機械式雙軸太陽能跟蹤支架的製作方法

2023-06-01 23:26:21

專利名稱：機械式雙軸太陽能跟蹤支架的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能跟蹤支架領域，尤其是一種機械式雙軸太陽能跟蹤支架。
背景技術：
目前廣泛使用的太陽能光伏自動跟蹤系統跟蹤方式有三種，分別是水平單軸跟蹤、傾緯度角斜單軸跟蹤和雙軸跟蹤，其中水平單軸跟蹤和傾斜單軸跟蹤只有一個旋轉自由度，雙軸跟蹤具有兩個旋轉自由度。三種跟蹤系統採用的跟蹤控制策略為主動式跟蹤控制策略，通過計算得出太陽在天空中的方位，並控制光伏陣列朝向。這種主動式光伏自動跟蹤系統能夠較好的適用於多霜雪、多沙塵的環境中，在無人值守的光伏電站中也能夠可靠工作。然而，由於現有的太陽能光伏自動跟蹤系統都依靠電機來精確地控制太陽能電池板的朝向，對電機的消耗相對較大，導致整套系統容易出現故障且能耗不小。從跟蹤是否連續的角度看，現在所研製的太陽能光伏自動跟蹤系統採用了步進跟蹤方式。與連續跟蹤方式相比，步進跟蹤方式雖然能夠大大的降低跟蹤系統自身能耗但是其一定程度降低了太陽能電池板的轉化效率而且頻繁啟動電機減少了跟蹤系統的壽命。此外，現有的系統構造相對複雜，成本高，損壞之後維修難度大。

發明內容
為了克服現有太陽能光伏自動跟蹤系統高成本、結構複雜、壽命短等不足，本發明提供一種機構簡單、控制容易，能夠實現全天候連續跟蹤並且使用壽命長、製造及維修成本相對較低的一種機械式雙軸太陽能跟蹤支架。本發明的機械式雙軸太陽能跟蹤支架採用的跟蹤方式是極軸式雙軸跟蹤。極軸式雙軸跟蹤機構中極軸固定與地軸平行，俯仰角調節軸通過機構固定在極軸之上，其跟蹤原理如下所述太陽的東升西落是地球自轉與公轉共同作用的結果。根據天體運動學，可通過以下公式計算太陽理論位置
sina=sincpsin5+coscpcos5cosco(1)sin γ = cos δ sin ω/cos α(2)式中α為太陽高度角；Y為太陽方位角；φ為當地緯度；δ為太陽赤緯角，僅與日期有關，第η天的赤緯角可表示為S=23.45sin(3&0 =); ω為太陽時角，可近似通過時間來獲得，其誤差可忽略，ω = 15(12-t) (t為當地時間)。由上述式子(1)、⑵可知，太陽高度角α、方位角、可由當地緯度φ、太陽赤緯角 δ和太陽時角ω來確定。在緯度一定的情況下，可由太陽時角ω與太陽赤緯角δ確定太陽高度角α與太陽方位角Y。由天體運動學可知，將太陽能電池板的旋轉軸(極軸)調整至與地軸平行，其安裝角即為當地緯度角φ，此時可以通過極軸旋轉抵消地球的自轉所產生的太陽光偏角。因為太陽的東升西落是由於地球的自轉決定的，而地球自轉速度恆定，所以在地球上，同一時刻， 對同一經度，不同緯度的人來說，太陽對應的時角是相同的。地球自轉一周360度，對應的時間為M小時，即每小時相應的時角為15度。因此太陽能電池板的旋轉軸在工作時間內的旋轉速度為15度每小時。此外，太陽能電池板一天內所能接受太陽光的時間一般是小於 24小時(極晝時會出現M小時)，所以跟蹤系統每天實際需要運轉的時間一般也是小於M 小時的。同時為保證太陽能電池板與太陽光垂直，使電池板與極軸夾角為太陽赤緯角δ。 