專利名稱:跟蹤式太陽能聚光設(shè)備的制作方法
跟蹤式太陽能聚光設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能應(yīng)用領(lǐng)域中對陽光進(jìn)行跟蹤并聚光的方法，和一種跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，特別是一種非電控、精確跟蹤陽光并聚光的太陽能高溫應(yīng)用設(shè)備。
背景技術(shù)太陽能是人類重要的資源，在太陽能應(yīng)用領(lǐng)域存在如何方便地使太陽光能量密度增加即大規(guī)模聚光的問題。由于太陽是運動的光源，解決大規(guī)模聚光問題的難點在于，如何用簡便的方法和低成本而可靠的設(shè)備來跟蹤太陽光，然后用許多平面鏡使陽光聚集到一點。現(xiàn)階段人們解決跟蹤及聚光的方法和設(shè)備，多采用光傳感器，電子裝置等電控設(shè)備，存在成本高的缺點。如中國專利號00135854. 5公開號1361397、如中國專利號 200410104079.9公開號CN1789858。非電控解決跟蹤及聚光的方法和設(shè)備又不精確。如中國專利號:200610137968. 4公開號CN1945163A、如中國專利號:200610017032. 8公開號 CN101109581、如中國專利號200610200777. 8公開號CN10100^98。所以低成本、精確跟蹤太陽光并聚光的設(shè)備是普遍應(yīng)用太陽能的關(guān)鍵，檢索未有同類的跟蹤及聚光設(shè)備的專利報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在解決太陽能應(yīng)用領(lǐng)域中，如何無須電控設(shè)備，而方便地跟蹤陽光，并用許多平面鏡聚光的一種方法，和一種非電控、整體集成及低能耗跟蹤陽光并聚光的太陽能高溫應(yīng)用設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)及生活上的新能源加熱設(shè)備。
技術(shù)方案一種太陽能應(yīng)用領(lǐng)域中跟蹤陽光的方法，地表須跟蹤陽光的地點，從該點出發(fā)設(shè)定一根平行于地軸的直線，使平行于地軸的直線上，任一點出發(fā)的跟蹤陽光的直線，與平行于地軸的直線之間的角度變化，同陽光與地軸間的角度變化相同，即可跟蹤陽光。
原理，地軸與陽光的夾角由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)有如下規(guī)律在任一時刻地軸與陽光光線相交成一個平面，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動中在下一刻，地軸與陽光相交又成另一個平面，統(tǒng)計整個回歸年中的所有平面，其中地軸與陽光相交的角度關(guān)系是錐角變化的類圓錐形軌跡。我們設(shè)立的平行于地軸的直線，任一時刻和地軸均平行，又由于陽光是平行光， 所以地軸平行線與陽光相交的角度，和地軸與陽光相交的角度為大小相等方向相同的兩個量。所以，只要把“跟蹤陽光的直線與平行于地軸的直線相交的角度”保持同“地軸與陽光相交的角度” 一致，并按旋轉(zhuǎn)一周一個當(dāng)天真太陽日，勻速隨陽光運動方向轉(zhuǎn)動平行于地軸的直線，即可精確跟蹤陽光。
方法如下(1)確定地表某一點即跟蹤陽光的地點陽光陰影的“最短時刻立面”。 實施陽光跟蹤的前一天或前幾天，記錄地表該點地理意義上的正午時刻即該點太陽高度角最大時刻。該時刻每天不同，該時刻日心與地心連線(本文中該連線為虛擬的連線)同地表該點所在的經(jīng)度線相交，該時刻地表該點在陽光與地軸相交所確立的平面內(nèi)，在本文該平面稱之為“最短時刻立面”。這一時刻特征是，地表該點垂直水平面的線段，全天中其陽光陰影在水平面上的陰影長度最短。本文將地表該點垂直于水平面線段的陽光陰影長度最短(高度角最大)這一時刻，命名為地表該點的“正午時刻”。且這一時刻該點垂直水平面的線段，與其陰影確立的平面同“最短時刻立面”重合，所以可由此確定“最短時刻立面”，該“最短時刻立面”必然穿過地球南北極的兩個地軸點。并且從地表該點設(shè)定一根直線，將要使該直線平行于地軸，稱為準(zhǔn)地軸平行線。(2)確定當(dāng)天赤緯角。通過計算實施陽光跟蹤當(dāng)天的赤緯角，可間接計算出陽光與地軸的角度。使準(zhǔn)地軸平行線上出發(fā)的跟蹤陽光的直線與準(zhǔn)地軸平行線的角度，同當(dāng)天陽光與地軸的角度相同。使準(zhǔn)地軸平行直線和跟蹤陽光的直線，均處于“最短時刻立面”中。(3)確定地軸平行線。實施陽光跟蹤當(dāng)天，使準(zhǔn)地軸平行直線和水平面的角度與該點的緯度相同?；蛘弋?dāng)?shù)竭_(dá)該點“正午時刻”，在“最短時刻立面”中以地表該點為軸，調(diào)節(jié)準(zhǔn)地軸平行線與水平面的角度，使跟蹤陽光的直線與陽光光線重合或平行，這時的準(zhǔn)地軸平行線位置與地軸平行，稱為地軸平行直線。(4)在該點“正午時刻”，使跟蹤陽光的直線圍繞地軸平行線，以旋轉(zhuǎn)一周一個當(dāng)天的真太陽日時間隨陽光轉(zhuǎn)動，同時保持跟蹤陽光的直線與地軸平行線的角度，同陽光與地軸的角度的變化相同， 即可跟蹤陽光。并且確定了地軸平行線，以后就不需重復(fù)操作步驟(1)、(2), (3)。其中赤緯角，可以從 << 太陽能SOLAR ENERGY 期刊，國際標(biāo)準(zhǔn)刊號ISSN1003_0417，國內(nèi)統(tǒng)一刊號CNl 1-1660，1999年第2期No. 2起止頁碼8_10頁，中國氣象科學(xué)研究院王炳忠研究員關(guān)于太陽赤緯角的計算公式當(dāng)中求得，即地軸與陽光的角度可以通過赤緯角間接地求得， 摘錄如下，日地中心的連線與赤道面間的夾角時刻變化，這個角度稱為太陽赤緯角，它在春分和秋分時刻等于零，而在夏至和冬至?xí)r刻有極值，分別為正負(fù)23. 442°，即以赤道面為中心，偏北極側(cè)為正值，偏南極側(cè)為負(fù)值。赤緯角ED = 0. 3723+23. 2567sin θ +0. 1149sin2 θ -0· 1712sin3 θ -0. 758cos θ +0. 3656cos20+0. 0201cos3 θ，(ED 單位是十進(jìn)制的度)。時差 Et = 0. 0028-1. 9857sin θ +9. 9059sin2 θ -7. 0924cos θ -0. 6882cos2 θ，(Et 單位是十進(jìn)制的分鐘)，θ為日角，S卩θ = 2Jit/365.M22，這里t又由兩部分組成，即t = Ν-Νο，其中N 為積日，就是日期在年內(nèi)的順序號，1月1日的積日為1，平年12月31日的積日為365，閏年則為 366 等等。No = 79. 6764+0. 2422X (年份-1985)-INT[(年份-1985)/4]。以角度制計算時π為180°。
具體方法如下精確確定地軸平行線和太陽高度角最大的時刻是本文中的關(guān)鍵。 本文除2處以外均以中國日歷為標(biāo)準(zhǔn)來參考，以北京時間即東經(jīng)120°為標(biāo)準(zhǔn)，西經(jīng)60°為日期分界線；并且本方案中在夏至和冬至日當(dāng)天是調(diào)節(jié)時間無法實施跟蹤與聚光。本文中的“時差”指真太陽日與平太陽日間的時差，而各地間由于經(jīng)度不同而造成的時差在本文中命名為“地理時差”。在本文中實施跟蹤操作的地點，其“正午時刻”即太陽高度角最大時刻的北京時間(須精確到秒)、該“正午時刻”的太陽赤緯角(須精確到0.001度)、當(dāng)天真太陽日(須精確到秒)以及當(dāng)天赤緯角的變化量(須精確到0.001度)對陽光跟蹤十分重要； 即日地中心連線，到達(dá)實施跟蹤操作地點所在的經(jīng)度線(該經(jīng)度線須精確到0. 001度)這一時刻的北京時間須精確到秒，該時刻赤緯角須精確到0.001度。設(shè)定肚為時差，AS為真太陽日與平太陽日之差，并且文中△ S和肚分別為對應(yīng)當(dāng)天的真平太陽日之差和時差。 確定點101的“正午時刻”，這一時刻的點101在“最短時刻立面”中，該時刻的特點是，線段 113在水平面上的陰影長度在全天中最短，該時刻是觀測值與計算值的統(tǒng)一。設(shè)定&為真太陽時，Sp為平太陽時，式1 & = Sp+肚該式為現(xiàn)有公認(rèn)的真平太陽時換算公式。