CN102645031B - 一种双焦斑两用太阳炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双焦斑两用太阳炉，有效解决设备结构复杂，成本高，且不能充分利用太阳能的问题，其结构是，定日镜装在支架上，支架的上沿、下沿上装有调节定日镜朝向的拉线，拉线经拉线轮与调整手柄相连，调整手柄装在支架上，吸热炉下部经滑轮装在运动轨道上，吸热炉朝向定日镜反光面呈开口状，开口后部在箱体内装有聚光镜，聚光镜置于双焦斑聚光定日镜聚光在两用吸热炉内焦点形成的焦斑上，使聚光镜聚焦在两用吸热炉内上部装的吸热盘体的下底面上，吸热盘体上装有同盘体内相连通且伸出吸热炉壳体外的进出水管道，焦斑中心与定日镜下沿在同一水平面上，本发明结构简单，新颖独特，成本低，易安装使用，上下午均可有效利用太阳能，使用效果好。

Description

一种双焦斑两用太阳炉

技术领域

本发明涉及太阳能，特别是利用太阳能的一种双焦斑两用太阳炉。

背景技术

太阳炉等集热器一般用单个焦斑的抛物面反射镜作为聚光器，接收器放置在聚光镜的焦点上一起运动，进行一次或二次聚光获得热能；因入射光线角度的变化会造成不同程度的像差，影响了焦斑的大小、形状及收集功率，故通过双轴或单轴驱动跟踪的方式跟踪太阳，保证太阳光的入射方向与主光轴平行，虽然修正了因太阳与地球运动造成的像差，但因接收器的镜面遮挡与自身重力的限制，实现大功率太阳炉的成本剧增，因而同样受到限制。

上述聚光集热系统中采用的各种跟踪方式，目的就是为了修正因太阳与地球的运动使单个焦点的聚光镜产生巨大的像差，到达聚光集热的目的，具有很好代表性的技术专利如下：

专利号:ZL200610017032.8号专利公开了一种地轴式太阳能聚光器，由过去的双轴跟踪结构改变为单轴跟踪结构，降低了跟踪结构的复杂性。

专利号:ZL200810213419.X.号专利公开了一种采用自旋-仰角跟踪方式的太阳炉，其发明内容是通过采光镜面自旋，同时调整镜面仰角的方式来实现定日镜的运动跟踪，后通过二次聚光实现高温，其技术核心是定日镜是由多片可以调整入射光角度的子镜构成，其聚光镜面型可采用平面镜、球面镜、或高次曲面反射镜等；该成果使跟踪系统更加简洁，聚光性能更好。

上述不同类型的单焦斑太阳炉，很好的避免太阳与地球运动而产生的像散现象，但跟踪系统的运动部件较多，同时还需要较高的运行精度、抗风强度等功能，无法继续简化结构，生产成本高，维护费用高，且不能充分利用太阳能，其使用受到限制。因此，太阳能炉灶上的改进和创新势在必行。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种双焦斑两用太阳炉，可有效解决设备结构复杂，生产成本高，维护费用高，且不能充分利用太阳能的问题。

本发明解决的技术方案是，包括支架、定日镜、聚光镜和吸热炉，定日镜装在支架上，定日镜为双焦斑聚光定日镜，支架的上沿、下沿上装有调节定日镜朝向太阳方位的拉线，拉线经拉线轮与调整手柄相连，调整手柄装在定日镜后部的支架上，吸热炉为两用吸热炉，吸热炉下部经滑轮装在运动轨道上，沿轨道进行运动，吸热炉朝向定日镜反光面呈开口状，开口后部在箱体内装有二次的聚光镜，二次的聚光镜置于双焦斑聚光定日镜聚光在两用吸热炉内焦点形成的焦斑上，使二次的聚光镜聚焦在两用吸热炉内上部装的吸热盘体的下底面上，加热吸热盘体，吸热盘体上装有同盘体内相连通且伸出吸热炉壳体外的进出水管道，焦斑中心与定日镜下沿在同一水平面上，所述的双焦班聚光定日镜是指上午太阳光经聚焦通过朝向定日镜反光面的吸热炉开口在吸热炉内形成第一焦斑，下午通过在运动轨道上移动吸热炉，使下午太阳光经聚焦通过朝向定日镜反光面的吸热炉开口在吸热炉内形成第二焦斑，构成双焦斑加热结构。

