旋轉俯仰式太陽跟蹤器的製作方法

2023-09-16 07:22:55 3

專利名稱：旋轉俯仰式太陽跟蹤器的製作方法
技術領域：
本發明為一種旋轉俯仰式太陽跟蹤器，屬於太陽能應用領域，用於太陽能集熱、採 熱系統以及太陽能光伏發電系統對太陽能的跟蹤採集，尤其是太陽能高倍率聚光採集系統 不可或缺的實時動態跟蹤設備。
背景技術：
在全球化石能源即將枯竭的今天，太陽能的深度開發應用已被人們所關注。但以 往人們僅在太陽能的低溫應用領域上開發了一些基礎產品，如太陽能熱水器、太陽能光伏 電池等對跟蹤要求不高或基本無需跟蹤的產品，並且，由於過去的太陽跟蹤設備造價高昂、 技術尚未成熟，所以跟蹤技術沒有得到廣泛應用。今天，人們已深入到太陽能中、高溫應用 領域和高倍率聚光光伏應用領域的研究和開發，人們發現，由於太陽能的能流密度較低，屬 於低品位的熱源，若要將其提升為中、高品位的熱源，使之產生高溫、高熱和高光強，就得設 法將太陽光進行高倍聚光，而一旦採用聚光手段，則離不開對太陽的高精度超廣角的適時 動態跟蹤，這就對跟蹤器提出了很高的要求。在現有技術中，太陽跟蹤器總是採用「旋轉中柱+圓弧齒輪」的有如常見的衛星接 收天線式的「樞軸驅動」式結構，導致設備結構寵大、造價高、抗風差、需大動力驅動，使之無 法推廣使用，給太陽能的高溫應用造成了難以愈越的屏障。

發明內容
本發明的目的，就是為聚光太陽能集熱系統以及光伏發電系統提供一種「邊緣驅 動」的結構方案，使之成為經濟實用、性能可靠、易於實現、抗風能力強、使用方便的二座標、 高靈敏度的太陽跟蹤器，以保證太陽能採集系統的可靠、高效工作。本發明的目的是通過以下方案實現的用一隻二座標高精度太陽跟蹤傳感器1、一個剛性承物平臺2、一套或一對電動推 杆3、一套二路電器驅動系統4、一套電動水平旋轉平臺5，構成一套所述的旋轉俯仰式太陽 跟蹤器；二座標高精度太陽跟蹤傳感器1安裝在剛性承物平臺2的迎光面上，一套或一對 電動推桿3的下端鉸接在電動水平旋轉平臺5的檯面上，其上端的活動套與剛性承物平臺 2相鉸聯；電動水平旋轉平臺5的檯面上還固接有一個或一對支腳，支腳上有一組同軸的鉸 支孔，剛性承物平臺2的下腹部與這一鉸支孔鉸接，通過電動推桿3活動套的上下移動，可 推動剛性承物平臺2在電動水平旋轉平臺5的檯面上繞其鉸軸作90°以內的上下俯仰運 動，再通過電動水平旋轉平臺5在水平方向上的轉動，馱著剛性承物平臺2對太陽運動作全 方位跟蹤，使其受光面始終迎著太陽。二座標太陽跟蹤傳感器1內包含兩對參數相同的光敏器件、一根四面帶有反光鏡 面的矩形反光立柱、一個四稜錐臺、一個遮光筒和一個底座，構成一個二座標的太陽跟蹤傳 感器，兩對光敏器件分別裝貼在四稜錐臺的四個斜面上，矩形反光立柱垂直立於四稜錐臺 的頂部平臺上，其四側的鏡面反光面與四稜錐臺的四個斜面分別一一對應，遮光筒與底板相連，處於本件的最底部。二座標太陽跟蹤傳感器還可由二套具有以下特徵的一座標寬域太陽跟蹤傳感器 互成90°安裝構成，每套一座標寬域太陽跟蹤傳感器包含一對參數相同的光電池、一片 雙面反光鏡片和一個等腰三角形支架，構成一個一座標的寬域太陽跟蹤傳感器，兩片光電 池分別裝在等腰三角形支架的兩個斜面上，雙面反光鏡片裝在兩片光電池外交角的平分線 上。