設(shè)定 Z為真太陽日，一個真太陽日是太陽中心接連兩次通過同一個子午圈所需要的時間，即太陽中心與地心連線兩次通過同一經(jīng)度的時間，真太陽日Z可以表達(dá)為M小時+ Δ S ( Δ S為每天的真太陽日減去平太陽日之差，真太陽日大于平太陽日AS是正值反之為負(fù)值，全年為四秒到負(fù)21秒之間)。由此在本文中可以創(chuàng)造推導(dǎo)出如下公式即式2、式3和式4。設(shè)η 為全年中的任一天，η+1為該天的第二天，點101在東經(jīng)120°，任一天η開始時刻，日地中心的連線在西經(jīng)60°，是真太陽日的零時即真太陽時等于0，而平太陽時為SP (η)，即真太陽時的零時與平太陽時的關(guān)系為0 = SP(n)+Et(n)。經(jīng)過一段時間日地中心的連線又在西經(jīng)60°時，該時刻為任一天η的結(jié)束時刻即第二天η+1天的開始，該時間段是一個完整的真太陽日即M小時+ Δ S，這時真太陽時仍為零時，即0 = SP (n+1)+Et (η+1)。由于經(jīng)過了 M 小時+AS這一段時間，所以任一天η結(jié)束時刻的平太陽時SP(n+l) = SP (η) + Δ S，在0 = SP (η) +Et (η) ^O = SP (η+1)+Et (η+1)兩式中可以得到 AS= [Et (η)-Et (η+1)]，所以 Z = 24小時+Et (η) it (η+1)]。同理其他地點的推導(dǎo)與上述相同，例如點101的經(jīng)度在0°時， 日期分界線為東經(jīng)180° (第一處不以北京時間即東經(jīng)120°為標(biāo)準(zhǔn)，西經(jīng)60°為日期分界線)，則使用格林尼治時間來推導(dǎo)，Z仍為M小時+Et (n) -Et (η+1)]。結(jié)論所以地表任一點101在全年中的任一天η的真太陽日為Z = M小時+[Et(n)-Et (η+1)]。得到式2 任一天η的真太陽日減去平太陽日的差A(yù)S= [Et (n)-Et (n+1) J0
東經(jīng)120° “正午時刻”的真太陽時為( 小時+AS)/2，即12小時+(AS/2)= Sp+Et(Sp為當(dāng)天東經(jīng)120° “正午時刻”的平太陽時，肚為當(dāng)天東經(jīng)120°的時差。以下將給出日心與地心連線，同任一經(jīng)度線相交時刻的時差Et，即任一經(jīng)度線“正午時刻” 的時差肚)。而當(dāng)天一個完整的真太陽日，陽光光線轉(zhuǎn)過一周360°的經(jīng)度，則平均每秒陽光轉(zhuǎn)過的經(jīng)度值為360° +(MX60X60+AS)。則西經(jīng)60°開始以其東側(cè)為方向任一點的“正午時刻”為在西經(jīng)60°以東和西經(jīng)60°差360° +(MX60X60+AS)經(jīng)度， 該點“正午時刻”的真太陽時為1秒。設(shè)H為360° +O4X60X60+AS)的倍數(shù)，差H個 [360° +Q4X60X60+AS)]經(jīng)度，則該點的真太陽時為H秒，該點“正午時刻”的真太陽時為H秒，記錄該數(shù)據(jù)。該點“正午時刻”的真太陽時即為式3 :H=Sp+Et(Sp為當(dāng)天該點“正午時刻”的平太陽時，肚為當(dāng)天該點的時差，即該點當(dāng)天所在經(jīng)度“正午時刻”的時差)。所以地表任一點“正午時刻”的平太陽時Sp (北京時間)都可得到。例如東經(jīng)179. 55°，在2006年9 月22日，“正午時刻”的北京時間是用Et公式計算可知2006年9月22日西經(jīng)60°的時差為7分15. 53秒，2006年9月23日西經(jīng)60°的時差為7分37. 72秒，則Δ S為-22. 19秒。東經(jīng) 179. 55° 與西經(jīng)60° 相差 120. 45°，H為 120. 45° +[360° +(24X60X60-22.19)]= 28900. 58秒，則東經(jīng)179. 55°在2006年9月22日的“正午時刻”的真太陽時為=28900. 58 秒=Sp+7分23秒(7分23秒為2006年9月22日東經(jīng)179. 55°的Et)，即8小時1分鐘 40. 58秒=Sp+7分23秒，即東經(jīng)179.55°在2006年9月22日的“正午時刻”平太陽時 (北京時間)Sp = 7點54分17. 58秒。
圖1中點101為地表任一點，直線102為從點101出發(fā)的直線，將要使其平行于地軸稱其為準(zhǔn)地軸平行線，點109為準(zhǔn)地軸平行直線102上的任一點，直線103為需跟蹤陽光的直線，直線110和直線112為二至?xí)r分直線103的位置，直線105和直線107為二至?xí)r分陽光的位置，直線104為從直線102上的點108出發(fā)的直線，直線104也是射到點108的陽光光線，其中直線104從直線105至直線107，和直線103從直線110至直線112的角度均為46° 52'。直線106、直線111均為和直線102垂直的直線，即二分時刻陽光與直線 102的位置，包含直線106或直線111且垂直于直線102的平面可稱之為赤道平行面。線段113為點101上垂直于水平面的線段，直線28為從點109出發(fā)的平面鏡四的法線。圖2中地心為0，線段113為點101上垂直于水平面的線段，地軸為114，赤道為115，陽光光線與線段113的交點為點116，也是線段113的頂點，陽光光線為117a、117b及117c，水平面為120，陽光與水平面的交點121即Q位置。其中I為點101緯度大于23° 26'時的情況，II為點101緯度小于23° 26'的情況。
跟蹤陽光的操作，圖1中的點101位于北半球時。(1)確定點101的“最短時刻立面”。實施操作的前幾天，該“最短時刻立面”這樣確定，一個垂足在點101處，頂點在空中2 米至100米間高度的鉛垂線即線段113，點101所在的地表為水平面，當(dāng)達(dá)到點101 “正午時刻”那一秒，標(biāo)記下鉛垂線頂點的陽光陰影位置，注意由于陽光衍射現(xiàn)象該位置不容易直接觀察，可在到達(dá)點101 “正午時刻”那一秒，標(biāo)記日心與鉛垂線頂點之間連線的延長線，與水平面的相交點(稱為Q位置)使一條鉛垂線頂點出發(fā)的直線L(日心到鉛垂線頂點之間連線的延長線)與鉛垂線的角度，同點101的緯度值減去點101 “正午時刻”赤緯角的差相等，在到達(dá)點101“正午時刻”那一秒，旋轉(zhuǎn)鉛垂線，當(dāng)鉛垂線頂點出發(fā)的直線L指在日心時， 直線L和水平面的相交點，為Q位置。或者到達(dá)點101 “正午時刻”那一秒，如鉛垂線頂點處有一個內(nèi)徑小于5毫米長度達(dá)到地面的直管，陽光光線穿過直管形成的光斑的中心點即為Q位置。Q位置、點101和鉛垂線的頂點確定的垂直于水平面的立面為“最短時刻立面”。 使直線102、直線103、直線104和直線106，均在“最短時刻立面”中。(2)確定赤緯角，實施跟蹤操作當(dāng)天，使直線104與直線106的角度，和點101“正午時刻”的赤緯角相同。由赤緯角公式可得到當(dāng)天的赤緯角ED，該赤緯角是以格林尼治時間的零時為標(biāo)準(zhǔn)來參考的，而北京時間比格林尼治時間早8小時即1/3天，因此西經(jīng)60°的赤緯角在本文中設(shè)為ED°，即日角公式中θ = 2Jit/365. Μ22中，t = (Ν-1/3)-Νο，代入ED公式即可得到ED°。從北極向南極看以西經(jīng)60°開始順時針為方向，當(dāng)點101的經(jīng)度與西經(jīng)60°差1度時(精確到 1度，不足1度四舍五入)，t = (N-l/3+l/360)-No，代入ED公式即可得到點101的赤緯角， 差M度時(設(shè)M為兩者相差經(jīng)度的數(shù)值)t= [N-l/3+MX(l/360)]-No，該式命名為式4，代入ED公式得到點101當(dāng)天陽光陰影最短時刻的赤緯角設(shè)為ED1。即點101 “正午時刻”的赤緯角在本文設(shè)為ED10同理將t = [N-1/3+MX (1/360) J-No代入Et，得到點101的“正午時刻”的時差。并使直線103與直線104平行。(3)確定地軸平行線。實施操作當(dāng)天在“最短時刻立面”中，令直線102以點101為軸，使直線102與水平面的角度同點101的緯度值相等(圖2中圖I或圖II的直線102與水平面120的角度即Z 102、101、120該角度設(shè)為 α，線段113垂直于水平面即地表切面，線段113的延長線必然穿過地心0 ；點101的地軸平行線102與地軸114平行，線段113與兩者的角度相等即Z 102、101、116 =Z 114、0、116， 同時與兩個平行直線相交的直線其同位角相等。