專(zhuān)利名稱(chēng)：分立式全天跟蹤太陽(yáng)灶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能收集及熱能應(yīng)用的裝置。用于太陽(yáng)炊灶及其他太陽(yáng)熱能應(yīng)用方面。
背景技術(shù)：
本文主要發(fā)明者從2001年至2005年連續(xù)在國(guó)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了六篇文章，提出了作者發(fā)明的新異數(shù)碼光學(xué)原理，闡述了由此所衍生出的無(wú)光象跟蹤聚光理論，并且報(bào)告了該理論在高溫爐、中央系統(tǒng)太陽(yáng)能聚光以及食品工業(yè)方面的應(yīng)用。我們研究成功的分立式全天跟蹤太陽(yáng)灶，作為新異數(shù)碼光學(xué)和跟蹤聚光理論的一個(gè)重要應(yīng)用，并沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表。非分立式太陽(yáng)灶具有簡(jiǎn)單廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，但其不可克服的缺點(diǎn)如灶具必需隨太陽(yáng)而運(yùn)動(dòng)，功率小，極易受破壞等等大大限制了太陽(yáng)灶的應(yīng)用與推廣。分立式太陽(yáng)灶有潛力制造成大型裝置，但它的設(shè)計(jì)受到了太陽(yáng)光斑的像差變化以及復(fù)雜的跟蹤模式的限制而在市場(chǎng)上幾乎很少有商業(yè)產(chǎn)品。本發(fā)明是在基礎(chǔ)理論突破后的一個(gè)應(yīng)用，它解決了分立式太陽(yáng)灶的像差變化以及跟蹤的兩大難題，從而可望在市場(chǎng)上提供一個(gè)可靠而廉價(jià)的新的太陽(yáng)灶產(chǎn)品。此系統(tǒng)的方向優(yōu)化設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的，可以大大簡(jiǎn)化設(shè)備，提高太陽(yáng)能利用率。本發(fā)明的制作原理是創(chuàng)新而獨(dú)一的，這是本專(zhuān)利申請(qǐng)的理由。
本發(fā)明的原理的說(shuō)明1)發(fā)明裝置的示意一是分立式全天跟蹤太陽(yáng)灶的示意圖，裝置由太陽(yáng)能接收鏡面及二次反射鏡兩部分組成。接收鏡面采用特殊曲面以保證聚光效果。中間距離為接收反射曲面的焦距。曲面的自旋軸朝向目標(biāo)即二次反射鏡面。聚光后的太陽(yáng)能射向目標(biāo)，二次反射鏡將光束反射至垂直或接近垂直方向。灶具則可以用與其他加熱方法一樣的方式放置。
1)跟蹤的原理分立式太陽(yáng)灶不僅需具備聚光能力，而且能夠精確地跟蹤。傳統(tǒng)的跟蹤方式利用了仰角-方位角公式，這個(gè)跟蹤方法與本發(fā)明所使用的曲面不協(xié)調(diào)，使本發(fā)明的曲面聚光板的優(yōu)越性無(wú)法發(fā)揮出來(lái)。為了解決這個(gè)困難，發(fā)明者推導(dǎo)出一種新的朝向目標(biāo)的太陽(yáng)跟蹤公式(仰角-自旋角跟蹤公式)，仰角是θ=π4-12ArcSin-CosδCosω(SinλCosΦ+CosλCosφSinΦ)-CosδSinωCosλSinφ+Sinδ(CosλCosφCosΦ-SinΦSinλ)]]>自旋角是ρ=ArcSin{-CosδCosωSinφSinΦ+CosδSinωCosφ+SinδSinφCosΦCosβ}]]>δ - 恒星方位偏角Φ - 緯度φ - 面向角λ - 目標(biāo)角ω - 恒星時(shí)以上公式中的參數(shù)由圖二定義。