二路電器驅動系統4內包含數個電壓比較器或A/D轉換器，將來自於二座標太陽 跟蹤傳感器1的兩對與光強成比例的電壓信號或電流信號或阻值變化信號進行直接比較 或經A/D轉換後再行比較，檢出超過設定閾值的差值信號，同時由相應的邏輯分析電路對 設備的對日跟蹤情況或對日、夜、陰、晴、風狀況進行正確判斷，再由功率放大電路分別驅動 兩套電動推桿3對受光面作出相應的姿位調整。電動推桿3包含一組滑動套、一根帶齒條或齒孔的長杆、一個帶齒的驅動輪、一副 蝸輪蝸杆減速機、一隻電動機、一個鉸支杆座，構成一套所述的電動推桿裝置，鉸支杆座與 長杆鉸接，長杆套裝在滑套內，驅動輪安裝在滑套的一側並與長杆上的齒條或齒孔相嚙合， 驅動輪由蝸輪蝸杆減速機驅動，蝸輪蝸杆減速機由電動機帶動，由於蝸輪蝸杆減速機的不 可逆性，使得機構有良好的自瑣性能，無論滑動套運行在長杆的任何位置上，均能可靠自 瑣，不致下滑。。電動推桿還可以是電動絲杆-螺母式推桿或液壓式推桿或鏈條迴轉式推桿，這些 推桿可以單套獨立使用於中小型輕載跟蹤系統中，也可以多套成排聯動使用於大型重載跟 蹤系統中。電動水平旋轉平臺5由驅動系統6、芯軸7、固定壓板11、底盤12、滾輪12構成，芯 軸7與大地或建築物固聯，數個滾輪裝13在底盤12下部周邊，底盤的中心孔套入芯軸7中 並可繞其旋轉，芯軸的上端部有一能阻止中心孔從芯軸中脫出的固定壓板11，驅動系統6 可驅動底盤繞芯軸7旋轉。電動推桿3、電動水平旋轉平臺5、剛性承物平臺2三個部件之間通過相互鉸接，空 間上構成了較為穩定的三角形結構，具備很好的結構剛性和抗風載能力。電動水平旋轉平臺5上的驅動系統由電機、多級減速機組成，減速後的轉矩用以 驅動行走輪轉動；行走輪的驅動形式可以是多輪單驅動也可以是多輪雙驅動或多輪多驅 動，還可以採用多個傘型齒輪組成分動器，將主動傘齒輪套裝在芯軸的外側，分動傘齒輪分 裝於其周邊，再通過各自的分動傳動軸，將相同旋轉方向的力矩分別傳輸到各驅動輪，以帶 動水平旋轉平臺5按跟蹤要求進行正、反向旋轉尋向。電動推桿3和電動水平旋轉平臺5上的驅動系統的電機可採用直流電機，系統可 由太陽能電池板外加蓄電池自行供電；剛性承物平臺2作為承載平臺，可將太陽能電池板 或聚光型太陽能光伏接收組件、聚光型光熱接收組件裝載其上，使其對太陽作全方位跟蹤。


下面結合附圖對本發明進一步說明。圖1是剛性承物平臺處於上抑狀態視2是剛性承物平臺處於水平狀態視圖
圖3是剛性承物平臺處於水平狀態的俯視4是重載型跟蹤器的剛性承物平臺處於水平狀態視5是重載型跟蹤器的剛性承物平臺處於上仰狀態視6是重載型跟蹤器的剛性承物平臺處於水平狀態俯視7是重載型跟蹤器的電動旋轉平臺結構示意8是本發明的二路電器驅動系統的電原理中，1是二座標高精度太陽跟蹤傳感器，2是剛性承物平臺，3電動推桿，4是二路 電器驅動系統，5是電動水平旋轉平臺，6是水平驅動系統，7是芯軸，8是鉸支軸，9是軌道， 10是聯動軸，11是固定壓板，12是底盤，13是滾輪。
