽能，具有碳排放污染。在公開的《利用太陽能的智能化筑路與沙漠表面硬化系統(tǒng)》(200710161174. 6)專利技術(shù)中，是采用太陽能發(fā)電組件向蓄電池充電，再由蓄電池向激光設(shè)備提供電能用于沙漠表面硬化，其缺點(diǎn)有一是蓄電池蓄電效率低，再加上激光設(shè)備的轉(zhuǎn)化效率也比較低，造成只有很少部分能源用于沙漠表面硬化，因此其總體效率較低；二是采用點(diǎn)聚光以逐點(diǎn)逐行掃描方式的機(jī)構(gòu)與控制都很復(fù)雜；三是蓄電池壽命短且生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在污染問題，重量大，使整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動耗能也更大，因此不適合應(yīng)用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有防風(fēng)固沙治沙手段，以及利用聚光方式對沙漠表面進(jìn)行熔化硬化方式的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明提供一種太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，能夠在對沙漠表面進(jìn)行熔化硬化的過程中全部采用太陽能，而不采用化石能源驅(qū)動；能夠?qū)μ柲艿睦脮r(shí)間更長，聚光利用方式更加合理；能夠采用線聚焦且利用計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行熔化硬化的效率更高，質(zhì)量更好；能夠?qū)崿F(xiàn)無人自動運(yùn)行，進(jìn)一步降低了人工成本。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提供一種太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，包括行走機(jī)構(gòu)、左側(cè)行走電機(jī)、右側(cè)行走電機(jī)、左側(cè)行走輪帶、右側(cè)行走輪帶、太陽能電池組件、電池組件跟蹤支架、跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸、電池組件跟蹤電機(jī)、DC-DC直流穩(wěn)壓模塊、聚光器、水平向反射鏡、拋物柱面反射鏡、遮光反射鏡、水平向反射鏡方位角電機(jī)、水平向反射鏡高度角電機(jī)、聚光器方位角電機(jī)、聚光器高度角電機(jī)、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)、計(jì)算機(jī)、I/o數(shù)據(jù)接口、太陽位置傳感器、水平沙面。水平沙面是經(jīng)平整過的表面呈水平 狀的沙漠區(qū)域。
太陽能電池組件將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為直流電能，由太陽能電池組件輸入的不穩(wěn)定直流電通過DC-DC直流穩(wěn)壓模塊輸出為具有穩(wěn)定電壓的直流電，提供給左側(cè)行走電機(jī)、右側(cè)行走電機(jī)、電池組件跟蹤電機(jī)、水平向反射鏡方位角電機(jī)、水平向反射鏡高度角電機(jī)、聚光器方位角電機(jī)、聚光器高度角電機(jī)、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)和計(jì)算機(jī)使用。太陽位置傳感器檢測到太陽的方位角和高度角，通過I/O數(shù)據(jù)接口傳送給計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)中軟件的控制，通過I/O數(shù)據(jù)接口使電池組件跟蹤電機(jī)、水平向反射鏡方位角電機(jī)、水平向反射鏡高度角電機(jī)、聚光器方位角電機(jī)、聚光器高度角電機(jī)和聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動到指定位置；左側(cè)行走電機(jī)、右側(cè)行走電機(jī)、電池組件跟蹤電機(jī)、水平向反射鏡方位角電機(jī)、水平向反射鏡高度角電機(jī)、聚光器方位角電機(jī)、聚光器高度角電機(jī)、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)都是具有數(shù)控功能的電機(jī)，按計(jì)算機(jī)的控制指令實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)動量。