90°減去Z 114、0、116為點101的緯度， 90°減去Z 102、101、116為α，所以α同點101的緯度值相等。同理在到達(dá)點101 “正午時刻”那一時刻，日心到鉛垂線頂點116之間連線的延長線L，即117a與鉛垂線113的角度 Z 121、116、101，同點101的緯度值減去點101 “正午時刻”赤緯角的差相等，因為兩者是 鉛垂直線113與兩平行光線117a及117b相交的內(nèi)錯角，內(nèi)錯角相等)，這時直線102的位置為點101的地軸平行線位置。或者當(dāng)?shù)竭_(dá)線段113陰影最短這一時刻，即“正午時刻”(該 “正午時刻”可以由式2、式3與式4得到)，在5秒內(nèi)，令直線102以點101為軸，調(diào)節(jié)直線 102與水平面的角度，直到使直線104和射到點108的陽光光線重合或平行。這時直線102 的位置為點101的地軸平行線位置。(4)當(dāng)?shù)竭_(dá)點101 “正午時刻”，以轉(zhuǎn)動一周一個真太陽日時間，從點109向點108看順時針以勻速，且一周一個真太陽日時間驅(qū)動直線102，同時使直線103相對于直線111所在的赤道平行面的角度變化，同赤緯角的變化相同。注意地軸平行線102應(yīng)和南極至北極的方向相同。
圖1中當(dāng)點101在南半球時，并且使用中國日歷為參考，以下二分二至均為北半球意義的二分二至，即直線105位置和直線110位置為北半球冬至南半球的夏至?xí)r刻，直線 107位置和直線112位置為北半球夏至南半球的冬至?xí)r刻。具體方法如下跟蹤陽光的操作，步驟⑴、⑵、⑶與北半球操作相同。⑷當(dāng)?shù)竭_(dá)點101 “正午時刻”，以轉(zhuǎn)動一周一個真太陽日時間，從點109向點108看逆時針以勻速且一周一個真太陽日時間驅(qū)動直線102， 同時使直線103相對于直線111所在的赤道平行面的角度變化，同赤緯角的變化相同。注意從地表點101出發(fā)的直線102應(yīng)和北極至南極的方向相同。
校準(zhǔn)地軸平行線的具體方法為，步驟(1)及步驟(3)與北半球的跟蹤操作相同。 (2)確定赤緯角，春分日的前一天我們先得到春分時刻春分點的經(jīng)度值，該點101的經(jīng)度正好在春分點的經(jīng)度線上，則使直線104與直線106重合；如果點101在春分點經(jīng)度線的東側(cè)和西經(jīng)60°之間，當(dāng)點101與春分點的經(jīng)度差1度時，直線104與直線106的角度為、春分日+360，春分日全天赤緯角變化量設(shè)為γ春分日，該值為西經(jīng)60°春分日開始時的赤緯角與春分日結(jié)束時赤緯角之差。差M度時(設(shè)M為相差數(shù)值)直線104與直線106的角度為MX
γ春分日+360，且直線104在直線106的南側(cè)(稍微偏向南極側(cè))。如果點101 在春分點經(jīng)度線的西側(cè)和西經(jīng)60°之間，當(dāng)點101的經(jīng)度與春分點的經(jīng)度差1度時，直線 104與直線106的角度為Y春分日+360，差M度時直線104與直線106的角度為MX γ 春分日+360，并且使直線104在直線106的北側(cè)(稍微偏北極側(cè))。(4)使直線103跟蹤陽光轉(zhuǎn)動，與北半球或南半球操作相同。
統(tǒng)計各年，以精確到小時為標(biāo)準(zhǔn)，得到夏至?xí)r刻到冬至?xí)r刻有183個太陽日加12 個小時，夏至?xí)r刻到秋分時刻有93個太陽日加16個小時，秋分時刻到冬至?xí)r刻有89個太陽日加20個小時。冬至?xí)r刻到夏至?xí)r刻有181個太陽日加18小時，冬至?xí)r刻到春分時刻有 89個太陽日，春分時刻到夏至?xí)r刻有92個太陽日加18個小時。這里把夏至?xí)r刻開始經(jīng)過 16個小時后，日地中心連線所在的經(jīng)度線設(shè)為起點，該起點的經(jīng)度線與夏至點的經(jīng)度線相差16個時區(qū)。以該起點開始的第一天(一個完整的真太陽日，此處為第二處不以北京時間即東經(jīng)120°為標(biāo)準(zhǔn)，西經(jīng)60°為日期分界線)的赤緯角設(shè)為ED(Bl)，一個完整的真太陽日后的赤緯角設(shè)為ED (B》，同理得到ED (Β； )及其他各值，直至冬至前20個小時時刻。把冬至?xí)r刻冬至點的赤緯角設(shè)為ED(yl)，一個完整的真太陽日后的赤緯角設(shè)為ED(y2)，同理得到 ED (y3)及其他各值，直至夏至前18個小時時刻。在本文中選用2006年至2007年完整的一個回歸年中的各ED(B)、ED(y)值為標(biāo)準(zhǔn)。實際每年的ED (Bi)有微小變化，如為了提高精度可以選用1949年至2049年中各年的ED(Bl)平均值來解決，同理ED (B》、ED (yl)、ED (y2) 等均可用平均值來解決。查日歷，2006年的夏至?xí)r刻為6月21日20點沈分，夏至點在西經(jīng)6° 30'，其東部16個時區(qū)的經(jīng)度線為東經(jīng)113° 30'，當(dāng)日心與地心連線到達(dá)該經(jīng)度線時是北京時間2006年6月22日12點沈分，通過式3、式4及ED公式，得到ED (Bi)，一個真太陽日后是2006年6月23日通過式3、式4及ED公式，得到ED (B2)，同理得到ED (B3) 等各值。2006年的冬至?xí)r刻為12月22日8點22分，冬至點在東經(jīng)174° 30'，即日心與
7地心連線到達(dá)該經(jīng)度線時是2006年12月22日8點22分，通過式3、式4及ED公式得到 ED (yl)，一個真太陽日后是2006年12月23日通過式3、式4及ED公式，得到ED (y2)，同理得到ED(y3)等各值。同理得出ED(B94)和ED(y90)為二分時刻的赤緯角。本文是以赤緯角、時差和真太陽日為基礎(chǔ)來求得“正午時刻”的，從而確定地軸平行線和赤道平行面；赤緯角、時差和真太陽日的精確性對本發(fā)明的結(jié)果有影響』t不是一個固定值，時差隨時間的變化曲線叫時差曲線，在中國天文年歷的太陽表中載有每天肚的數(shù)值。
陽光跟蹤與聚光的方法，地表將要進(jìn)行陽光跟蹤與聚光的地點出發(fā)的地軸平行線，平行線上的平面鏡隨陽光作轉(zhuǎn)動一周一個真太陽日的轉(zhuǎn)動，地軸平行線上的平面鏡法線與反射光線的角度，隨赤緯角的變化而改變，從而得到與地軸平行線重合的反射光，并用另一面反光鏡來反射陽光到需加熱物體表面，若干該結(jié)構(gòu)可完成聚光作用。
說明一下平面鏡四如何將陽光反射到與地軸平行線重合，并始終保持反射光線方向不變。從義務(wù)教育標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書、物理八年級上冊，第二章光現(xiàn)象，第40頁光反射定律垂直于鏡面的直線叫做法線；入射光線與法線的夾角叫做入射角；反射光線與法線的夾角叫做反射角；在反射現(xiàn)象中反射光線、入射光線和法線都在一個平面內(nèi)；反射光線、入射光線分居法線兩側(cè)；反射角等于入射角。所以，只要將平面鏡的法線保持在陽光與地軸平行線相交而確立平面內(nèi)即法線跟蹤陽光轉(zhuǎn)動，并且使“陽光與法線的角度”和“反射光線 (地軸平行線)與法線的角度”相等，可使平面鏡反射的陽光與地軸平行線重合。即點101 在北半球時，從夏至到冬至或從冬至到夏至，法線觀與反射光線的角度(該光線為點101 至109方向，從點109出發(fā)和直線102重合的直線)，由33° 17'變化到56° 43'或由 56° 43'變化至33° 17'，二分時刻入射光線垂直于地軸平行線，法線觀與反射光線的角度為45°。本文中把從點109出發(fā)，與點101至109方向的地軸平行線的夾角呈45°的所有射線，所圍成的虛擬圓錐型曲面命名為“45°圓錐面”。法線觀在夏至?xí)r刻與“45°圓錐面”的角度為11° 43'，等同于法線觀與反射光線的角度33° 17'，冬至?xí)r刻與“45° 圓錐面”的角度為-11° 43'，即法線觀與反射光線的角度56° 43'，二分時刻法線觀與 “45°圓錐面”重合，即法線觀與反射光線的角度45°。