這樣可以抵消赤緯角變化所產生的太陽光偏角。極軸式跟蹤一天之內太陽能電池板的俯仰角變化不大於0. 4°。即使按照一個星期或者半個月調節一次，由赤緯角變化所產生的太陽光與電池板法線的偏角也很小。因此，太陽能電池板的俯仰角可以周期性機械調節。因此，極軸式雙軸跟蹤可以保證跟蹤精度的基礎上將太陽能板的橢圓跟蹤軌跡轉化為繞旋轉軸旋轉跟蹤太陽時角，以及俯仰角跟蹤太陽赤緯角。其優點在於其可以將坐標式中兩個相關聯的二維運動轉化為太陽時角以及太陽能電池板俯仰角兩個互不幹涉的簡單一維運動。這樣可以大大簡化跟蹤系統的機械結構和電子控制裝置。針對上述原理，為了實現前述目的，本發明的機械式雙軸太陽能跟蹤支架具體方案如下一種機械式雙軸太陽能跟蹤支架包括立柱、太陽時角跟蹤機構、渦卷彈簧蓄力機構、擒縱調速機構、傳動鎖定機構、高度角跟蹤機構以及太陽能電池板，其中所述的立柱 (1)安裝在太陽時角跟蹤機構中的太陽時角跟蹤電機(3)下端；渦卷彈簧蓄力機構中的卷簧軸(7) —端與太陽時角跟蹤機構齒輪連接；擒縱調速機構通過過渡齒輪(10)與渦卷彈簧蓄力機構中卷簧軸(7)另一端設置的卷簧軸輸出齒輪(9)連接；傳動鎖定機構的鎖死爪鎖死或鬆開擒縱調速機構輸入齒輪(11)；高度角跟蹤機構的太陽時角安裝板03)外部安裝有太陽能電池安裝板(27)，太陽能電池安裝板(XT)上固定安裝太陽能電池板O)。太陽時角跟蹤機構由太陽時角跟蹤電機(3)、電機輸出齒輪G)、太陽時角中間齒輪輪系(5)、太陽時角跟蹤軸(6)組成；其中，太陽時角跟蹤電機(3)上端為電機輸出齒輪 G)，太陽時角中間齒輪輪系(5)與太陽時角跟蹤軸(6)中間設置的齒輪相嚙合，太陽時角跟蹤軸(6)兩端分別與太陽時角安裝板的上下端固定連接。渦卷彈簧蓄力機構由卷簧軸(7)、渦卷彈簧(8)和卷簧軸輸出齒輪(9)組成；其中渦卷彈簧(8)安裝在卷簧軸(7)中間位置相對於卷簧軸固定，並隨卷簧軸一起轉動以便蓄能；卷簧軸(7) —端安裝的齒輪與所述的太陽時角跟蹤電機C3)上端的電機輸出齒輪 (4)嚙合，並通過太陽時角中間齒輪輪系(5)帶動位於上方的太陽時角跟蹤軸(6)旋轉。其中，所述的渦卷彈簧(8)內圈安裝於卷簧軸(7)上，外圈固定在卷簧盒上，在外圈偏離中心的位置安裝一個螺釘以限制其轉動。卷簧軸(7)每天的工作圈數在1至20圈之間，太陽時角中間齒輪輪系(5)與太陽時角跟蹤軸(6)中間設置的齒輪傳動的傳動比在 5 1至30 1之間。擒縱調速機構由擒縱調速機構輸入齒輪(11)、棘輪爪(12)、棘輪(13)、擒縱調速機構齒輪箱(17)、擒縱爪(18)、單擺固定環(19)、單擺軸(20)、擒縱輪和單擺02)組成；其中，擒縱調速機構輸入齒輪(11)外側面上安裝有棘輪爪(1 和棘輪(1 ；棘輪(13) 通過擒縱調速機構齒輪箱(17)帶動擒縱輪的運動，擒縱輪上部安裝有連接為一體的擒縱爪(18)、單擺固定環(19)、單擺軸00)以及單擺(22)，單擺0 的擺動控制擒縱調速機構的運動周期。其中，擒縱調速機構輸入齒輪(11)的速度在1/60轉每秒至1/5轉每秒之間，其與卷簧軸輸出齒輪(9)的傳動比在200 1至2000 1之間。傳動鎖定機構由所述的鎖死爪(14)、偏心輪(15)以及自鎖電機(16)組成；其中， 鎖死爪(14)設置在擒縱調速機構輸入齒輪(11)的齒端，並由自鎖電機(16)通過偏心輪 (15)來驅動，所述的自鎖電機(16)為蝸輪蝸杆自鎖電機。