CN1442654A

CN1442654A - U形曲面镜太阳能采集装置

Info

Publication number: CN1442654A
Application number: CN02153081A
Authority: CN
Inventors: 袁春刚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-01
Filing date: 2002-12-01
Publication date: 2003-09-17

Abstract

一种U形曲面镜太阳能采集装置，涉及太阳能的采集利用，是一种不用使反射镜跟随太阳旋转、就能在固定位置持续获取高强度热能或光能的太阳能采集装置。反射镜的纵向截面为抛物线形，形似于横置的“U”字，将U形曲面凹反射镜开口朝向正南固定放置，只需上下调整反射镜角度至适宜位置，就可以从日出到日落，在固定的聚焦部位持续获取高强度的太阳能。反射镜角度可以每天或间隔若干天调整一次，有的民用采集装置可以固定安装。

Description

U形曲面镜太阳能采集装置

技术领域本实用新型涉及太阳能的采集利用，尤其涉及一种曲面镜太阳能采集装置。具体地说，是一种利用纵向截面为抛物线形的曲面凹反射镜，命名为U形曲面镜，将太阳光反射聚焦在一条线段上，在固定的聚焦部位持续获取高强度太阳能的综合装置。

有关的背景技术目前，太阳能的采集利用有两种方式，一种是直射式采集，另一种是反射镜聚焦式采集。

直射式采集，采集多大面积的太阳能，就得使用多大面积的采集设施，设备投资较大。1、集热装置像现有的太阳能热水器等，获取的温度比较低，甚至不能将水加热至100℃，更不能产生蒸汽，所以利用价值不大，只能是供应热水而已；2、光电转换装置像太阳能电池板等，由于光线强度不高，产生的电动势以及输出的电流均很小，而且价格昂贵，所以不容易普遍应用；3、海水温差发电也是太阳能利用的一种方式，其用于热力交换的介质沸点必须很低，设备上下跨度大，技术要求高，投资多，应用也不广泛。

反射镜聚焦式采集太阳能，可以采集高强度的光能和热能，像太阳灶可以做饭，塔式太阳能发电系统利用反射镜群聚焦太阳光，可以产生蒸汽进行发电。但是，它们都必须采用一定装置，使反射镜随时跟踪太阳旋转，工艺复杂、辅助设备多、投资大，很难推广应用。太阳灶除了在特殊条件下应用以外，并没有在民用领域大面积推广。塔式太阳能发电系统，除了见诸于报章杂志的介绍以外，国内没有发现应用的实例。

发明内容本发明的目的，是改变现有的反射镜聚焦采集太阳能必须使反射镜随时跟踪太阳旋转的现状，使反射镜不用跟随太阳旋转，就可以从日出到日落，在固定的聚焦部位持续获取高强度的太阳能(光能或热能)。整个采集装置位置固定，只需上下调整反射镜开口角度，无需复杂的配套设备，不用跟踪太阳的动力装置，很适合在工农业生产和民用领域推广应用。

本发明是这样实现的：制作一面纵向截面为抛物线形的曲面凹反射镜，将反射镜开口朝向正南放置，每天早晨上下调整反射镜角度，使其主轴平面与太阳轨道平面重合，这样，太阳光就会聚聚焦反射镜前的一条东西方向的直线上，太阳光自东向西旋转，聚焦位置会随之自西向东位移，上下前后的位置不会改变。事先测定曲面镜具体的聚焦位置及其发生位移的范围，在测定的聚焦部位安装采集装置；每天早上将反射镜角度调整好，就可以从早到晚持续获取高强度的太阳能(热能或光能)。一些民用的太阳能采集装置，可以固定安装，也可以每月或每季度调整一次反射镜角度。