定向反射陽光的操作，⑴首先確定地表將要進(jìn)行陽光跟蹤與聚光地點的陽光高度角最大的時刻，該時刻精確至秒；即確定“最短時刻立面”；同陽光跟蹤的操作步驟(1)相同，并使直線102、直線104、直線106、線段113和法線28均在“最短時刻立面”中。(2)其次確定赤緯角及法線的角度，即法線與“45°圓錐面”的角度；實施聚光操作當(dāng)天，在“最短時刻立面”中使直線104與直線106的角度，和當(dāng)天點101 “正午時刻”的赤緯角ED1相同， 使法線觀與“45°圓錐面”的角度為赤緯角ED72。使法線觀在入射光線和反射光線之間。 (3)然后確定地軸平行線；同陽光跟蹤的操作步驟C3)相同。(4)最后與陽光同步驅(qū)動地軸平行線。以轉(zhuǎn)動一周一個真太陽日時間，從點109向點108看順時針勻速驅(qū)動直線102， 同時使法線觀與“45°圓錐面”的角度變化量為當(dāng)天赤緯角變化量/2，即法線觀與反射光線的角度變化量，始終是入射光線與地軸平行線的角度變化量的1/2，并且使法線觀相對于“45°圓錐面”的角度變化方向，同陽光與赤道平行面的角度變化方向相同。以上步驟 (3)至(4)操作5秒鐘內(nèi)完成。圖1中當(dāng)點101在南半球時，并且使用中國日歷為參考，以下二分二至均為北半球意義的二分二至，即位置105和位置110為北半球冬至南半球的夏至?xí)r刻，位置107和位置112為北半球夏至南半球的冬至?xí)r刻，反射光線為點101至109方向，從點109出發(fā)與直線102重合的光線。法線觀在南半球的冬至?xí)r刻與“45°圓錐面” 的角度為11° 43'，在南半球的夏至?xí)r刻與“45°圓錐面”的角度為-11° 43'，二分時刻與“45°圓錐面”重合。定向反射陽光的操作，(1)、(2), (3)步驟同北半球聚光操作相同。 (4)以轉(zhuǎn)動一周一個真太陽日時間，從點109向點108看逆時針以勻速且一周一個真太陽日時間驅(qū)動直線102，同時使法線觀與“45°圓錐面”的角度變化量，為當(dāng)天赤緯角變化量 /2，并且使法線觀相對于“45°圓錐面”的角度變化方向，同陽光與赤道平行面的角度變化方向相同。步驟⑶至⑷應(yīng)5秒鐘內(nèi)完成。
由以上原理及方法，本文中跟蹤式聚光設(shè)備的基本構(gòu)思是一個整體框架上有若干定向反光設(shè)備(使反射的陽光光線方向固定的設(shè)備)，每套定向反光設(shè)備包括一個在整體框架上的直立支架，一個直桿和所述直立支架通過軸相連，以及一個與轉(zhuǎn)動桿通過第三個軸連接的平面鏡，調(diào)節(jié)與直桿螺紋連接的轉(zhuǎn)動桿，可使平面鏡的反射光線與地軸平行線重合，當(dāng)平面鏡隨陽光方向同步旋轉(zhuǎn)時，在螺紋的作用下，轉(zhuǎn)動桿相對于直桿旋轉(zhuǎn)并軸向位移，即帶動平面鏡旋轉(zhuǎn)的同時，改變了其法線與地軸平行線的角度，使反射光線始終與地軸平行線重合，成為一條方向不變的光束，反射光線射到第二反射鏡上，第二反射鏡可以是平面鏡也可以是凹面鏡或凸透鏡。最終再射到需加熱的物體上，若干(指1個或2至10000 個之間)同樣的該定向反光設(shè)備組成的整體結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生工業(yè)或生活上的熱源。
作為實現(xiàn)所述基本構(gòu)思的第一種技術(shù)方案較合適的結(jié)構(gòu)為跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，一個整體框架，驅(qū)動設(shè)備，以及第二反射鏡，整體框架上包括若干套定向反光設(shè)備，每套所述定向反光設(shè)備包括一個在整體框架上的直立支架，一個可調(diào)整水平角度的直桿和所述直立支架通過軸相連，以及一個平面鏡，套在一起的轉(zhuǎn)動桿與所述直桿通過螺紋相連接，連成一體的所述平面鏡與可伸縮的支架的一端，通過第三個軸與轉(zhuǎn)動桿相連，可伸縮的支架的另一端通過第四個軸和旋轉(zhuǎn)支架相連，活動連接在支撐桿上端的旋轉(zhuǎn)支架，旋轉(zhuǎn)支架邊緣上的齒與所述驅(qū)動設(shè)備上的齒輪相互嚙合，支撐桿的下端與所述直桿相連。
作為實現(xiàn)所述基本構(gòu)思的第二種技術(shù)方案較合適的結(jié)構(gòu)為跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，一個整體框架，驅(qū)動設(shè)備，以及第二反射鏡，整體框架上包括若干套定向反光設(shè)備，每套所述定向反光設(shè)備包括一個在整體框架上的直立支架，一個可調(diào)整水平角度的直桿和直立支架通過軸相連，所述直桿上有一個小弧，一個可觀察陽光光線的觀察桿通過第二個軸與直桿相連，以及一個平面鏡，套在一起的轉(zhuǎn)動桿與所述直桿通過螺紋相連接，連成一體的所述平面鏡與可伸縮的支架的一端，通過第三個軸與轉(zhuǎn)動桿相連，可伸縮的支架的另一端通過第四個軸和旋轉(zhuǎn)支架相連，活動連接在支撐桿上端的旋轉(zhuǎn)支架，所述旋轉(zhuǎn)支架邊緣上的齒與所述驅(qū)動設(shè)備上的齒輪相互嚙合，支撐桿的下端與所述直桿相連。
作為所述兩種技術(shù)方案的一種改進(jìn)，轉(zhuǎn)動桿可以在所述直桿中，端部有凸起的螺桿在所述直桿上，螺桿端部凸起與所述轉(zhuǎn)動桿上螺紋的溝槽相嚙合，支撐桿的上端可以有一個支撐架，以及套在一起的支撐架與旋轉(zhuǎn)支架。
作為所述兩種技術(shù)方案的另一種改進(jìn)，所述支撐桿的上端可以是框架式支架，輪與框架式支架相連，輪可以在旋轉(zhuǎn)支架的凹槽中，所述驅(qū)動設(shè)備還可以在框架式支架上。
作為所述兩種技術(shù)方案的另一種改進(jìn)，所述直桿還可以在轉(zhuǎn)動桿中，旋轉(zhuǎn)支架可以在大輪的凹槽中，大輪和支撐桿的上端相連。
作為所述兩種技術(shù)方案的另一種改進(jìn)，所述直桿可以在轉(zhuǎn)動桿中，端部有凸起的螺桿在所述轉(zhuǎn)動桿上，螺桿端部凸起與所述直桿上螺紋的溝槽相嚙合。
作為所述兩種技術(shù)方案的另幾種改進(jìn)分別為所述驅(qū)動設(shè)備可以在所述整體框架上。所述螺桿與所述直桿通過螺紋連接。所述齒輪可以為蝸桿。固定設(shè)備可以在整體框架上。所述固定設(shè)備還可以在所述直桿上。
調(diào)整至正常運轉(zhuǎn)時，每套直立支架其確立的平面均相互平行且垂直于水平面，直桿在直立支架確立的垂直面中，通過軸調(diào)節(jié)與水平面的角度。直立支架可以由兩個相互連接的桿和弧組成，或其他形狀可用來使直桿在垂直面中調(diào)節(jié)與水平面的角度，三腳架型或半圓型等?？缮炜s的支架為至少兩個套在一起，能自由伸縮的桿或管，起伸縮作用的支架或桿。所述可伸縮的支架兩端有軸分別與旋轉(zhuǎn)支架、轉(zhuǎn)動桿連接，使可伸縮的支架能調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)動桿，軸向間的角度，以及調(diào)節(jié)與旋轉(zhuǎn)支架所在平面間的角度，(即旋轉(zhuǎn)支架所在的平面為赤道平行面，該第四個軸使可伸縮的支架，調(diào)節(jié)與旋轉(zhuǎn)支架所在的赤道平行面的角度)?？赊D(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)支架活動連接在支撐桿的另一端上，指弧型或0型支撐架包裹在旋轉(zhuǎn)支架上， 或旋轉(zhuǎn)支架的邊緣有凹槽型導(dǎo)軌，球型、輪型或桿型支撐架在凹槽型導(dǎo)軌中。本文中凡支撐旋轉(zhuǎn)支架的各種形狀物體均稱為支撐架。驅(qū)動設(shè)備的齒輪可以是蝸桿，旋轉(zhuǎn)支架可以是渦輪，和蝸桿形成渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動系，轉(zhuǎn)動桿垂直于旋轉(zhuǎn)支架的中心。驅(qū)動設(shè)備可以是電動機(jī)或彈性勢能等設(shè)備。轉(zhuǎn)動桿與直桿通過連續(xù)的螺紋連接，指轉(zhuǎn)動桿上或直桿上有連續(xù)的螺紋， 螺紋的溝槽可以為矩形，三角形或梯型，轉(zhuǎn)動桿上或直桿上有1個或2個以上個螺孔，用來在春分日調(diào)節(jié)法線與地軸平行線的角度。有一個螺桿旋入其中的一個螺孔，該螺桿端部有圓柱型、三角形或圓臺型凸起，該凸起與連續(xù)螺紋的溝槽剛好嚙合。
本文中各設(shè)備的結(jié)構(gòu)，各轉(zhuǎn)動或有相互位移關(guān)系的接觸零件均用同種材料制作以防氣溫變化而卡滯或松曠，尺寸公差配合應(yīng)合理，可為3 — 38微米，且涂有潤滑油，使所述轉(zhuǎn)動系的接觸零件相互不松曠又轉(zhuǎn)動自如，所用材料可以選用各種金屬、合金等材料。