高度角跟蹤機構由太陽時角安裝板03)、高度角軸04)、蝸輪蝸杆05)和高度角跟蹤電機06)組成；其中，太陽時角安裝板上安裝有高度角軸(M)、蝸輪蝸杆(25)， 蝸輪蝸杆0 連接高度角跟蹤電機06)。其中，所述的太陽時角跟蹤電機(3)以及高度角跟蹤電機06)為步進電機，高度角跟蹤電機06)通過聯軸器與蝸輪蝸杆0 相連接。本發明機械式雙軸太陽能跟蹤支架的動力系統，採用電機帶動渦卷彈簧蓄力，再由擒縱調速機構將力矩均勻地輸出，帶動極軸跟蹤太陽時角，同時每天的高度角由跟蹤機構運轉一個預定角度便停機的工作方式，減少了成本，降低了電氣系統的運行時間以及啟
動頻率。本發明機械式雙軸太陽能跟蹤支架的機械控制，是由棘輪以及棘輪爪將卷簧軸的雙向運動轉換為單向運動傳動給擒縱調速機構；傳動鎖定機構由一個蝸輪蝸杆自鎖電機控制，在支架啟動前鎖死卷簧軸；擒縱調速機構的運動周期可以由單擺或者遊絲擺輪機構來確定，通過齒輪系釋放卷簧軸儲存的動力。本發明機械式雙軸太陽能跟蹤支架的電氣控制系統，三個電機每天只需要運行5 分鐘以內，並且只運行一次；太陽時角跟蹤電機和高度角跟蹤電機按照預定規律運行，運行圈數明確，控制方法簡單；鎖死電機的運行允許較大誤差，只需要短時間進行釋放。由上述可知，本發明機械式雙軸太陽能跟蹤支架，電子器件和電機每天工作時間很短，太陽時角跟蹤軸和卷簧軸同步，每天的反轉可以消除累積誤差；擒縱調速機構調速穩定，以小扭矩控制大扭矩，結構簡單；棘輪以及棘輪爪的控制避免了卷簧軸反轉時對擒縱調速機構的影響。因此，本發明機械結構簡單，運行穩定，生產成本低，同時電氣控制系統運行時間短，啟動頻率低，極大程度地延長了系統壽命。


通過以下參照附圖，可以更清晰地表達本發明的優點及工作原理。圖1為本發明機械式雙軸太陽能跟蹤支架的整體示意圖；圖2為太陽時角跟蹤電機、卷簧軸以及太陽時角跟蹤軸的傳動結構示意圖；圖3為卷簧軸、擒縱調速機構輸入齒輪以及傳動鎖定機構示意圖；圖4為卷簧軸與擒縱調速機構之間的傳動結構示意圖；圖5為高度角跟蹤機構、太陽時角跟蹤機構以及渦卷彈簧蓄力機構安裝結構示意圖。圖中，1立柱、2太陽能電池板、3太陽時角跟蹤電機、4電機輸出齒輪、5太陽時角中間齒輪輪系、6太陽時角跟蹤軸、7卷簧軸、8渦卷彈簧、9卷簧軸輸出齒輪、10過渡齒輪、11擒縱調速機構輸入齒輪、12棘輪爪、13棘輪、14鎖死爪、15偏心輪、16自鎖電機、17擒縱調速機構齒輪箱、18擒縱爪、19單擺固定環、20單擺軸、21擒縱輪、22單擺、23太陽時角安裝板、24高度角軸、25蝸輪蝸杆J6高度角跟蹤電機、27太陽能電池安裝板。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施例進行說明一種機械式雙軸太陽能跟蹤支架包括立柱1、太陽時角跟蹤機構、渦卷彈簧蓄力機構、擒縱調速機構、傳動鎖定機構、高度角跟蹤機構以及太陽能電池板2。參見圖1、圖2，太陽時角跟蹤機構由太陽時角跟蹤電機3、電機輸出齒輪4、太陽時角中間齒輪輪系5、太陽時角跟蹤軸6組成。