具體實施例方式實施例之一的結構如圖1、圖2、圖3所示。圖1為剛性承物平臺處於上抑狀態的 工作示意圖，本實施例由一隻二座標高精度太陽跟蹤傳感器1、一個剛性承物平臺2、一套 電動推桿3、一套二路電器驅動系統4、一套電動水平旋轉平臺5構成；圖2為剛性承物平臺 處於平放狀態的示意圖，其中，6為電動水平旋轉平臺5上的電動驅動系統，芯軸7為與地面 固接的中心轉軸，一組滾輪13安裝在以芯軸7幾何中心點為圓心的一個圓周上，每個滾輪 的軸向延長線均指並過此圓心，所有的滾輪均可以此圓心作圓同滾動，使得整機可在水平 方向上以芯軸7為中心，繞其作旋轉運動；8為鉸支軸，是剛性承物平臺作上下俯仰運動的 鉸支點；本機下部的驅動輪可直接落地，但要求地表為較平整結實的地面。本實施例為中、 小型跟蹤器的典型應用，其特點為1、僅用一副電動推桿推動剛性承物平臺2作上仰或平 放運動；2、水平與垂直方向的驅動器施力點均在運動構件的切向速度最大處(而不在轉軸 處)，也即「邊緣驅動」方式，使得驅動器的力矩不須設計得很大，用較小的電機10W)即 能驅動成噸重的較大設備，使得機構簡化、微功耗，符合經濟、耐用的原則；3、如圖1所示， 整機由電動推桿3、剛性承物平臺2、電動水平旋轉平臺5構成一個穩定的三角形結構，使得 整機的機構穩定性好，抗風能力大為提升；同時，由於芯軸7的下端與地面固接，電動水平 旋轉平臺5的中心孔套裝在芯軸7上，固定壓板11又與芯軸固接並限制了電動水平旋轉平 臺5中心孔在垂直方向上的位移，使得整機受外力(如大風)作用時不易傾倒，增強了設備 的抗風能力。4、「邊緣驅動」方式與「樞軸驅動」方式相比，減速機構在相同機械間隙的情況 下，由於前者處在轉動體的邊緣，其間隙產生的機構整體角位移最小，而後者處於轉動軸的 中心位置，其間隙產生的機構整體角位移最大，所以，本機構的傳動精度高、便於精確定位。本實施例的工作原理如下當陽光照在二座標高精度太陽跟蹤傳感器1上時，其 上的兩組光電池由於各自入射角的差異，感應出不同的電壓，通過二路電器驅動系統4內 電路的比較、分析，分別給電動推桿3和電動水平旋轉平臺5發出矯位信號，使其分別作上 下俯仰和左右偏轉運動，直至兩組光電池上感應的電壓相同為止，完成一次對日跟蹤矯位。 由於地球不停地自轉，太陽在天空中的位置隨著產生偏移，本設施不時重複以上對日跟蹤 矯位動作，使設備始終朝向太陽。實施例之二的結構如圖4、圖5、圖6所示。本實施例的工作原理與實施例一基本 相同，僅是在結構上略有差異，不同之處在於1、多了一圈地軌9，使得本機對地面平整度 的要求大為降低，可適應於戶外的所有環境使用；2、使用了一對電動推桿，但兩推桿上帶齒的驅動輪由一根聯動軸10相連，垂直方向上的電動驅動器裝在兩推桿之間，兩推桿共用一 套驅動器(電機+減速機)，使得兩推桿得以同步上升或下降，帶動剛性承物平臺2作上下 俯仰動作。因此，本實施例的結構適應性更強、承載能力更大、穩定性更高，使得對日跟蹤更 為精確、可靠。 圖6是本發明的二路電器驅動系統的電原理圖的實施例之一，圖中，U1、U2、U3、U4 為二座標高精度太陽跟蹤傳感器1上的兩對(四隻)光電池，由於其朝向為兩兩傾斜(傾 斜角相同)相背，兩對互成90°安裝，因此四片光電池的朝向各自不同，當其得到不同的光 強時，各自所發出的電壓不同，經各自的限流電阻Rl、R2、R3、R4限流後，分別送到四個A/D 轉換器進行模/數轉換並經數據比較，以作出正確的機位判斷，並由0UT1、0UT2、0UT3、0UT4 分別向後續的放大和驅動電路發出矯位信號，使得電動推桿3與水平旋轉平臺5上的電動 機協同對各自坐標的姿位作出正確調整，以使剛性承物平臺2的向陽面始終朝向太陽。圖 中Wl、W2、W3、W4分別為四片光電池的負載電阻，通過調整其阻值的大小，可對本跟蹤器作 精確調整。