附图说明

图1为U形镜纵向截面示意图；其中：

直线m为抛物线的主轴，点F为焦点。

图2为U形镜聚焦示意图；其中：

①为U形镜，②为U形镜的主轴平面M，线段FF’为聚焦位置。直线f为聚焦线段FF’所在的直线。

图3为太阳的旋转轨道平面示意图；其中：

①为早晨的太阳位置，②为正午的太阳位置，③为下午的太阳位置，④为地球位置，⑤为地平面。

图4为正午时太阳光入射U形镜聚焦示意图；其中：

线段FF’为聚焦位置。

图5为早晨、下午太阳光入射U形镜后的聚焦位置示意图；其中：

①为聚焦位置，线段FF’为正午的聚焦位置，线段F₁F₁’为早晨的聚焦位置，F₂F₂’为下午的聚焦位置，直线f为聚焦部位所在的直线。

图6为U形镜太阳能采集综合装置示意图；其中：

①为采集设备，可以是板状或者管状；

②是在采集设备两端安装的轴承，使U形镜可以以聚焦直线为轴

旋转，以适应太阳高度的变化；

③是调整反射镜上下角度的齿轮装置。

图7为带辅助镜的太阳能采集装置。其中：

①为开口朝向正南的U形镜主镜，②为东辅助镜，③为西辅助镜，④为聚焦部位的采集装置。

下面结合附图，说明本发明的工作原理：

如图1所示，U形镜纵向截面示意图，实际上是一条抛物线的一部分。抛物线的焦点F在其主轴m上。

如图2所示的U形镜，可以看成是图1中抛物线纵向运动形成的曲面(①)，抛物线的主轴m随之运动，就形成了主轴平面M(②)，焦点F的运动轨迹，就形成了聚焦线段FF’线段FF’在直线f上。

如图3所示，以地球(④)为参照物，从地面(⑤)上看，太阳每天自东向西旋转一周，就形成了一个圆，这个圆所在的平面，就是太阳的轨道平面，太阳轨道平面与地平面的夹角随着太阳高度的变化而变化。具体到某一天来说，无论早晨(①)，中午(②)，还是下午(③)，太阳光线总是在这个平面内旋转。

将U形镜朝向正南放置，上下调整角度，使其主轴平面(图2中的M)与太阳旋转的轨道平面重合(平行)；正午时，太阳光入射U形镜后，如图4所示，就会在U形镜的聚焦部位—线段FF’上聚焦。

如图5所示，早晨和下午，太阳光会倾斜入射U形镜，但是由于此时U形镜的主轴平面与太阳旋转的轨道平面重合(平行)，太阳光仍然与U形镜的主轴平面平行，根据光的反射定律，应用矢量分解合成的平行四边形法则，可以推算出，早晨的聚焦位置为线段F₁F₁’，下午的聚焦位置为线段F₂F₂’，和正午的聚焦位置(线段FF’)一样，都在一条直线(f)上。这样，只要U形镜的主轴平面与太阳旋转的轨道平面重合，从早到晚，太阳光就会在如图5①所示的位置聚焦。

根据以上U形镜的聚焦原理，我们将U形镜开口朝向正南放置，每天在日出时调整好U形镜上下角度，使U形镜主轴平面与太阳旋转轨道平面重合，在其聚焦部位安置采集装置，就可以从日出到日落，持续获取高强度的太阳能。采集装置要在U形镜的东西两侧增加一定长度，以适应聚焦部位自西向东移动。

如果将U形镜固定安装，太阳高度随季节发生变化时，太阳光的聚焦位置会向上下或前后发生分散，聚焦的强度有所减弱，而如果采集设备的直径较大，仍然可以在聚焦部位获取较高强度的太阳能。因此，一些民用的U形镜太阳能装置，如果是只为获取开水或洗浴热水，就可以将U形镜连同采集设备固定安装，也可以设计成每月或每季度调整一次反射镜角度。