其中，太陽時角跟蹤電機3下端固定於立柱1 上，上端為電機輸出齒輪4，太陽時角中間齒輪輪系5與太陽時角跟蹤軸6中間設置的齒輪相嚙合，太陽時角跟蹤軸6的兩端分別與太陽時角安裝板23的上下端固定連接。優選地， 太陽時角跟蹤電機3為步進電機。參見圖2、圖3，渦卷彈簧蓄力機構由卷簧軸7、渦卷彈簧8和卷簧軸輸出齒輪9組成。其中，渦卷彈簧8內圈安裝於卷簧軸7中間位置並相對於卷簧軸固定，外圈固定在卷簧盒(圖中未示)上，在外圈偏離中心的位置安裝一個螺釘(圖中未示)以限制其轉動，從而使渦卷彈簧隨卷簧軸一起轉動以便蓄能；卷簧軸7 —端安裝齒輪與控制系統的太陽時角跟蹤電機3的電機輸出齒輪4嚙合，並通過太陽時角中間齒輪輪系5帶動位於上方的太陽時角跟蹤軸6旋轉；卷簧軸7的另一端安裝卷簧軸輸出齒輪9。優選地，卷簧軸7每天的工作圈數在1至20圈之間，太陽時角中間齒輪輪系5與太陽時角跟蹤軸6中間設置的齒輪傳動的傳動比在5 1至30 1之間。參見圖3、圖4，擒縱調速機構由擒縱調速機構輸入齒輪11、棘輪爪12、棘輪13、擒縱調速機構齒輪箱17、擒縱爪18、單擺固定環19、單擺軸20、擒縱輪21和單擺22組成。其中，卷簧軸輸出齒輪9通過過渡齒輪10與擒縱調速機構輸入齒輪11相傳動，擒縱調速機構輸入齒輪11外側面上安裝有棘輪爪12和棘輪13，且該輸入齒輪(11)的齒端設置鎖死或鬆開擒縱調速機構輸入齒輪11的鎖死爪14 ；棘輪13通過擒縱調速機構齒輪箱17帶動擒縱輪21的運動，擒縱輪21上部安裝有連接為一體的擒縱爪18、單擺固定環19、單擺軸20以及單擺22，單擺22的擺動控制擒縱調速機構的運動周期。其中，擒縱調速機構的運動周期也可以採用遊絲擺輪機構來確定。優選地，擒縱調速機構輸入齒輪11的速度在1/60轉每秒至1/5轉每秒之間，其與卷簧軸輸出齒輪9的傳動比在200 1至2000 1之間。參見圖3，傳動鎖定機構由鎖死爪14、偏心輪15以及自鎖電機16組成；其中，自鎖電機16通過偏心輪15驅動鎖死爪14使其鎖死或鬆開擒縱調速機構輸入齒輪11。優選地， 自鎖電機16為蝸輪蝸杆自鎖電機。參見圖5，高度角跟蹤機構由太陽時角安裝板23、高度角軸M、蝸輪蝸杆25和高度角跟蹤電機沈組成。其中，太陽時角安裝板23上安裝有高度角軸M、蝸輪蝸杆25，渦輪蝸杆25連接高度角跟蹤電機沈，太陽時角安裝板23外部還安裝有太陽能電池安裝板27。此外，太陽能電池安裝板27上固定安裝太陽能電池板2。優選地，高度角跟蹤電機沈為步進電機，高度角跟蹤電機沈通過聯軸器與渦輪蝸杆25相連接。本發明工作過程如下在每天早晨太陽能電池板2自動跟蹤太陽前，太陽時角跟蹤電機3啟動工作約1 分鐘，帶動卷簧軸7和太陽時角跟蹤軸6轉動，為渦卷彈簧8蓄能，使其滿足每天跟蹤太陽方位角的需要，並將太陽能電池板的朝向由西迴轉至東，返回至支架起點；同時，根據如前公式(1)確定的當地太陽高度角α，通過高度角跟蹤電機26運行一定圈數實現。兩個電機達到確定的工作圈數後都停止工作，且電機停機後，卷簧軸7由於渦卷彈簧8的作用反向旋轉。擒縱調速機構中單擺22的擺動周期一定，通過擒縱爪18控制擒縱輪21轉速恆定，以保證能量均勻輸出，從而控制由卷簧軸7轉動速度恆定。這時，由卷簧軸7帶動太陽時角跟蹤軸6轉動，使太陽能電池板2能夠跟蹤太陽時角旋轉，高度角的調整使太陽能電池板能正對當天的太陽光。