对太阳能利用中阳光采集问题的探讨之三

一、问题的引入

在《太阳能》杂志2008年第11期《对太阳能利用中阳光采集问题的探讨》和《新能源产业》杂志2010年第4期《对太阳能利用中阳光采集问题的再探讨》的两篇文章中，所述太阳能集光装置的显著优点：一是保证了太阳能集光装置反光板反光面所接受的阳光全部反射到集光部分外表面上；二是提高了反光板的受光面积。但它们的不足在于：一是反光板的最大尺寸受集光部分的尺寸所限；二是阳光经反光板反射后不能聚焦。目前一些用抛物面反光板跟踪太阳的技术方案虽克服了上述的不足，但普遍存在结构复杂、成本高、跟踪能耗大的问题。提供一种反光板的最大尺寸不受集光部分尺寸所限的、阳光经反光板反射后能够聚焦的、结构简单、成本低、跟踪太阳能耗小的集光装置，便是本文所要探讨和解决的问题。

二、解决问题的方法

解决上述问题的方法是：一种如图1所示的跟随太阳集光装置，包括支柱1、转向器2、转动控制盒3、转轴4、阳光接受装置5、6组成，支柱上端与转向器相连，转向器上端与转动控制盒相连，转轴的中段位于转动控制盒之内，并与转动控制盒轴承连接，转轴的两端分别与镜像对称的阳光接受装置5、6轴套连接，上述镜像对称的镜面为转轴中点处的横截面，转向器设置有调整与固定阳光接受装置5、6方位角及仰角的装置，转动控制盒内设置有带动转轴以π/12弧度每小时角速度转动且周期性改变转动方向的动力装置。

三、具体探讨

下面结合附图对上述跟随太阳集光装置的合理性及司行性作进一步详细的探讨：

探讨1：使阳光聚集以及反光板的尺寸不受集光部分尺寸所限的探讨

图2是图1中阳光接受装置5的结构示意图，它是由抛物面反光板17、受光管18、轴套20、轴套固定阀19构成，受光管18固定在抛物面反光板17反光面焦点的连线上，且上述反光面焦点的连线与受光管18的中轴线重合。由抛物面的性质可知，当阳光沿抛物面反光板横截面的对称轴进入反光板后，经过反射的阳光必定汇交在此抛物面反光板的焦点连线，也是上受述光管18的中轴线。此时抛物面反光板的尺寸不受受光管18的半径所限，它可以做得很大，也可以做得较小，只要反光面焦点的连线与受光管18的中轴线重合即可。当反光板足够大时。经过反射聚焦在受光管18的阳光能在受光管18上产生100℃以上的高温。

探讨2：保证阳光总是沿抛物面反光板横截面的对称轴进入反光板的探讨

第一、抛物面反光板的角速度的探讨

因为太阳绕地球旋转一圈所用的时间为24小时，其角速度为π/12弧度每小时，要保证阳光总是沿抛物面反光板横截面的对称轴进入反光板，反光板就必须跟随太阳转动，其转动角速度应与太阳的转动角速度相同。也为π/12弧度每小时，而转轴与阳光接受装置5轴套连接，故转轴的转速决定反光板的转速。

转动控制盒内设置的带动转轴以π/12弧度每小时角速度转动的动力装置其实施方法为：将目前市场上电子钟机芯时针转轴上的带动时针转轴转动的齿轮其齿数增加1倍，在增加齿数的同时，仍保持齿轮的间距不变。另外，改进电子钟机芯中电感、电容、磁鼓的参数，提高电子钟机芯时针转轴的输出功率，使时针转轴能带动阳光接受装置以π/12弧度每小时的角速度转动。关于提高电子钟机芯时针转轴输出功率的具体实施方法，在目前步进电机的现有技术中，已有成熟的技术方案。在此不再说明。提供上述电子钟机芯运转的电池也可为太阳能蓄电池。还可以用发条机械机芯代替电子钟机芯。