以上公式是應(yīng)用于-般情況的，在太陽(yáng)灶的應(yīng)用上，我們可以進(jìn)行一些重要的簡(jiǎn)化，1)φ＝π，就是說(shuō)，接收器鏡面朝南設(shè)置，并且，2)Φ-λ＝0，就是說(shuō)自旋方向指向當(dāng)?shù)乇睒O，代入以上公式并進(jìn)行運(yùn)祘，可以得到ρ＝-ω(1)θ=π4+δ2---(2)]]>公式(1)明確地表示了，在北極設(shè)置的方向上，太陽(yáng)灶接收器的自旋速度是二十四小時(shí)/日的時(shí)鐘速率，而公式(2)則表明仰角調(diào)整只同恒星方位偏角有關(guān)，在每日的運(yùn)轉(zhuǎn)中可以認(rèn)為是常數(shù)。這就給本發(fā)明的太陽(yáng)灶的太陽(yáng)跟蹤提供了大大的方便。單軸的時(shí)鐘速率的運(yùn)動(dòng)是本發(fā)明的可靠性及廉價(jià)性的一個(gè)原因。
2)聚光原理乞今所使用的聚光反射鏡面大多是二次曲面，他們?cè)诓煌廨S的情況下，當(dāng)入射角變化時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)很大的像差，也就是說(shuō)其太陽(yáng)光斑會(huì)比較大從而影響太陽(yáng)熱能的利用。本發(fā)明的聚光使用了發(fā)明者提出的新的曲面，它的曲面方程不再是二次，而是包含了偶次項(xiàng)及奇次項(xiàng)的多次方程。在本專(zhuān)利申請(qǐng)中，我們使用了這個(gè)理論中的兩個(gè)特例的曲面曲面1Z＝6.17×10-5X2-9.22×10-9X3+8.42×10-13X4+1.02×10-16X5-7.13×10-20X6+1.12×10-4Y2-4.27×10-12Y4+3.72×10-19Y6(3)此曲面用于每年的九月八日至四月四日。
曲面2Z＝4.96×10-5X2-8.85×10-9X3+1.41×10-12X4-1.46×10-16X5-1.36×10-20X6+1.40×10-4Y2-8.25×10-12Y4+1.12×10-18Y6(4)此曲面用于每年的四月五日至九月七日。新的曲面能夠給出相當(dāng)集中并且時(shí)間上的均勻光斑，是本發(fā)明的可靠性及廉價(jià)性的另一個(gè)原因3)二次反射鏡原理如圖-所示，二次反射鏡的角度是同當(dāng)?shù)鼐暥扔嘘P(guān)的，與水平面的夾角符合公式λ=π4-Φ2---(5)]]>以保證反射光束垂直反射而方便灶具的安裝。反射鏡是用高反射率的玻璃鏡面組成以達(dá)到少損失及耐用的目的。隨之帶耒的玻璃鏡面易炸裂的問(wèn)題是由使用多片小鏡片的方法克服的。本發(fā)明己從理論及實(shí)驗(yàn)中取得鏡片大小的數(shù)據(jù)。當(dāng)使用鏡片為一毫米厚的情況下，鏡片的面積可在4平方厘米到8平方厘米之間。理想的排列是反射鏡中央使用更小型鏡片(4平方厘米)，而其他部位使用較大型(8平方厘米)。用此原理設(shè)計(jì)的二次反射鏡面基本上不會(huì)因?yàn)楣馐^(guò)分集中或操作中的濺水、雜物的原因而炸裂。
本發(fā)明的應(yīng)用舉例發(fā)明者己按照以上原理制造成樣機(jī)，其樣機(jī)的部分照片如圖三所示。接收器面積為1平方米，與二次反射鏡之問(wèn)距離為3米。圖三是在有陽(yáng)光的時(shí)間內(nèi)所攝，(當(dāng)天的最高日照為780瓦/平方米)用其煮沸的開(kāi)水蒸汽可以直觀(guān)看出接收反射鏡在跟綜的同時(shí)聚集太陽(yáng)光束的情形。
圖四則給出了一天中不同時(shí)間的太陽(yáng)光斑的太小比較的照片。
從圖五的照片可以看出，二次反射鏡在很集中的太陽(yáng)光束下沒(méi)有炸裂，并且在潑上冷水的情況下也沒(méi)有炸裂，照片上的許多亮點(diǎn)是潑上的水珠。
附錄申請(qǐng)人近期發(fā)表的有關(guān)文獻(xiàn)(Y.T.Chen系陳應(yīng)天)Y.T.Chen，et al Non-Imaging Focusing Heliostat.Journal of Solar Energy，Vol.71/3，155-164，2001.
Y.T.Chen，et al Report of the First Prototype of Non-Imaging FocusingHeliostat and Its Application in High Temperature Solar Furnace？Journal ofSolar Energy，Vol.72，No.6，531-544，2002.