同時，在太陽時角跟蹤電機沈帶動卷簧軸7反向旋轉前，鎖死機構處於釋放狀態。 卷簧軸7反向旋轉後，自鎖電機16電機軸上的偏心輪15帶動鎖死爪14鎖死擒縱調速機構輸入齒輪11，自鎖電機16可以馬上停機，以保持太陽能電池板的朝向固定。到達預定的啟動釋放時間後，由自鎖電機16上的偏心輪15帶動鎖死爪14鬆開擒縱調速機構輸入齒輪 11，齒輪系正常傳動。在太陽下山後，支架達到極限位置。由於結構的限制，太陽時角跟蹤軸6將不能再轉動，整個支架可以自動停機並使單擺22停止擺動。第二天單擺22可以因為卷簧軸7提供給擒縱輪21的動力再次擺動，擺動的能量損失可以由擒縱輪21的衝擊提供，以此達到控制動力均勻輸出的目的。本發明所涉及的其他的技術內容為本領域的現有技術，在此不再贅述。本發明機械式雙軸太陽能跟蹤支架的原理和一個實例已經闡明，由其他人員做出的各種變化和改進，比如將分別由太陽高度角跟蹤電機與太陽時角跟蹤電機驅動的機械結構修改為由單一電機驅動的聯動機械結構等，都不會脫離本發明的保護範圍。
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權利要求
1.一種機械式雙軸太陽能跟蹤支架，包括立柱(1)、太陽時角跟蹤機構、渦卷彈簧蓄力機構、擒縱調速機構、傳動鎖定機構、高度角跟蹤機構以及太陽能電池板O)，其特徵在於所述的立柱⑴安裝在太陽時角跟蹤機構中的太陽時角跟蹤電機⑶下端；渦卷彈簧蓄力機構中的卷簧軸(7) —端與太陽時角跟蹤機構齒輪連接；擒縱調速機構通過過渡齒輪(10)與渦卷彈簧蓄力機構中卷簧軸(7)另一端設置的卷簧軸輸出齒輪(9)連接；傳動鎖定機構的鎖死爪(14)鎖死或鬆開擒縱調速機構輸入齒輪(11)；高度角跟蹤機構的太陽時角安裝板03)外部安裝有太陽能電池安裝板(27)，太陽能電池安裝板(XT)上固定安裝太陽能電池板O)。
2.如權利要求1所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於太陽時角跟蹤機構由太陽時角跟蹤電機(3)、電機輸出齒輪G)、太陽時角中間齒輪輪系(5)、太陽時角跟蹤軸 (6)組成；其中，太陽時角跟蹤電機(3)上端為電機輸出齒輪G)，太陽時角中間齒輪輪系 (5)與太陽時角跟蹤軸(6)中間設置的齒輪相嚙合，太陽時角跟蹤軸(6)兩端分別與太陽時角安裝板03)的上下端固定連接。
3.如權利要求1或2所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於渦卷彈簧蓄力機構由卷簧軸⑵、渦卷彈簧⑶和卷簧軸輸出齒輪(9)組成；其中渦卷彈簧⑶安裝在卷簧軸(7)中間位置相對於卷簧軸固定，並隨卷簧軸一起轉動以便蓄能；卷簧軸(7) —端安裝的齒輪與所述的太陽時角跟蹤電機⑶上端的電機輸出齒輪⑷嚙合，並通過太陽時角中間齒輪輪系(5)帶動位於上方的太陽時角跟蹤軸(6)旋轉。
4.如權利要求3所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於所述的渦卷彈簧(8) 內圈安裝於卷簧軸(7)上，外圈固定在卷簧盒上，在外圈偏離中心的位置安裝一個螺釘以限制其轉動。