本发明结构简单，新颖独特，成本低，易安装使用，上下午均可有效利用太阳能，使用效果好，是太阳炉灶上的创新。

附图说明

图1为本发明的结构立体主视图（吸热炉的虚线部分为下午吸热炉在运动轨道上滑动后所处的位置）。

图2为本发明的吸热盘体结构立体图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1、2所示，本发明包括支架、定日镜、聚光镜和吸热炉，定日镜1装在支架2上，定日镜为双焦斑聚光定日镜，支架的上沿B、下沿A上装有调节定日镜朝向太阳方位的拉线4，拉线经拉线轮5与调整手柄3相连，调整手柄装在定日镜1后部的支架上，吸热炉为两用吸热炉，吸热炉下部经滑轮装在运动轨道6上，沿轨道进行运动，吸热炉朝向定日镜反光面呈开口状，开口后部在吸热炉的壳体7内装有二次的聚光镜8，二次的聚光镜置于双焦斑聚光定日镜聚光在吸热炉内焦点形成的第一焦斑a中心区上，使二次的聚光镜聚焦在吸热炉内上部装的吸热盘体9的下底面上，加热吸热盘体，吸热盘体上装有同盘体内相连通且伸出吸热炉壳体外的进出水管道10，焦斑中心与定日镜下沿在同一水平面上，所述的双焦班聚光定日镜是指上午太阳光经聚焦通过朝向定日镜反光面的吸热炉开口在吸热炉内形成第一焦斑a中心区，下午通过在运动轨道上移动吸热炉，使下午太阳光经聚焦通过朝向定日镜反光面的吸热炉开口在吸热炉内形成第二焦斑b中心区，构成双焦斑加热结构。

为了保证使用效果，所述的双焦斑聚光定日镜具有两个焦斑区及像散校正功能（即光线入射角在一定范围内对光斑能量影响较小），弱化了太阳入射角变化对焦斑尺寸及热流密度的影响，简化了跟踪系统的结构，使上午与下午两个不同方向的光线分别交叉汇聚到中心轴两端的焦斑中心区，其光学反射曲面是：超环面、自由曲面、双圆锥系数曲面或椭球面斜截面的一种，其中：

①双焦斑面型的超环面母线方程的定义如下（含与此方程等效的其它数学表达式）：

$z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{y}^2}}+a_1{y}^2+a_2{y}^4+a_3{y}^6+a_4{y}^8+a_5{y}^{10}+a_6{y}^{12}+a_7{y}^{14}$ 公式。。。①

式①中c是Y-Z平面内曲线曲率半径的倒数，k表示圆锥系数，取值范围-1<k<0与k>0，a₁a₂a₃…为高次非球面系数，y表示入射光线在非球面上的高度；

②双焦斑面型的自由曲面表达式定义如下（含与此方程等效的其它数学表达式）：

$z_1=(r^2/R)/[1+\sqrt{\{1-(1+k_1){(r/R)}^2\}}]+\underset{\mathrm{ij}}{\overset{R}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{\mathrm{ij}}{x}_1^i{y}_1^j$ 表达式。。。②

式②中等号右端第一部分是球面部分，k₁是二次项系数，取值范围-1<k₁<0与k₁>0，R是非球面基础曲率半径，r是非球面口径内任一点到顶点的距离；第二部分表示自由曲面，C_ij是自由曲面的归一化系数,i和j是x，y方向坐标的幂指数项,x₁、y₁是局部面型尺寸坐标；

③双焦斑面型的双圆锥系数曲面方程的定义如下（含与此方程等效的其它数学表达式）：

$Z_2=\frac{C_x{x}_2^2+C_y{y}_2^2}{1+\sqrt{1-(1+k_x)C_x^2{x}_2^2-(1+k_y)C_y^2{y}_2^2}}$ 公式。。。③.

式③中c_x与c_y它们分别为x与y方向的基准球面曲率半径的倒数；k_x与k_y分别是x与y方向的锥面度，取值范围-1<k₁<0与k₁>0；x₂、y₂是局部面型尺寸坐标；

④双焦斑面型的椭球面方程定义如下（含与此方程等效的其它数学表达式）：

$z_3=\frac{{\mathrm{cy}}_3^2}{1+\sqrt{1-(1+k_3)c^2{y}_3^2}}$ 公式。。。④.