Y.T.Chen，et al，Study of Residual Aberration of Non-Imaging FocusingHeliostat？Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells，Vol.79，1-20，2003.
Y.T.Chen，et al，High Precision(1 part in 104)Reflectivity Measurement forthe Study of Reflective Materials Used in Solar Collectors.Journal of SolarEnergy Materials and Solar Cells，Vol.80，305-314，2003.
Y.T.Chen，et al，Comparison of Two Sun Tracking Methods in theApplications of Heliostat Field？Journal of Solar Energy Engineering，Vol.126，1-7，2004.
Y.T.Chen，et al，Report on the Second Prototype of Non-Imaging FocusingHeliostat and Its Application in Food Processing.Journal of Solar Energy，inpress.
權(quán)利要求
1.一種收集太陽(yáng)熱能的的裝置，其裝置為分立式的接收器及二次反射鏡兩部分。太陽(yáng)接收器是由定點(diǎn)跟綜的聚焦反射鏡面組成；位于反射鏡焦點(diǎn)的二次反射鏡則將光束反射成垂直或接近垂直的方向以便利于熱能灶具的應(yīng)用。
2.一種收集太陽(yáng)熱能的的裝置，其裝置為分立式的接收器及二次反射鏡兩部分。太陽(yáng)接收器是由定點(diǎn)跟綜的聚焦反射鏡面組成，其鏡面形狀是由發(fā)明者所提出的曲面定義的；位于反射鏡焦點(diǎn)的二次反射鏡將光束反射成垂直或接近垂直的方向便利于熱能灶具的應(yīng)用，其反射鏡面是由多個(gè)小鏡面組成以防止由于集中太陽(yáng)能的熱應(yīng)力、操作中的濺水及其他原因而炸裂鏡面。
3.一種收集太陽(yáng)熱能的的裝置，其裝置為分立式的接收器及二次反射鏡兩部分。太陽(yáng)接收器是由定點(diǎn)跟綜的聚焦反射鏡面組成；位于反射鏡焦點(diǎn)的二次反射鏡將光束反射成垂直方向以便利于熱能灶具的應(yīng)用。接收器的跟蹤由于采用了發(fā)明者提出的自旋及仰角公式，在北極方向朝向的情況下，可以運(yùn)用單軸跟蹤。其中自旋是按照二十四小時(shí)的時(shí)鐘速率的運(yùn)動(dòng)；仰角在每個(gè)工作日的時(shí)間內(nèi)保持恒量。
全文摘要
本裝置是在最新創(chuàng)造的定點(diǎn)跟蹤聚光理論的基礎(chǔ)上發(fā)明的全天用太陽(yáng)灶。在跟蹤方面，由于使用了申請(qǐng)人所發(fā)表的仰角－自旋角公式，在本發(fā)明所規(guī)定的方位中，全天的高低角是不需要調(diào)節(jié)的；全天的自旋是時(shí)鐘速率。在反射聚光鏡方面，本發(fā)明使用了根據(jù)申請(qǐng)人所發(fā)表的無(wú)光象鏡面理論計(jì)算出來(lái)的特殊曲面以取得了最小象差的效果。在裝置的方位方面，發(fā)明者指出，太陽(yáng)灶的位置應(yīng)當(dāng)這樣取向聚光反射鏡的自旋方向垂直于當(dāng)?shù)氐木暥?，或者說(shuō)自旋軸指向當(dāng)?shù)乇睒O星方向。分立太陽(yáng)灶接收器克服了傳統(tǒng)太陽(yáng)灶的許多不便的缺點(diǎn)；固定的灶具下方按裝了使用高反射率的玻璃鏡面的二次反射鏡面以保持加熱用具的垂直位置。為了防止玻璃鏡面在高集中光強(qiáng)下可能發(fā)生的炸裂，本發(fā)明使用了板塊鏡面粘合的反射鏡，板塊的大小(厚度及尺寸)是發(fā)明者根據(jù)可能產(chǎn)生的最大應(yīng)力計(jì)算而得出來(lái)的，以保證在最?lèi)毫拥臍夂驐l件及操作條件下不得破裂。
文檔編號(hào)F24J2/02GK1779381SQ20051020003
公開(kāi)日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2005年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者陳應(yīng)天 申請(qǐng)人:陳應(yīng)天, 何祚庥