5.如權利要求4所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於所述的卷簧軸(7) 每天的工作圈數在1至20圈之間，太陽時角中間齒輪輪系(5)與太陽時角跟蹤軸(6)中間設置的齒輪傳動的傳動比在5 1至30 1之間。
6.如權利要求3所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於擒縱調速機構由擒縱調速機構輸入齒輪(11)、棘輪爪(12)、棘輪(13)、擒縱調速機構齒輪箱(17)、擒縱爪 (18)、單擺固定環(19)、單擺軸(20)、擒縱輪和單擺0 組成；其中，擒縱調速機構輸入齒輪(11)外側面上安裝有棘輪爪(1 和棘輪(1 ；棘輪(1 通過擒縱調速機構齒輪箱(17)帶動擒縱輪的運動，擒縱輪上部安裝有連接為一體的擒縱爪(18)、單擺固定環(19)、單擺軸OO)以及單擺(22)，單擺0 的擺動控制擒縱調速機構的運動周期。
7.如權利要求6所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於擒縱調速機構輸入齒輪(U)的速度在1/60轉每秒至1/5轉每秒之間，其與卷簧軸輸出齒輪(9)的傳動比在 200 1 至 2000 1 之間。
8.如權利要求7所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於傳動鎖定機構由所述的鎖死爪(14)、偏心輪(1 以及自鎖電機(16)組成；其中，鎖死爪(14)設置在擒縱調速機構輸入齒輪(11)的齒端，並由自鎖電機(16)通過偏心輪(1 來驅動，所述的自鎖電機(16)為蝸輪蝸杆自鎖電機。
9.如權利要求8所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於高度角跟蹤機構由太陽時角安裝板(23)、高度角軸(M)、蝸輪蝸杆(25)和高度角跟蹤電機(26)組成；其中， 太陽時角安裝板上安裝有高度角軸(M)、蝸輪蝸杆(25)，蝸輪蝸杆0 連接高度角跟蹤電機(26)。
10.如權利要求9所述的機械式雙軸太陽能跟蹤支架，其特徵在於所述的太陽時角跟蹤電機(3)以及高度角跟蹤電機06)為步進電機，高度角跟蹤電機06)通過聯軸器與蝸輪蝸杆0 相連接。
全文摘要
本發明涉及一種機械式雙軸太陽能跟蹤支架，包括立柱、太陽時角跟蹤機構、渦卷彈簧蓄力機構、擒縱調速機構、傳動鎖定機構、高度角跟蹤機構以及太陽能電池板。所述的立柱安裝在太陽時角跟蹤機構中的太陽時角跟蹤電機下端，渦卷彈簧蓄力機構的卷簧軸一端與太陽時角跟蹤機構齒輪連接，擒縱調速機構通過過渡齒輪與渦卷彈簧蓄力機構中卷簧軸另一端設置的卷簧軸輸出齒輪連接，傳動鎖定機構的鎖死爪鎖死或鬆開擒縱調速機構輸入齒輪，高度角跟蹤機構的太陽時角安裝板外部安裝太陽能電池安裝板，太陽能電池安裝板上固定安裝太陽能電池板。本發明機械結構簡單，運行穩定，生產成本低，同時電氣控制系統運行時間短，啟動頻率低，極大程度地延長了系統壽命。
文檔編號H01L31/042GK102427088SQ20111040639
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者盧序, 蔡業豹, 賀禮 申請人:盧序