電池組件跟蹤支架固定安裝在行走機(jī)構(gòu)上部，跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸固定在電池組件跟蹤支架上，太陽能電池組件安裝在跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸上，沿跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動；由計(jì)算機(jī)的控制軟件，控制電池組件跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)太陽能電池組件對太陽的方位角進(jìn)行跟蹤，從而最大程度地將接受到的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動和控制提供電力能源，而非采用化石能源。聚光器為平行光聚光器，通過目前公知的光學(xué)知識和多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出光線與輸入光線傳播方向相同且平行，能夠?qū)⒋怪比肷涞骄匦蜛BCD區(qū)域內(nèi)的光線聚光并輸出到矩形截面A1B1C1D1區(qū)域內(nèi)，矩形截面A1B1C1D1區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的聚光輻射強(qiáng)度相同；S0"為聚光器的中心軸線。拋物柱面反射鏡固定安裝在行走機(jī)構(gòu)上部，拋物柱面反射鏡的焦線XY位于水平沙面表面且與行走機(jī)構(gòu)的行走方向MN垂直；遮光反射鏡安裝在行走機(jī)構(gòu)上部，能夠沿上下方向運(yùn)動；在行走機(jī)構(gòu)上有固定點(diǎn)O ;水平向反射鏡位于行走機(jī)構(gòu)上部，水平向反射鏡的反射表面中心點(diǎn)位于O點(diǎn)并且能圍繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動；聚光器安裝在行走機(jī)構(gòu)上部，聚光器中心軸線S0"上的一定點(diǎn)O"在跟蹤太陽的運(yùn)動過程中始終與行走機(jī)構(gòu)上的固定點(diǎn)O點(diǎn)重合。由計(jì)算機(jī)控制聚光器方位角電機(jī)和聚光器高度角電機(jī)的轉(zhuǎn)動，聚光器對太陽進(jìn)行精確的方位角和高度角跟蹤，使聚光器中心軸線S0"始終指向太陽；GH是通過聚光器表面、垂直且相交于聚光器中心軸線so"、始終與水平沙面表面平行的線段；EF位于聚光器表面、垂直且相交于中心軸線S0"的線段；在聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動作用下，聚光器能夠沿中心軸線S0"進(jìn)行轉(zhuǎn)動，使線段EF與GH之間有偏轉(zhuǎn)角λ ;EF線段相對于聚光器的位置固定，且當(dāng)太陽的方位角ω=0即太陽在正南方向時(shí)，偏轉(zhuǎn)角λ =0;聚光器輸出的平行聚光光線全部射向水平向反射鏡；由計(jì)算機(jī)控制水平向反射鏡方位角電機(jī)和水平向反射鏡高度角電機(jī)轉(zhuǎn)動，使水平向反射鏡將聚光器輸出的平行聚光光線反射為水平向南方向，并全部射向拋物柱面反射鏡上；通過拋物柱面反射鏡的聚焦形成聚光光線Χ Υ，聚光光線XY位于水平沙面表面。SO表示太陽入射光線，通過水平向反射鏡的反射，形成光線0Μ，OM指向水平正南方向，OS'是OS在水平面上的投影，OL是Z SOM的角平分線，即垂直于水平向反射鏡表面的法線，OL'是OL在水平面上的投影，ω表示太陽的方位角，Φ表示太陽的高度角。水平向反射鏡的法線OL的方位角α與ω、φ之間保持關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括行走機(jī)構(gòu)(12)、左側(cè)行走電機(jī)(13)、右側(cè)行走電機(jī)(14)、左側(cè)行走輪帶(15)、右側(cè)行走輪帶(16)、太陽能電池組件(21)、電池組件跟蹤支架(22)、跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸(23)、電池組件跟蹤電機(jī)(24)、DC-DC直流穩(wěn)壓模塊(25)、聚光器(31)、水平向反射鏡(32)、拋物柱面反射鏡(33)、遮光反射鏡(34)、水平向反射鏡方位角電機(jī)(41)、水平向反射鏡高度角電機(jī)(42)、聚光器方位角電機(jī)(43)、聚光器高度角電機(jī)(44)、聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)(45)、計(jì)算機(jī)(51)、1/0數(shù)據(jù)接口(52)、太陽位置傳感器(53)、水平沙面(11);水平沙面(11)是經(jīng)平整過的表面呈水平狀的沙漠區(qū)域；其特征在于 