[发明专利]一种采用自旋仰角跟踪方式的太阳炉

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳聚光装置，一种能跟踪太阳，高倍聚集太阳光并利用所聚的太阳光产生高温的装置，特别是一种采用自旋仰角跟踪方式以及采用行列运动像差修正方式的太阳炉。 

  

背景技术

现有的利用聚集太阳光产生高温的光热技术涉及太阳跟踪器和反射式（譬如碟式或槽式的抛物面）或透射式（譬如菲涅尔透镜）聚光镜的使用。在较大型（热功率>10kW）的太阳能光热应用当中，高聚光比的装置能达到1500℃以上的高温，这种太阳聚光装置被称为太阳炉。传统技术的太阳炉有两种光学结构： 

一种太阳炉的采光面为一个反射式的抛物面（碟式），加热目标置于在抛物面的光学焦点上。在操作的时候，抛物面跟踪太阳以确保抛物面的光学轴平行于太阳光入射方向，因此加热目标是悬挂在空中并且一直相对地面移动。其不足之处是：悬挂在空中并且一直移动的目标在应用上带来的不便大大的限制了其应用范围，比如说在冶金和高温金属镀膜等方面的应用就很难进行。

另一种太阳炉的采光面是由至少一个平面或球面定日镜组成，定日镜跟踪太阳并同时把太阳光反射在一个抛物面反射镜上，抛物面反射镜的光学轴平行于从定日镜反射过来的入射的太阳光，而加热目标则是放置在抛物面反射镜的光学焦点上。抛物面反射镜的面积与定日镜的总面积大约相等。在操作的时候，该抛物面反射镜和加热目标相对地面是固定的。其不足之处在于其庞大的抛物面反射镜的光学精度的要求会大大增加制造成本；两阶式的结构也使得整个系统十分庞大而复杂，材料及维修成本都十分高昂。 

上述方案中的定日镜有两个特点：一是定日镜的反射面几乎都采用普通的球面或平面；二是定日镜的跟踪都使用传统的方位+仰角公式。这两个特点导致上述太阳炉存在着以下难以克服的问题：普通球面或平面反射镜无法克服由于太阳运动而产生的像差，由于入射光的偏轴效应效应，定日镜在光学焦点上形成的光斑大小在一天之内产生较大幅度的变化，而方位＋仰角跟踪系统也不能保证定日镜中心点的入射光线和反射光线始终位于子午面内，因此聚光光强和聚区的光密度出现大幅度波动，光热转换效率不理想。尽管某些定日镜开始采用不同曲率半径的球面，以减小光斑的尺寸，但大大增加的光学设计的复杂性导致制造成本也跟着大幅增长。 

  

文献1(Chen, Y.T., et al (2002), “Report of the first prototype of non-imaging focusing heliostat and it’s application in high temperature solar furnace” Solar Energy Vol.72 No.6, p.531-544. 陈应天等（2002）太阳能 72（6），531-544),文献2（CN101004298）和文献3(CN101368764)，公开了一种新型太阳炉，其特点是该太阳炉由采用自旋和仰角跟踪方式的聚光定日镜和一个远小于定日镜的聚光镜组成，所述的定日镜由一个行列排列的方形子镜群组成，每个子镜可以进行行和列方向的运动以实现在偏轴情况下的像差的修正。由于实现了偏轴像差的修正，其聚光光斑比传统光学的聚光定日镜的光斑小，并且稳定。根据文献2和文献3所述的技术特征，新型太阳炉的二次聚光镜的采光面积和新型太阳炉的定日镜的采光面积的比是五十分之一或更小，由于二次聚光镜的采光面积很小，因此可以实现低成本高精度的制造，太阳炉的制造成本也因此显著地比传统的太阳炉低。虽然文献1, 文献2和文献3所公开的新型太阳炉相比传统的太阳炉有着显著的技术进步，然而在原公开的新型太阳炉的定日镜的设计中，为了达到精确的像差修正，每行每列子镜都需要有独立的驱动器。这样的设计不但增加了制造成本，也使工作的稳定性降低。本专利将披露新型太阳炉的定日镜的子镜群的行列像差修正装置可以进一步进行简化，从而在降低成本的同时更加提高新型太阳炉的设备稳定性。