式④中c是Y-Z平面内曲线曲率半径的倒数，k₃表示圆锥系数，取值范围-1<k₃<0与k₃>0，y₃表示入射光线在非球面上的高度。

上述曲面焦斑处如独立配装真空集热管时，其多组合阵列适用于蒸汽锅炉，也可用于海水淡化、光热发电、生物质干燥、金属纯化与太阳能制氢等系统的集热器装置；若配装两用吸热炉时可成为炒菜、食品烘烤与供应热水等多功能一体化的家庭厨房灶具类产品，如增加了二次聚光镜，可用于金属纯化与太阳能制氢等高温的应用。

所述的吸热炉其结构是，壳体朝向定日镜方向的侧面上开有进光口，进光口内有焦斑区，焦斑区上装有可聚焦于壳体上部的吸热盘体9底部的二次聚光镜8，吸热盘体是在导热金属板11上面装有箱体12，箱体中心内装有与导热金属板连接在一起的金属导热体，金属导热体至少有两节上下叠放在一起构成，两节金属导热体接触面间开有相配应的导热槽，导热槽内装有加热盘管13（该加热盘管还可以是蛇形管），加热盘管同进出水管道10相连接（见图2所示），既可满足辐射能供热（如斯特林发电集热器供应热源或生活炒菜与食品烘烤等），也可满足高温热水的供应，同时还可将热能蓄满后作为一个蓄热罐（等同于煤气罐的作用），分送到其它用热的设备上，如商业用的烧饼炉与烧烤炉等。

所述的二次聚光镜反射面的面型是超环面，其中圆锥系数k=-1，超环面方程定义同前所述的双焦斑面型的超环面方程的定义，见公式①，该镜面面形具有较好的像散校正功能，当使用的目标温度低于700℃（焦斑温度）时，该二次聚光镜可以免装，二次聚光镜本身具有聚光性能，也可独立用于上述各行业需要的的集热聚光器中使用。

定日镜光斑路径的跟踪轨道：配装定日镜光斑路径的跟踪轨道，可微调吸收炉指向焦斑中心的接收区域，获得更好的使用效果，同时也便于在两个焦斑区域间调整吸热炉上午与下午的接收位置，提高了易用性。

基于双焦斑聚光定日镜与吸热炉是分体安装结构，两者间的连接是按双焦斑定日镜焦斑运动轨迹确定吸热炉的轨道位置，焦点距离是已知数据，据此定位安装即可。

二次聚光镜：金属纯化与太阳能制氢等需要更高的温度，二次聚光镜是利用具有像散校正功能的单焦斑超环面曲面，其计算方程定义为公式①，其中超环面公式中的圆锥系数k=-1，为抛物面母线的旋转面。该曲面对入射光的角度要求不高，同时又能获得较高的聚光倍数，对提高系统的集热温度起到巨大的作用，而且还能降低初级聚光镜的使用要求，从而降低了生产成本。

基于该太阳炉经过两级的聚光，所述的两级的聚光是上午的太阳光线S1、下午的太阳光线S2经定日镜和二次聚光镜两次聚焦，焦斑温度较高，可广泛应用到金属纯化、太阳能制氢与实验等多领域，拓宽了太阳利用的范围。

1、两用吸热炉

为解决太阳能聚光集热系统单一的使用范围，开发两用吸热炉，其辐射能可直接加热目标，也可通过吸热炉内置的盘管通水，实现高温水或蒸汽供应功能，还可以在吸热器内封装蓄热材料成为一个蓄热罐（等同于煤气罐的作用），将能量转移到异地的烧饼炉、烧烤炉等；该炉最大的特点是满足的功能很实用，使用的材料与工艺要求很低，蓄热材料根据不同的用途可采用废旧的低碳钢与熔融盐（复合成分为硝酸钠60％与硝酸钾40％的混合物），产品有很高性价比。

2、季节性仰角跟踪

一年中赤纬角以年为周期，在+23°27′～-23°27′的范围内移动，每年的春秋分日赤纬角为0°,成为季节的标志，此时的倾角为45°，据此每天角度变化量约0.06°，按实际应用的需要，仰角跟踪每次调整间隔允许在20天以上。

本发明的原理是：

传统聚焦定日镜采用球面或抛物面，定日镜在接收太阳过程中阳光多是斜入射，且入射角度变化范围较大，对于旋转对称的曲面，存在严重的像差，斜入射时产生的像差主要是像散，可由公式③表示；