有益效果由于其運用天體運動規(guī)律，所以無須電控設(shè)備，降低了成本，提高了太陽能應(yīng)用的意義。(一)圖3中是一種大規(guī)模聚光，高溫利用太陽能的設(shè)備，在整個聚光系統(tǒng)中，加熱物體及第二反射鏡37固定，只有平面鏡四的單軸轉(zhuǎn)動，因此具有實用、可操作的特點。實驗證明，只要操作得當(dāng)，其每一束反光光線長1000米時，全年光斑中心移動小于20 厘米。該設(shè)備適合工業(yè)生產(chǎn)中多種須加熱的領(lǐng)域，如太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域中的陽光聚光部分，熱力供暖單位的熱源等。將第二個反光鏡換成光導(dǎo)纖維可用于礦井的安全照明。如將第二反射鏡換成凹面鏡，可成為太陽灶，在其焦點處放置1個凹透鏡，可以使匯聚的光線成為一束方向不變的激光，該激光可以再用平面鏡反射到任意的方向上如圖5中的圖II。該結(jié)構(gòu)有利于整體集成，規(guī)?；瘧?yīng)用，和防風(fēng)由于是采用驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架，力矩小電機(jī)功率無須過大，所以通過連動桿或連動鏈可以由一個電機(jī)同時驅(qū)動10至20個定向反光設(shè)備，而現(xiàn)有的精確聚光設(shè)備其每一面平面鏡采用兩個電機(jī)和一個單片機(jī)，因此本結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于低成本，便于普及近而有利于減少溫室氣體排放，節(jié)能環(huán)保。且在惡劣氣象條件下，該整體集成結(jié)構(gòu)可由活動庫房快速遮蓋，便于保養(yǎng)維護(hù)，增強了可靠性。(二)地震預(yù)報，按上述圖1 原理及方法，一段時間后如無法正常跟蹤陽光，由于日地間運行的穩(wěn)定性，說明點101的地軸平行線發(fā)生改變成為準(zhǔn)地軸平行線，由于地表地軸平行線的唯一性，即說明點101所在的大地板塊發(fā)生位移或凸起、凹下。重新確定地軸平行線，統(tǒng)計地軸平行線改變的頻率，有利于地震預(yù)報(但點101在地表凸凹點的頂點時，可能其地軸平行線仍會和地軸平行，須附近其他位置的地軸平行線數(shù)據(jù)來綜合分析)。并且可以用來尋找地軸點，測定地球震顫率， 定位和歲差的研究。如用來天體的觀測，則保持地軸平行線102從北極向南極看的順時針，勻速轉(zhuǎn)動一周一個恒星日時間，同時再克服地球的公轉(zhuǎn)(360° +—恒星年)，觀測視線再從地表該點的地軸平行線102上出發(fā)，可提高觀測天體的精度。(三)導(dǎo)航及定位，按圖 1原理保持對陽光的跟蹤，一個能始終指向日心的桿與直線102平行連接，用來克服交通工具的自身姿態(tài)，當(dāng)交通工具地理位置改變時，直線102與水平面的角度及垂直方位相應(yīng)地變化，才能跟蹤陽光，從直線102與水平面的角度及垂直方位的變化值可得到緯度及經(jīng)度的變化。

圖1為陽光跟蹤方法的原理圖。圖2為日心與地心連線，同地表該點 101所在的經(jīng)度線相交時刻，地球的剖面圖。圖3為跟蹤式太陽能聚光設(shè)備的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖 (其中旋轉(zhuǎn)支架為剖面圖)。圖4為跟蹤式太陽能聚光設(shè)備的點9至點1方向俯視結(jié)構(gòu)圖。 圖5為跟蹤式太陽能聚光設(shè)備的立體簡化圖。圖6為跟蹤式太陽能聚光設(shè)備的一個實施例，點9至點1方向俯視結(jié)構(gòu)圖。圖7為跟蹤式太陽能聚光設(shè)備的另一實施例的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖(其中旋轉(zhuǎn)支架為剖面圖)。 具體實施方式
其中一種優(yōu)選的實施例為圖3，跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，一個整體框架21，驅(qū)動設(shè)備24，以及第二反射鏡37，整體框架21上包括若干套定向反光設(shè)備，每套所述定向反光設(shè)備包括一個在整體框架21上的直立支架，一個可調(diào)整水平角度的直桿14和所述直立支架通過軸1相連，以及一個平面鏡四，套在一起的轉(zhuǎn)動桿2與所述直桿14通過螺紋相連接，連成一體的所述平面鏡四與可伸縮的支架3的一端，通過第三個軸9與轉(zhuǎn)動桿2相連，可伸縮的支架3的另一端通過第四個軸38和旋轉(zhuǎn)支架35相連，活動連接在支撐桿19上端的旋轉(zhuǎn)支架35，所述旋轉(zhuǎn)支架35邊緣上的齒與所述驅(qū)動設(shè)備M上的齒輪22相互嚙合，支撐桿19的下端與所述直桿14相連。
轉(zhuǎn)動桿2在所述直桿14中，端部有凸起的螺桿15在所述直桿14上，螺桿15端部凸起與所述轉(zhuǎn)動桿2上螺紋的溝槽相嚙合，支撐桿19的上端有一個支撐架36，套在一起的支撐架36與旋轉(zhuǎn)支架35。
所述驅(qū)動設(shè)備M在所述整體框架21上。螺桿15與所述直桿14通過螺紋連接。 所述齒輪22為蝸桿。支撐架36套在旋轉(zhuǎn)支架35上。
首先說明各零件結(jié)構(gòu)的位置、相互關(guān)系和功能特性整體框架21其底座可調(diào)節(jié)至與水平面平行。其中直立桿13和水平桿沈為截面半圓相互垂直的整體，均連接大弧27組成直立支架，且直立桿13垂直于整體框架21的底座，軸1在直立支架上，直桿14通過軸1 和直立支架相連，能在直立支架確定的垂直于水平面的平面中，調(diào)節(jié)與水平面的角度，以上結(jié)構(gòu)均在垂直于整體框架21底座的同一平面內(nèi)。直桿14帶圓柱體空腔，轉(zhuǎn)動桿2和直桿 14以螺紋連接，且剛好在直桿14的圓柱體空腔中自由轉(zhuǎn)動。第三個軸9為轉(zhuǎn)動桿2上的軸，其軸心與轉(zhuǎn)動桿2的中心線相交?？缮炜s的支架3的一端與第一面平面鏡四相連成固定一體，平面鏡四的法線觀同可伸縮的桿3中心線的角度，即第三個軸9中心與第四個軸 38中心的連線，與法線觀的角度呈始終不變的(90+4 °角度，該固定一體處與第三個軸 9相連?？缮炜s的支架3的另一端，通過旋轉(zhuǎn)支架35上的第四個軸38與旋轉(zhuǎn)支架35的相連。旋轉(zhuǎn)支架35為外緣帶齒的0型支架，該齒與蝸桿22的齒嚙合。轉(zhuǎn)動桿2的中心線垂直于旋轉(zhuǎn)支架35所在的平面，垂足為旋轉(zhuǎn)支架35外圓的圓心。支撐桿19為一端和直桿14相連，另一端和支撐架36相連的桿。其中轉(zhuǎn)動桿2上有連續(xù)的螺紋，端部有一個圓柱型凸起的螺桿15與直桿14通過螺紋連接，直桿14 一端上有旋入螺桿15的螺孔，該螺孔為1個或2至M個之間，等距圍繞直桿14 一周，用來在春分日微調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動桿2與直桿14間的軸向伸縮量，即螺桿15旋入不同的螺孔，可以微調(diào)節(jié)法線觀與“45°圓錐面”的角度，且該螺孔中心點均在垂直于直桿14中心線的同一平面中，在本文中命名為“螺孔位置平面”。螺桿15端部圓柱型凸起與轉(zhuǎn)動桿2上螺紋的溝槽相嚙合。上位置16、下位置17以及兩者的中心位置30分別代表第三個軸9的中心在二至?xí)r刻位置以及二分時刻位置，轉(zhuǎn)動桿2上帶螺紋部分的桿的位置由以下來確定，即第三個軸9中心在上位置16時，螺紋的下端點位置 32(簡稱下位3 在“螺孔位置平面”中，第三個軸9中心在下位置17時，螺紋的上端點位置31(簡稱上位31)在“螺孔位置平面”中，第三個軸9中心在中心位置30時，螺紋的中心位置33 (簡稱中位3 在“螺孔位置平面”中。第三個軸9中心從上位置16到下位置17， 可伸縮的支架3以第四個軸38的中心為軸心走過的角度為23° 26'，當(dāng)?shù)谌齻€軸9中心在中心位置30處，可伸縮的支架3正好垂直于轉(zhuǎn)動桿2，第三個軸9中心從中心位置30到上位置16、與從中心位置30到下位置17，可伸縮的支架3以第四個軸38的中心為軸心均轉(zhuǎn)過11° 43'。以第四個軸38中心為起點至轉(zhuǎn)動桿2中心線的垂直距離設(shè)定為R，則根據(jù)三角函數(shù)定理可知，以下四段長度上位置16到中心位置30的距離、中心位置30到下位置17的距離、下位32到中位33的桿長同中位33到上位31的桿長均為RXtgir 43'。 轉(zhuǎn)動桿2上的螺紋為連續(xù)的單線螺紋，是外螺紋，轉(zhuǎn)動桿2上的牙25為矩形牙型，其公稱直徑即大徑和轉(zhuǎn)動桿2的直徑相等，小徑和中徑無特殊要求，桿2為兩種形式即其旋向為左旋螺紋型和右旋螺紋型兩種桿，從通過螺紋軸線的斷面上看，溝槽為矩形，其每個溝槽的形狀和尺寸完全一樣，每個牙形的高度相等而牙形的寬度不相等，螺距為牙寬加溝槽的寬度即相鄰兩牙在中徑線上對應(yīng)兩點間的軸向距離，該溝槽的寬度應(yīng)小于轉(zhuǎn)動桿2上螺紋的最小的一圈完整螺距，為最小的一圈完整螺距的1/5至4/5之間。驅(qū)動設(shè)備M在所述整體框架 21上，齒輪22通過傳動裝置23受驅(qū)動，直桿14上有固定設(shè)備39。