第二、使转轴周期性改变转动方向的探讨

作为上述跟随太阳集光装置的进一步改进，转动控制盒内设置有使转轴周期性改变转动方向的装置，从而使阳光接受装置白天跟随太阳转动，夜晚反向转动回位，次日白天阳光接受装置再跟随太阳转动，夜晚又反向转动回位，如此往复，这样就避免了因阳光接受装置定向转动所造成的线与管的缠绕现象，这里所述的线与管是指在输送阳光接受装置所接收的太阳能量中所使用的电线与管道。

转动控制盒内设置的周期性改变转轴转动方向的装置其具体实施方法为：图3中转轴11为半边齿轮12、13的转轴，它由上述的动力装置带动，并以π/12弧度每小时的角速度顺时针转动，转轴10为过渡齿轮14的转轴，转轴4为齿轮8、9的转轴。半边齿轮12、13的齿轮数相同，齿轮8、9、14的齿轮数均为半边齿轮12齿轮数的2倍。半边齿轮12与齿轮8的齿轮间距相同，半边齿轮13与齿轮9、14的齿轮间距相同。转轴1 1转动时，半边齿轮12与齿轮8咬合，这时转轴4与转轴11同速反向转动，当半边齿轮12与齿轮8咬合分开后，半边齿轮13立即与齿轮14咬合，由于过渡齿轮14的作用，这时转轴4与转轴11同速同向转动，当半边齿轮13与齿轮14咬合分开后，半边齿轮12又立即与齿轮8咬合，这时转轴4与转轴11又同速反向转动，如此往复，从而实现了转轴4既以π/12弧度每小时角速度转动，又周期性的改变转动方向的目的。

第三、反光板方位角及仰角调整与固定的探讨

要保证阳光总是沿抛物面反光板横截面的对称轴进入反光板，还必须对反光板方位角及仰角的调整与固定。因为转向器上端与转动控制盒相连，转轴的中段位于转动控制盒之内，并与转动控制盒轴承连接，转轴的两端分别与镜像对称的阳光接受装置5、6轴套连接，故调整与固定转向器的方位角及仰角，也就是调整与固定反光板的方位角及仰角。转向器可采用日常摄影三角架中调整与固定摄影机方位角及仰角的技术。

图1中阳光接受装置5方位角与仰角调整的具体实施方法为：在跟随太阳集光装置所在位置，通过一天中对太阳的观察，确定太阳起点、落点以及太阳白天中轨迹的中点的位置，同时记住太阳白天中轨迹中点所对应的时刻。通过转向器调节方位角与仰角，同时手动操作转动阳光接受装置5，使得阳光接受装置受光面的4个顶点A、B、C、D所构成的受光平面的法线能分别指向太阳的起点、落点以及太阳白天中轨迹的中点，确认后将方位角与仰角固定。因为地球环绕太阳转动角度变化小的原故，上述阳光接受装置受光平面的法线与太阳间仰角的变化很小，再因为当阳光接受装N5采用图3所示的阳光接受装置后，即使因为上述仰角发生变化，仍能保证阳光接受装置5所接受的阳光聚焦在抛物面反光板17反光面焦点的连线上，从而使阳光接受装置所接受的阳光大部分仍能聚焦在受光管18上，综上所述的原因，阳光接受装置方位角与仰角的调整最多每周一次。