利用U形镜装置采集太阳能，采集能量功率的大小在一天内会出现波状起伏变化，早晚功率小，中午功率大，为了缓冲这种变化，可以在朝向正南的主镜两旁增加朝东南和朝西南的辅助反射镜。这样，整个采集装置呈现如图7所示的框形状态。具体实施方式 U形镜太阳能采集装置的制作十分简单，采用的材料容易取得。用玻璃钢、金属或者塑料板材制成固定的U形曲面(抛物线形或者其内接折线形)，在凹面上敷设一层反光膜，像涂铝涤纶薄膜等，即可制成U形曲面凹反射镜；条件允许时，也可以制作玻璃U形镜。采集装置则可以根据不同需要制成管状或板状等。聚焦部位的采集设备固定安装，两端安装轴承，使U形镜可以围绕聚焦轴线旋转，转动幅度在当地冬至日太阳高度与夏至日太阳高度之间的夹角之间。

U形镜要安装必要的冲洗设备，必要时进行冲洗，保持镜面光洁，保证较高的反射率。

有益效果：利用U形镜采集太阳能，同现有的各种太阳能采集方式相比，具有以下有益效果：

1、可以直接在固定的聚焦部位持续获取高热或强光。U形镜上下开口的距离越大，聚集的太阳能强度越高。

2、只须每天或相隔若干天调整一次反射镜角度，甚至可以固定安装反射镜，不用定日装置，无需复杂的配套设备，使太阳能采集更加方便，利用率更高。

3、聚焦部位的采集设备可以固定安装，有利于建设反射集群，实现太阳能的大规模采集利用。

4、U形曲面镜制造安装工艺简单，总体成本少，建设工期短，有利于大规模推广。

上述特点决定了利用U形镜采集太阳能有着十分广阔的应用领域：

1、采用高强度光电转换材料，可以在投资较少的情况下实现高强度太阳能发电，比现有的太阳能电池板效率高、投资少；在聚焦部位安装半导体热电转换材料，可以实现高强度半导体温差发电；太阳光照充足地区，采用大型U形镜集群，在其聚焦部位安装热管装置收集蒸汽，可以实现大功率的蒸汽发电，比塔式太阳能发电系统更加简单可行。

2、工矿企业可以利用U形镜群建立供热系统，也可以将热反应或者光化学反应的工艺流程直接置于大型U形镜的聚焦部位，从而节省能源，降低生产成本。

3、家庭利用U形曲面镜太阳能采集设备，可以实现供应开水、室内采暖等；也可以采用聚光太阳能电池发电，用蓄电池储存电能，实现家庭独立供电。

4、工厂、学校、村镇，尤其是偏远村落，可以利用U形镜装置实现蒸汽、光电或者半导体温差发电，建立独立的供电系统；学校及其他公共场所可以利用U形镜装置实现白天供应开水、采暖等。

5、远陆岛礁及近海地区，可以采取用U形镜集热、在浅海水散热、用高沸点介质(比如纯净水等)进行热力交换的方法，实现新型的闭式循环海水温差发电，比现有的海水温差发电工艺投资少、效率高，便于普及。

6、在聚焦部位安装一定的采光传导装置，可以根据需要将阳光传输到房屋、矿井、隧道以及各种地下设施内部，实现这些地方的白天自然采光，节省大量能源。

Claims

权力要求1：一种U形曲面镜太阳能采集装置，其特征是：反射镜的纵向截面为抛物线形，形似于横置的“U”字，将反射镜开口朝向正南固定放置，只需上下调整反射镜开口角度至适宜位置，就可以从日出到日落，在固定的聚焦部位持续获取高强度的太阳能；反射镜开口角度可以每天或间隔若干天调整一次，有的民用太阳能采集装置可以固定安装。
权力要求2：一种U形曲面镜太阳能采集装置，其特征是：在如权力要求1所说的U形曲面镜两边，分别安装开口朝东南和西南的辅助反射镜，在其固定的聚焦部位采集太阳能，可以使一天从早到晚的太阳能的采集功率不会有大的起伏变化。