電池組件跟蹤支架(22)固定安裝在行走機(jī)構(gòu)(12)上部，跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸(23)固定在電池組件跟蹤支架(22)上，太陽能電池組件(21)安裝在跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸(23)上，沿跟蹤支架轉(zhuǎn)動軸(23)轉(zhuǎn)動，太陽能電池組件(21)對太陽的方位角進(jìn)行跟蹤； 拋物柱面反射鏡(33)固定安裝在行走機(jī)構(gòu)(12)上部，拋物柱面反射鏡(33)的焦線XY位于水平沙面(11)表面且與行走機(jī)構(gòu)(12)的行走方向MN垂直；遮光反射鏡(34)安裝在行走機(jī)構(gòu)(12)上部，能夠沿上下方向運(yùn)動；在行走機(jī)構(gòu)(12)上有固定點(diǎn)O;水平向反射鏡(32)位于行走機(jī)構(gòu)(12)上部，水平向反射鏡(32)的反射表面中心點(diǎn)位于O點(diǎn)并且能圍繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動；聚光器(31)安裝在行走機(jī)構(gòu)(12)上部，聚光器(31)中心軸線SO"上的一定點(diǎn)O"在跟蹤太陽的運(yùn)動過程中始終與行走機(jī)構(gòu)(12)上的固定點(diǎn)O點(diǎn)重合；聚光器(31)中心軸線S0"始終指向太陽；GH是通過聚光器(31)表面、垂直且相交于聚光器(31)中心軸線S0"、始終與水平沙面(11)表面平行的線段；EF位于聚光器(31)表面、垂直且相交于中心軸線S0"的線段；在聚光器軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)(45)的轉(zhuǎn)動作用下，聚光器(31)能夠沿中心軸線S0"進(jìn)行轉(zhuǎn)動，使線段EF與GH之間有偏轉(zhuǎn)角λ ;EF線段相對于聚光器(31)的位置固定，且當(dāng)太陽的方位角ω=0即太陽在正南方向時(shí)，偏轉(zhuǎn)角λ=0;聚光器(31)輸出的平行聚光光線全部射向水平向反射鏡(32);水平向反射鏡(32)將聚光器(31)輸出的平行聚光光線反射為水平向南方向，并全部射向拋物柱面反射鏡(33)上；通過拋物柱面反射鏡(33)的聚焦形成聚光光線ΧΥ，聚光光線XY位于水平沙面(11)表面； 水平向反射鏡(32)的法線的方位角α與太陽的方位角ω、太陽的高度角φ之間的關(guān)系為 COS^tan of =- 1+ costy -COS^ 水平向反射鏡(32)的法線的高度角β與太陽的方位角ω、太陽的高度角Φ、水平向反射鏡(32)的法線的方位角α之間的關(guān)系為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，其特征在于遮光反射鏡(34)沿上下方向運(yùn)動，能夠?qū)乃较蚍瓷溏R(32)射向拋物柱面反射鏡(33)的平行光線，重新反射至水平向反射鏡(32)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，其特征在于在計(jì)算機(jī)(51)的控制下，聚光光線XY掃描形成若干個(gè)具有一定間隔的矩形硬化區(qū)塊，行走機(jī)構(gòu)(12)按之字往復(fù)路徑行駛，硬化區(qū)塊連續(xù)排列。
全文摘要
本發(fā)明提供一種太陽能定向線聚光沙漠表面硬化系統(tǒng)，包括聚光器、水平向反射鏡、拋物柱面反射鏡、遮光反射鏡、計(jì)算機(jī)、太陽位置傳感器、水平沙面等。聚光器為平行光聚光器，對太陽進(jìn)行精確的方位角和高度角跟蹤，且輸出的平行聚光光線全部射向水平向反射鏡，通過水平向反射鏡的反射和拋物柱面反射鏡的聚焦形成位于水平沙面表面且各點(diǎn)的輻射強(qiáng)度相同的聚光光線。該系統(tǒng)在對沙漠表面進(jìn)行熔化硬化的過程中，運(yùn)動能量和對沙面熔化和硬化的能量均來自于太陽能，不消耗化石能源；能夠?qū)μ柲艿睦脮r(shí)間更長，聚光利用方式更加合理；采用線聚焦且利用計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行熔化硬化的效率更高，質(zhì)量更好；能夠?qū)崿F(xiàn)無人自動運(yùn)行，進(jìn)一步降低了人工成本。
文檔編號G02B7/182GK102877457SQ20121040000
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者張德勝, 劉紅強(qiáng), 高淑貞 申請人:張德勝