權利要求
一種旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於包含一隻二座標高精度太陽跟蹤傳感器1、一個剛性承物平臺2、一套或一對電動推桿3、一套二路電器驅動系統4、一套電動水平旋轉平臺5，構成一套所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器；二座標高精度太陽跟蹤傳感器1安裝在剛性承物平臺2的迎光面上，一套或一對電動推桿3的下端鉸接在電動水平旋轉平臺5的檯面上，其上端的活動套與剛性承物平臺2相鉸聯；電動水平旋轉平臺5的檯面上還固接有一個或一對支腳，支腳上有一組同軸的鉸支孔，剛性承物平臺2的下腹部與這一鉸支孔鉸接，通過電動推桿3活動套的上下移動，可推動剛性承物平臺2在電動水平旋轉平臺5的檯面上繞其鉸軸作90°以內的上下俯仰運動，再通過電動水平旋轉平臺5在水平方向上的轉動，馱著剛性承物平臺2對太陽運動作全方位跟蹤，使其受光面始終迎著太陽。
2.根據權利要求1所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於二座標太陽跟蹤傳感 器1內包含兩對參數相同的光敏器件、一根四面帶有反光鏡面的矩形反光立柱、一個四稜 錐臺、一個遮光筒和一個底座，構成一個二座標的太陽跟蹤傳感器，兩對光敏器件分別裝貼 在四稜錐臺的四個斜面上，矩形反光立柱垂直立於四稜錐臺的頂部平臺上，其四側的鏡面 反光面與四稜錐臺的四個斜面分別一一對應，遮光筒與底座相連，處於本件的最底部。
3.根據權利要求1所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於二座標太陽跟蹤傳感 器還可由二套具有以下特徵的一座標寬域太陽跟蹤傳感器互成90°安裝構成，每套一座標 寬域太陽跟蹤傳感器包含一對參數相同的光電池、一片雙面反光鏡片和一個等腰三角形 支架，構成一個一座標的寬域太陽跟蹤傳感器，兩片光電池分別裝在等腰三角形支架的兩 個斜面上，雙面反光鏡片裝在兩片光電池外交角的平分線上。
4.根據權利要求1所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於二路電器驅動系統4 內包含數個電壓比較器或A/D轉換器，將來自於二維太陽跟蹤傳感器1的兩對與光強成比 例的電壓信號或電流信號或阻值變化信號進行直接比較或經A/D轉換後再行比較，檢出超 過設定閾值的差值信號，同時由相應的邏輯分析電路對設備的對日跟蹤情況或對日、夜、 陰、晴、風狀況進行正確判斷，再由功率放大電路分別驅動兩套電動推桿3對受光面作出相 應的姿位調整。
5.根據權利要求1所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於電動推桿3包含一組 滑動套、一根帶齒條或齒孔的長杆、一個帶齒的驅動輪、一副蝸輪蝸杆減速機、一隻電動機、 一個鉸支杆座，構成一套所述的電動推桿裝置，鉸支杆座與長杆鉸接，長杆套裝在滑套內， 驅動輪安裝在滑套的一側並與長杆上的齒條或齒孔相嚙合，驅動輪由蝸輪蝸杆減速機驅 動，蝸輪蝸杆減速機由電動機帶動，由於蝸輪蝸杆減速機的不可逆性，使得機構有良好的自 瑣性能。