該設(shè)備用于北半球，從冬至到夏至即第三個軸9的中心從下位置17到上位置16， 對應(yīng)上位31到下位32上連續(xù)的181+3/4圈螺紋，該螺紋為，從第三個軸9向軸1方向看順時針驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35，轉(zhuǎn)動桿2相對于直桿14伸出型的螺紋，即左旋螺紋冬至到春分第三個軸9中心從下位置17到中心位置30，對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿2上的上位31到中位33上連續(xù)的89圈螺紋。中位33至上位31之間，中位33開始的第1圈螺紋的螺距為RX tg[-ED (y89) /2]，第2 圈螺距為 RXtg[-ED(y88)/2]-RXtg[-ED(y89)/2]，第 3 圈螺距為 RXtg[-ED(y87)/2]-RX tg[-ED(y88)/2]。設(shè)η為大于或等于1的整數(shù)，所以第η圈為RX tg {-ED [y (90-η) ]/2}-R X tg {-ED [y (90- n +1) ] /2}，本文將中位33開始的到上位31或下位32，與此數(shù)據(jù)相同的連續(xù)螺紋的螺距命名為“ Π型螺距”。春分到夏至第三個軸9中心從中心位置30到上位置16， 對應(yīng)中位33到下位32上連續(xù)的92+3/4圈螺紋。中位33至下位32之間，中位33開始的第1 圈螺紋的螺距為 RXtg[ED (y91) /2]，第 2 圈螺距為 RXtg [ED (y92) /2] -RXtg [ED (y91) /2]， 第3圈螺距為RXtg [ED (y93) /2] -RX tg [ED (y92) /2]，設(shè)μ為大于或等于1的整數(shù)，所以第 μ 圈為 RX tg {ED [y (90+ μ ) ] /2} -RXtg {ED [y (90+ μ -1) ] /2}，(3/4 圈螺紋不是整數(shù)無須制造出，布置在轉(zhuǎn)動桿2螺紋下位32處即可，對應(yīng)夏至或冬至當(dāng)天)本文將中位33開始的到上位31或下位32，與此數(shù)據(jù)相同的連續(xù)螺紋的螺距命名為“μ型螺距”。夏至到冬至第三個軸9中心從上位置16到下位置17，對應(yīng)下位32到上位31上連續(xù)的183+1/2圈螺紋，該螺紋為，從第三個軸9向軸1方向看順時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動桿2，轉(zhuǎn)動桿2相對于直桿14為縮入型的螺紋，即右旋螺紋。夏至到秋分第三個軸9中心從上位置16到中心位置30，對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿2 上的下位32到中位33上連續(xù)的93+2/3圈螺紋，中位33至下位32之間，中位33開始的第1 圈螺紋的螺距為 RXtg[ED (B93) /2]，第 2 圈螺距為 RXtg[ED (B92) /2]-RXtg[ED (B93) /2]， 第3圈螺距為RXtg[ED(B91)/2]-RXtg[ED(B92)/2]。設(shè)ρ為大于或等于1的整數(shù)，所以第 ρ 圈為 RX tg {ED [B (94-p) ] /2} -RXtg {ED [B (94-p+l) ]/2}，(2/3 圈螺紋無須計算，布置在轉(zhuǎn)動桿2螺紋下位32處即可，對應(yīng)夏至或冬至當(dāng)天)本文將中位33開始的到上位31或下位 32，與此數(shù)據(jù)相同的連續(xù)螺紋的螺距命名為“ρ型螺距”。秋分到冬至第三個軸9中心從中心位置30到下位置17，對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿2上的中位33到上位31上連續(xù)的89+5/6圈螺紋，中位 33至上位31之間，中位33開始的第1圈螺紋的螺距為RXtg[-ED(B95)/2]，第2圈螺距為 RXtg[-ED(B96)/2]-RXtg[-ED(B95)/2]，第 3 圈螺距為 RXtg[-ED(B97)/2]-RXtg[-ED(B 96) /2]。設(shè)d為大于或等于1的整數(shù)，所以第d圈為RX tg {-ED [B (94+d) ] /2} -RXtg {-ED [B (94+d-l)]/2}，(5/6圈螺紋不是整數(shù)無須計算，布置在上位31處即可，對應(yīng)夏至或冬至當(dāng)天)本文將中位33開始的到上位31或下位32，與此數(shù)據(jù)相同的連續(xù)螺紋的螺距命名為“d 型螺距”。即轉(zhuǎn)動桿2螺紋為左旋和右旋兩種螺紋，夏至到冬至和冬至到夏至須更換左旋和右旋這兩種螺紋的轉(zhuǎn)動桿2。
該設(shè)備用于南半球，從南半球夏至到南半球冬至第三個軸9中心從上位置16到下位置17，對應(yīng)下位32到上位31上連續(xù)的181+3/4圈螺紋，該螺紋為，從第三個軸9向軸1 方向看逆時針驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35，轉(zhuǎn)動桿2相對于直桿14縮入型的螺紋，即左旋螺紋。則第三個軸9從上位置16到中心位置30，對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿2上的下位32到中位33上連續(xù)的89圈螺紋，中位33至下位32之間，中位33開始的第1圈螺紋的螺距為RXtg[-ED(y89)/2]，第 2 圈螺距為 RXtg[-ED(y88)/2]-RXtg[-ED(y89)/2]，第 3 圈螺距為 RXtg[-ED(y87)/2]-R Xtg[-ED(y88)/2]。設(shè)η為大于或等于1的整數(shù)，所以第η圈為RX tg {-ED [y (90-η) ]/2 }-RXtg{-ED[y(90-η+1)]/2}，即“ n型螺距”。同理第三個軸9中心從中心位置30到下位置17，對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿2上的中位33到上位31上連續(xù)的92+3/4圈螺紋，即“ μ型螺距”。南半球冬至到南半球夏至，第三個軸9中心從下位置17到上位置16，對應(yīng)上位31到下位32 上連續(xù)的183+1/2圈螺紋，該螺紋為，從第三個軸9向軸1方向看逆時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動桿2，其相對于直桿14為伸出型的螺紋，即右旋螺紋。第三個軸9中心從下位置17到中心位置30，對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿2上的上位31到中位33上連續(xù)的93+2/3圈螺紋，即“ρ型螺距”。第三個軸9中心從中心位置30到上位置16，對應(yīng)轉(zhuǎn)動桿2上的中位33到下位32上連續(xù)的89+5/6圈螺紋，即“d型螺距”。