第四、启动转动控制盒内动力装置的探讨

要保证阳光总是沿抛物面反光板横截面的对称轴进入反光板，还必须正确启动转动控制盒内设置的动力装置，其具体实施方法为：接通上述的动力装置的电源开关，启动上述的动力装置，观察此时阳光接受装置的转动与太阳绕地球转动的方向是否相同，如果不同，断开上述的动力 装置的电源开关，手动操作将阳光接受装置转动1800后，再次接通上述的动力装置的电源开关，启动上述的动力装置，观察此时阳光接受装置的转动与太阳绕地球转动的方向是否相同，当确认相同后，让跟随太阳集光装置继续运转，再将注意转移到图3中转轴4与转轴11上，观察转轴4与转轴11的转动方向是否相同，确认后断开上述的动力装置的电源开关。如果相同，手动操作转动阳光接受装置，使齿轮14与半边齿轮13的咬合点正好在半边齿轮13齿的中点16上；如果相反，手动操作转动阳光接受装置，使齿轮8与半边齿轮12的咬合点正好在半边齿轮12齿的中点15上。然后保持所有转轴及齿轮静止不动，拧松图2中的轴套固定阀19，手动操作转动阳光接受装置，使A、B、C、D所构成的受光平面的法线指向上述太阳白天中轨迹的中点，确认后拧紧套轴固定阀19，将转轴4与阳光接受装置轴套固定。最后在上述太阳白天中轨迹中点所对应的时刻，接通上述动力装置的电源开关，启动上述的动力装置，让其长期运转。

探讨3：降低阳光接受装置5跟踪太阳能耗的探讨

阳光接受装置的重心在转轴的中轴线上。这样就保证了在忽略转轴摩擦的情况下，阳光接受装置在转动过程中，轴转所受的合力矩大体为零。另外，由于转轴中段与转动控制盒轴承连接，从而增大了转轴的负重，同时减小了转轴转动中的摩擦。还因为转轴转动的角速度只有Tr门2弧度每小时。由综上所述的因素以及物理学中的基本定律，使得阳光接受装置在转动中耗能很小。

阳光接受装置的重心落在转轴的中轴线上的具体实施方法为：图2中抛物面反光板17及受光管18采用质量分布均匀的材料制成，由于抛物面反光板17及受光管18在抛物面反光板17受光面的4个顶点A、B、C、D所构成的受光平面上均为几何对称，故它们的重心将落在经过对称中心点的上述受光平面的法线上，这里所述的对称中心点是指上述受光平面的对称中心点，再用悬挂法可测得抛物面反光板17及受光管18在上述法线上的重心位置，从而确定了抛物面反光板17及受光管18的重心位置。将轴套20固定在抛物面反光板1 7的侧面，并使轴套20的中轴线经过抛物面反光板17及受光管18的重心。再由于转轴4的端点与轴套20为轴套连接，故轴套20的中轴线与转轴4的中轴线重合。这样就完成了阳光接受装置的重心落在转轴的中轴线上。

另外，由于电子钟机芯工作状态下耗能很小，所以用电子钟机芯作为转动控制盒内设置的动力装置，其耗能也自然很小，并且成本很低。

探讨4：对跟随太阳集光装置结构的探讨

由于跟随太阳集光装置的支柱上端与转向器相连，转向器上端与转动控制盒相连，转轴的中段位于转动控制盒之内，并与转动控制盒轴承连接，转轴的两端分别与镜像对称的阳光接受装置5、6轴套连接，所以此跟随太阳集光装置的结构简单对称，只占有向上的空间而几乎不占地面空间。

最后两点说明：一是由于图1中阳光接受装置5、6同轴并镜像对称，故上述探讨中对阳光接受装置5的所有论述及结论对于阳光接受装置6也同样成立。二是上述探讨中关于图1中支柱、转向器、转动控制盒、转轴、阳光接受装置的制作与安装；转动控制盒内所述的动力装置以及周期性改变转动方向装置的制作与安装；图2中抛物面反光板、受光管、轴套、轴套固定阀的制作与安装等均为现有的成熟技术，都能一一实现，故不必探讨。

四、结论

通过以上的探讨，本文提供了一种可实施的跟随太阳集光装置，其优点是：一是反光板的尺寸不受受光管的尺寸所限；二是反光板所接收的阳光能聚集在受光管上产生100~C以上的高温；三跟踪太阳能耗小、成本低；四是结构简单对称、可充分利用向上的空间而几乎不占地面空间。

由于上述优点显著，所以跟随太阳集光装置一定会广泛应用在各种太阳能利用中的阳光采集环节。