6.根據權利要求1或5所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於電動推桿還可以 是電動絲杆_螺母式推桿或液壓式推桿或鏈條迴轉式推桿，這些推桿可以單套獨立使用於 中小型輕載跟蹤系統中，也可以多套成排聯動使用於大型重載跟蹤系統中。
7.根據權利要求1或5至6所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於電動水平旋 轉平臺5由驅動系統6、芯軸7、是固定壓板11、底盤12、滾輪13構成，芯軸7與大地或建築 物固聯，數個滾輪裝13在底盤12下部周邊，底盤的中心孔套入芯軸7中並可繞其旋轉，芯 軸的上端部有一能阻止中心孔從芯軸中脫出的固定壓板11，驅動系統可驅動底盤繞芯軸7 旋轉。
8.根據權利要求1或5至7所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於電動推桿3、 電動水平旋轉平臺5、剛性承物平臺2三個部件之間通過相互鉸接，空間上能構成較為穩定 的三角形結構，具備很好的結構剛性和抗風載能力。
9.根據權利要求1或6至8所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於電動水平旋轉 平臺5上的驅動系統可以是多輪單驅動也可以是多輪雙驅動或多輪多驅動，還可以採用多 個傘型齒輪組成分動器，將主動傘齒輪套裝在芯軸的外側，分動傘齒輪分裝於其周邊，再通 過各自的分動傳動軸，將相同旋轉方向的力矩分別傳輸到各驅動輪，以帶動旋轉平臺5按 跟蹤要求進行正、反向旋轉尋向。
10.根據權利要求1至9所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器，其特徵在於電動推桿3和電 動水平旋轉平臺5上的驅動系統的電機可採用直流電機，系統可由太陽能電池板外加蓄電 池自行供電；剛性承物平臺2作為承載平臺，可將太陽能電池板或聚光型太陽能光伏接收 組件、聚光型光熱接收組件裝載其上，使其對太陽作全方位跟蹤。
全文摘要
一種旋轉俯仰式太陽跟蹤器，屬於太陽能應用領域，用於太陽能集熱、採熱系統以及太陽能光伏發電系統的太陽方位的實時動態跟蹤。其特徵在於包含一隻二坐標高精度太陽跟蹤傳感器1、一個剛性承物平臺2、一套或一對電動推桿3、一套二路電器驅動系統4、一套電動水平旋轉平臺5，構成一套所述的旋轉俯仰式太陽跟蹤器；二座標高精度太陽跟蹤傳感器1安裝在剛性承物平臺2的迎光面上，一套或一組電動推桿3的下端鉸接在電動水平旋轉平臺5的檯面上，其上端與剛性承物平臺2相鉸聯；電動水平旋轉平臺5的檯面上還固接有一個或一組支腳，支腳上有一組同軸的鉸支孔，剛性承物平臺2的下腹部與這一鉸支孔鉸接，通過電動推桿3活動套的上下移動，可推動剛性承物平臺2在電動水平旋轉平臺5的檯面上繞其鉸軸作90°以內的上下俯仰運動，再通過電動水平旋轉平臺5在水平方向上的轉動，馱著剛性承物平臺2對太陽運動作全方位跟蹤，使其受光面始終迎著太陽。
文檔編號H02N6/00GK101923355SQ20091011200
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月16日 優先權日2009年6月16日
發明者陳鼎凌 申請人:陳鼎凌