(二)圖3的操作方式，1、當(dāng)在北半球時，使以軸1為軸的直桿14與地表該點的地軸平行線重合，并且固定直桿14。(1)在實施跟蹤聚光當(dāng)天的前一天，確定“最短時刻立面”，并且使整體框架21的底座水平，且使定向反光設(shè)備中的平面鏡四的法線觀、直桿14、 立桿13與水平桿沈及大弧27組成的直立支架均在“最短時刻立面”中；同理其他設(shè)備的相應(yīng)各個桿均在各自“最短時刻立面”中，因為距離近，可以認(rèn)為各“最短時刻立面”平行設(shè) RD為地球半徑則地表同緯度每間隔“距離S”= 2 π R Dsin (90-緯度角)/ ( X 60 X 60+ Δ S) 其“最短時刻立面”之間相差一秒的時間，當(dāng)各“最短時刻立面”在東西方向上的距離在“距離S”之內(nèi)，可以認(rèn)為各“最短時刻立面”平行，例如在赤道“距離S” = 463. 84米而在南緯或北緯60° “距離S” = 231. 538米。(2)實施跟蹤的當(dāng)天，在軸1的“正午時刻”之前，將螺桿15旋入直桿14上的任一個螺孔中，驅(qū)動聚光設(shè)備中的所有旋轉(zhuǎn)支架35，如是冬至后第 η天，則將上位31后，第η圈螺紋與“螺孔位置平面”相交，(且使用“ η型螺距”和“ μ型螺距”的左旋螺紋轉(zhuǎn)動桿)。并使直桿14中心線與水平面的角度為軸1所在地的緯度值。 (3)固定和軸1相連，整體聚光設(shè)備中的所有的直桿14。這時桿14應(yīng)和南極至北極方向相同。2、當(dāng)?shù)竭_(dá)軸1的“正午時亥Γ’時，從軸9向軸8看順時針，以轉(zhuǎn)動一周一個真太陽日時間或一周M小時時間勻速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35，(使用北半球左旋螺紋。反之如是北半球夏至后，從第三個軸9向軸1看順時針驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35，使用轉(zhuǎn)動桿2相對直桿14為縮入型的 “P型螺距”和“d型螺距”的螺紋即北半球右旋螺紋)，旋轉(zhuǎn)支架35的邊緣可以有MX60個齒，驅(qū)動設(shè)備M帶動蝸桿22每58秒開始轉(zhuǎn)動，每次轉(zhuǎn)動一周用時2秒，使旋轉(zhuǎn)支架35轉(zhuǎn)過一個齒即每個齒對應(yīng)360° /(MX60)角度。當(dāng)然驅(qū)動設(shè)備M通過傳動裝置23帶動蝸桿22，也可以不間歇方式驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35更能提高精度，即驅(qū)動設(shè)備M中可以有類似石英鐘的減速齒輪機(jī)構(gòu)。
3、步驟2操作在5秒鐘之內(nèi)完成，可得到反射光線34。調(diào)節(jié)可連接在整體框架21 上的第二反射鏡37，使反射光線最終照射到需加熱的物體表面。然后在無陽光的日落時或陰天時，停止驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35，第二天或晴天時順時針快速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35，旋轉(zhuǎn)支架35 應(yīng)快速轉(zhuǎn)過的角度與停止的時間段的關(guān)系是15°對應(yīng)1小時，當(dāng)法線觀同陽光與地軸平行線相交所確立的平面重合時，即當(dāng)光斑再次照射到加熱物體表面時，再以一周一個真太陽日順時針驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35，即驅(qū)動設(shè)備M可以是雙速的變速機(jī)構(gòu)。6、當(dāng)?shù)竭_(dá)夏至?xí)r刻后， 即第三個軸9中心到達(dá)位置16后，須旋出螺桿15，將轉(zhuǎn)動桿2更換成北半球右旋螺紋，即使用“P型螺距”和“d型螺距”的右旋螺紋，如此往復(fù)。當(dāng)?shù)乇睃c101在南半球時同理，只是轉(zhuǎn)動桿2須選用南半球左旋螺紋或南半球右旋螺紋。每日校正和春分日校正，每天到達(dá)軸 1當(dāng)天“正午時刻”，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)支架35使平面鏡四的法線觀在“最短時刻立面”中，旋轉(zhuǎn)支架35的邊緣及支撐架36上均有標(biāo)記來確定法線觀是否在直立支架的垂直立面中，然后以一周一個真太陽日驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35。同理春分日，螺桿15旋入不同的螺孔，直至使法線觀與“45°圓錐面”的角度接近理論值，可使反射光更精確地聚光。
其中另一種優(yōu)選的實施例為圖7，改進(jìn)之處如下，所述直桿14上有一個小弧18，一個可觀察陽光光線的觀察桿4通過第二個軸8與直桿14相連。小弧18是以觀察桿4為半徑(設(shè)為r)在直桿14上的圓弧，小弧18上前位置5和后位置7為二至?xí)r分位置，弧中位置6為二分時分位置，并且觀察桿4從前位置5到后位置7走過的角度為46° 52'，觀察桿4到弧中位置6時，正好垂直于直桿14。所述直桿14在轉(zhuǎn)動桿2中，端部有凸起的螺桿 15在所述轉(zhuǎn)動桿2上，端部有凸起的螺桿15與所述轉(zhuǎn)動桿2通過螺紋連接，螺桿15端部凸起與所述直桿14上螺紋的溝槽相嚙合。直桿14上有連續(xù)的螺紋。
支撐桿19的下端與直桿14相連，旋轉(zhuǎn)支架35在大輪43的凹槽中，大輪43和支撐桿19的上端相連。所述整體框架21上有一個固定設(shè)備39。即轉(zhuǎn)動桿2套在直桿14上， 剛好可自由轉(zhuǎn)動，直桿14在半圓鍵42處分為同軸心的兩段，直桿14與轉(zhuǎn)動桿2同軸心。
該設(shè)備用于北半球，從冬至到夏至第三個軸9中心從下位置17到上位置16，對應(yīng)下位32到上位31上連續(xù)的181+3/4圈螺紋，該螺紋為，從第三個軸9向軸1方向看順時針驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架35，轉(zhuǎn)動桿2相對于直桿14伸出型的螺紋，即左旋螺紋。則第三個軸9從下位置17到中心位置30，對應(yīng)直桿14上的下位32到中位33上連續(xù)的89圈螺紋，中位33 至下位32之間，中位33開始的第1圈螺紋的螺距為RXtg[-ED(y89)/2]，第2圈螺距為R Xtg[-ED(y88)/2]-RXtg[-ED(y89)/2]，所以第 η 圈為 RXtg{-ED[y (90- n)]/2}-RXtg{ -ED[y (90-η+1)]/2}，即“ η型螺距”。同理第三個軸9中心從中心位置30到上位置16，對應(yīng)中位33到上位31上連續(xù)的92+3/4圈螺紋，即“ μ型螺距”。北半球夏至到冬至，第三個軸9中心從上位置16到下位置17，對應(yīng)上位31到下位32上連續(xù)的183+1/2圈螺紋，該螺紋為，從第三個軸9向軸1方向看順時針旋轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn)動的桿2，桿2相對于直桿14為縮入型的螺紋，即右旋螺紋。第三個軸9中心從上位置16到中心位置30，對應(yīng)上位31到中位33上連續(xù)的93+2/3圈螺紋，BP"ρ型螺距”。第三個軸9中心從中心位置30到下位置17，對應(yīng)直桿14上的中位33到下位32上連續(xù)的89+5/6圈螺紋，S卩“d型螺距”。該設(shè)備用于南半球， 從南半球夏至到南半球冬至第三個軸9中心從上位置16到下位置17，對應(yīng)上位31至下位 32上連續(xù)的181+3/4圈螺紋，該螺紋為，從第三個軸9向軸1方向看逆時針驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架 35，轉(zhuǎn)動桿2相對于直桿14縮入型的螺紋，即左旋螺紋。則第三個軸9中心從上位置16到中心位置30，對應(yīng)上位31到中位33上連續(xù)的89圈螺紋，即“ η型螺距”。同理第三個軸9 中心從中心位置30到下位置17，對應(yīng)中位33到下位32上連續(xù)的92+3/4圈螺紋，即“ μ型螺距”。南半球冬至到南半球夏至，第三個軸9中心從下位置17到上位置16，對應(yīng)下位32 到上位31上連續(xù)的183+1/2圈螺紋，該螺紋為，從第三個軸9向軸1方向看逆時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動桿2，轉(zhuǎn)動桿2相對于直桿14為伸出型的螺紋，即右旋螺紋。第三個軸9從下位置17到中心位置30，對應(yīng)下位32到中位33上連續(xù)的93+2/3圈螺紋，即“ρ型螺距”。第三個軸9 中心從中心位置30到上位置16，對應(yīng)中位33到上位31上連續(xù)的89+5/6圈螺紋，即“d型螺距”。圖7的操作方式，同具體實施方式
中圖3的操作步驟不同在于步驟2 觀察桿4用來矯正地球自轉(zhuǎn)的向心力對鉛垂線方向的影響。計算當(dāng)天的赤緯角ED1，并使觀察桿4指在小弧18上的相應(yīng)位置上，使觀察桿4與直線6 (弧中位置6與第二個軸8中心的連線) 的角度同赤緯角相同，又可通過測量弧長，使觀察桿4指在小弧18上，相對于弧中位置6的 2JirX[(赤緯角EDO/SeO。]處。當(dāng)?shù)竭_(dá)軸1 “正午時刻”，微調(diào)節(jié)和軸1相連，整體聚光設(shè)備中所有的直桿14，直至觀察桿4與陽光平行時(觀察桿4在直桿14上無陰影)。