$F_t=f\cos \mathrm{\&theta;},F_s=\frac{f}{\cos \mathrm{\&theta;}}$ 公式。。。③

式中Ft、Fs表示斜入射时曲面的子午焦距和弧矢焦距，θ表示入射角，f表示曲面的近轴焦距，随着入射角的增大，子午焦距和弧矢焦距的差值增大，在焦面上产生很大的散斑，使定日镜的聚光性能降低；为了矫正像差，IGEL.E.A等人首次提出两个相互垂直对称截面顶点，如曲率不同能消除像散，但没有给出具体的设计方法。

依据上述理论，本发明利用双焦斑超环面具有两个相互垂直的对称截面的属性，建立子午截面和弧矢截面，两个截面内圆弧的顶点具有不同的曲率半径，通过定义一个双焦斑曲线，并将此曲线绕一条平行于Y轴并与Z轴相交的轴线旋转而成，双焦斑曲线可由公式①双焦斑面型的超环面方程的定义确定；实现了光轴两侧允许50～100°的入射范围，以太阳每小时运行15°，该截痕角度相当于反射镜每天可有效聚焦3.3小时～6.6小时的工作时间，覆盖了每天光辐射最好的时段，故该聚光面形可省略该轴向的跟踪系统，其它曲面如椭球面的斜截面与自由曲面与上述原理一致，故有同样像散校正与聚光效果。

本发明经试验和实际使用，并经测试与现有技术相比，具有：

1、双焦斑两用太阳炉使用仰角跟踪结构，便可达到集热的要求，有效的降低了系统的复杂性与成本，提高了产品的性价比，可降低同类设备的成本50%以上；

2、其集热阵列非常适合用于蒸汽锅炉，也可用于海水淡化、斯特林光热发电、生物质干燥、金属纯化与太阳能制氢等系统的集热器装置；也可在焦斑处配装两用型吸热炉，成为一类炒菜、食品烘烤与供应热水等多功能一体化的家庭厨房灶具类产品；

3、双焦斑聚光定日镜上午与下午的两个焦斑中心区均在定日镜外两侧，反射面上不会有吸热器等部件的投影，故集热器等部件有很大的自由安装空间，有效提高了太阳能的利用效果，可以此为基础开发出更多的产品应用到更宽的领域，对实现绿色环保创建健康环境奠定良好了的基础，节能环保，是太阳能炉灶上的创新。

Claims (3)

1.一种双焦斑两用太阳炉，包括支架、定日镜、聚光镜和吸热炉，其特征在于，定日镜（1）装在支架（2）上，定日镜为双焦斑聚光定日镜，支架的上沿（B）、下沿（A）上装有调节定日镜朝向太阳方位的拉线（4），拉线经拉线轮（5）与调整手柄（3）相连，调整手柄装在定日镜（1）后部的支架上，吸热炉为两用吸热炉，吸热炉下部经滑轮装在运动轨道（6）上，沿轨道进行运动，吸热炉朝向定日镜反光面呈开口状，开口后部在吸热炉的壳体（7）内装有二次的聚光镜（8），二次的聚光镜置于双焦斑聚光定日镜聚光在吸热炉内焦点形成的第一焦斑（a）中心区上，使二次的聚光镜聚焦在吸热炉内上部装的吸热盘体（9）的下底面上，加热吸热盘体，吸热盘体上装有同盘体内相连通且伸出吸热炉壳体外的进出水管道（10），焦斑中心与定日镜下沿在同一水平面上，所述的双焦班聚光定日镜是指上午太阳光经聚焦通过朝向定日镜反光面的吸热炉开口在吸热炉内形成第一焦斑（a）中心区，下午通过在运动轨道上移动吸热炉，使下午太阳光经聚焦通过朝向定日镜反光面的吸热炉开口在吸热炉内形成第二焦斑（b）中心区，构成双焦斑加热结构。

2.根据权利要求1所述的双焦斑两用太阳炉，其特征在于，所述的吸热炉其结构是，壳体朝向定日镜方向的侧面上开有进光口，进光口内有焦斑区，焦斑区上装有可聚焦于壳体上部的吸热盘体（9）底部的二次聚光镜（8），吸热盘体是在导热金属板（11）上面装有箱体（12），箱体中心内装有与导热金属板连接在一起的金属导热体，金属导热体至少有两节上下叠放在一起构成，两节金属导热体接触面间开有相配应的导热槽，导热槽内装有加热盘管（13），加热盘管同进出水管道（10）相连接。

3.根据权利要求1所述的双焦斑两用太阳炉，其特征在于，所述的二次聚光镜反射面的面型是超环面。

Images