作為上述二種優(yōu)選的實施例另一種實施方式改進(jìn)之處如下，圖6跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，所述支撐桿19的上端是框架式支架40，輪41與框架式支架40相連，輪41在旋轉(zhuǎn)支架35的凹槽中，所述驅(qū)動設(shè)備M在框架式支架40上，固定設(shè)備39在所述整體框架21 上。
作為上述二種優(yōu)選的實施例另一種實施方式改進(jìn)之處如下，所述直桿14在轉(zhuǎn)動桿2中，旋轉(zhuǎn)支架35在大輪43的凹槽中，大輪43和支撐桿19的上端相連，固定設(shè)備39在所述直桿14上。
作為上述二種優(yōu)選的實施例另一種實施方式改進(jìn)之處如下，所述第二反射鏡37 與其他所述設(shè)備均不相連。
作為上述二種優(yōu)選的實施例另一種實施方式改進(jìn)之處如下，所述支撐架36在旋轉(zhuǎn)支架35的凹槽中。
作為上述二種優(yōu)選的實施例另一種實施方式改進(jìn)之處如下，所述驅(qū)動設(shè)備M的
15齒輪可以是蝸桿，旋轉(zhuǎn)支架35可以是渦輪，和蝸桿22形成渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動系，轉(zhuǎn)動桿2垂直于旋轉(zhuǎn)支架35外圓的中心。
作為圖6實施例另一種實施方式改進(jìn)之處如下，所述旋轉(zhuǎn)支架35在輪41的凹槽中。
作為圖6實施例另一種實施方式改進(jìn)之處如下，所述支撐桿19的上端是框架式支架40，輪41與旋轉(zhuǎn)支架35相連，輪41在框架式支架40的凹槽中，所述驅(qū)動設(shè)備M在框架式支架40上。
當(dāng)然，所述跟蹤式聚光設(shè)備的連接不局限于上述形式，所述各結(jié)構(gòu)特征互換得到的設(shè)備，只要其用于跟蹤陽光并聚光均屬于本發(fā)明將要保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，包括一個整體框架(21)，驅(qū)動設(shè)備04)，以及反射鏡(37)， 整體框架上包括若干套定向反光設(shè)備，每套所述定向反光設(shè)備包括一個在整體框架 (21)上的直立支架，直桿(14)通過軸(1)和直立支架相連，能在直立支架確定的垂直于水平面的平面中，調(diào)節(jié)與水平面的角度，以及一個平面鏡( )，其特征在于轉(zhuǎn)動桿( 和直桿 (14)以螺紋連接，且剛好在直桿(14)的圓柱體空腔中自由轉(zhuǎn)動，可伸縮的支架(3)的一端與平面鏡09)相連成固定一體，該固定一體處通過第三個軸(9)與轉(zhuǎn)動桿( 相連，可伸縮的支架(3)的另一端通過第四個軸(38)和旋轉(zhuǎn)支架(3 相連，活動連接在支撐桿(19) 上端的旋轉(zhuǎn)支架(35)，所述旋轉(zhuǎn)支架(3 邊緣上的齒與所述驅(qū)動設(shè)備04)上的齒輪02) 相互嚙合，支撐桿(19)的下端與所述直桿(14)相連，對螺紋進(jìn)行調(diào)整，使轉(zhuǎn)動桿(2)旋入直桿(14)的長度與每日的中國日歷相對應(yīng)，并使直桿(14)與地軸平行，同時旋轉(zhuǎn)支架(35) 以轉(zhuǎn)動一周一個真太陽日時間或一周M小時勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動桿(2)的中心線垂直于旋轉(zhuǎn)支架(3 所在的平面，垂足為旋轉(zhuǎn)支架(3 外圓的圓心。
2.跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，包括一個整體框架(21)，驅(qū)動設(shè)備04)，以及反射鏡(37)， 整體框架上包括若干套定向反光設(shè)備，每套所述定向反光設(shè)備包括一個在整體框架 (21)上的直立支架，直桿(14)通過軸(1)和直立支架相連，能在直立支架確定的垂直于水平面的平面中，調(diào)節(jié)與水平面的角度，所述直桿(14)上有一個小弧(18)，一個可觀察陽光光線的觀察桿(4)通過第二個軸(8)與直桿(14)相連，以及一個平面鏡( )，其特征在于轉(zhuǎn)動桿⑵和直桿(14)以螺紋連接，且剛好在直桿(14)的圓柱體空腔中自由轉(zhuǎn)動，可伸縮的支架(3)的一端與平面鏡09)相連成固定一體，該固定一體處通過第三個軸(9)與轉(zhuǎn)動桿( 相連，可伸縮的支架(3)的另一端通過第四個軸(38)和旋轉(zhuǎn)支架(3 相連，活動連接在支撐桿(19)上端的旋轉(zhuǎn)支架(35)，所述旋轉(zhuǎn)支架(3 邊緣上的齒與所述驅(qū)動設(shè)備 (24)上的齒輪0 相互嚙合，支撐桿(19)的下端與所述直桿(14)相連，對螺紋進(jìn)行調(diào)整， 使轉(zhuǎn)動桿( 旋入直桿(14)的長度與每日的中國日歷相對應(yīng)，并使直桿(14)與地軸平行， 同時旋轉(zhuǎn)支架(35)以轉(zhuǎn)動一周一個真太陽日時間或一周M小時勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動桿的中心線垂直于旋轉(zhuǎn)支架(3 所在的平面，垂足為旋轉(zhuǎn)支架(3 外圓的圓心。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，其特征在于轉(zhuǎn)動桿( 在所述直桿(14)中，端部有凸起的螺桿(1 在所述直桿(14)上，螺桿(1 端部凸起與所述轉(zhuǎn)動桿 (2)上螺紋的溝槽相嚙合，支撐桿(19)的上端有一個支撐架(36)，以及支撐架(36)套在旋轉(zhuǎn)支架(35)上。
4.如權(quán)利要求
1或2所述的跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，其特征在于所述支撐桿(19)的上端是框架式支架(40)，輪與框架式支架00)相連，輪在旋轉(zhuǎn)支架(3 的凹槽中，所述驅(qū)動設(shè)備04)在框架式支架00)上。
5.如權(quán)利要求
1或2所述的跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，其特征在于所述直桿(14)在轉(zhuǎn)動桿中，旋轉(zhuǎn)支架(35)在大輪03)的凹槽中，大輪G3)和支撐桿(19)的上端相連。
6.如權(quán)利要求
1或2所述的跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，其特征在于所述直桿(14)在轉(zhuǎn)動桿O)中，端部有凸起的螺桿(1 在所述轉(zhuǎn)動桿( 上，螺桿(1 端部凸起與所述直桿 (14)上螺紋的溝槽相嚙合。
專利摘要
陽光跟蹤與聚光方法和跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，屬太陽能高溫應(yīng)用領(lǐng)域，可用于工業(yè)生產(chǎn)及生活中加熱的熱源。是非電控跟蹤式太陽能聚光設(shè)備，主要用來解決電控式高溫太陽爐設(shè)備，成本較高的問題。轉(zhuǎn)動桿(2)與平面鏡(29)軸連接，可伸縮的支架(3)一端與旋轉(zhuǎn)支架(35)軸連接，另一端與第一面平面鏡(29)連接。首先使轉(zhuǎn)動桿(2)與地球的地軸平行，其次使法線(28)與桿(2)上45°圓錐曲面的角度為當(dāng)天赤緯角的1/2，到達(dá)陽光高度角最大時刻，該時刻精確到秒，與陽光同步驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支架(35)，得到和桿(2)重合的方向不變的反射光線(34)，若干該設(shè)備達(dá)到聚光加熱作用。
文檔編號F24J2/38GKCN101551164 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200810149880
公開日2012年4月18日 申請日期2008年10月6日
發(fā)明者曹宏海 申請人:曹宏海導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (1),