一轴和双轴式太阳跟踪装置的利记博彩app

专利名称：一轴和双轴式太阳跟踪装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及太阳能的收集，尤其涉及与太阳能聚光有关的太阳位置的跟踪，用在 太阳光聚光条件下更好地收集太阳能。
背景技术：
众所周知，正确地跟踪太阳的位置对收集太阳能是非常重要的，尤其是在聚光条 件下收集太阳能。这方面，许多不同的实施方式已经被发明，总的来说它们可被归类为一轴 跟踪和二轴跟踪。一轴跟踪很简单，但是，人们普遍认为一轴跟踪的跟踪能力比较差，但是 在一种特定的情况下其实不然；二轴跟踪可以有一个很好的跟踪精度，但是，由于普遍采用 的是二轴耦合旋转，其结构通常是非常复杂的，相应的其制造成本也比较高。大多数二轴跟踪是使用当地坐标系统，或称之为水平安装。它提供了非常方便的 低高度的安装方式。但是，其旋转运动控制是非常复杂的。第一个旋转轴通常垂直于水平 面，围绕该轴心再搭建一个平台，它用于跟踪太阳的方位角；然后在这个平台的基础上搭建 第二个旋转轴，用于决定太阳能跟踪器的仰角。围绕这两个旋转轴的转动都是非线性的运 动，通常由太阳位置传感器的信号输入伺服电机来驱动太阳能跟踪器。另外，二轴的追踪也可以使用极坐标系统，或称为赤道安装。它提供了相对简单方 便的追踪方法。第一个旋转轴通常是平行于地球的旋转轴，围绕该轴心搭建一个平台，然后 在这个平台上搭建第二个旋转轴，用于遵循太阳高度的季节性变化，即太阳的高度偏角的 缓慢变化。第一轴的旋转是非常接近每一天一转的恒速转动，通常用时钟电机便可驱动这 一轴。第二轴的旋转是正弦变化并且非常缓慢，每年来回变动一次，已有人建议偶尔手动调 节或用某种自动调节的方法转动第二轴。在美国专利4202321中，发明人沃尔纳描述了一个混合式太阳能跟踪装置，他采 用了本地坐标和极坐标两套坐标系统。他采用本地坐标系统中的方位角(轴13)和高度角 (轴16)来定义他的太阳能收集器29的方向。然而，他采用极坐标系统中的极轴23和高 度方向轴27来描述自己的驱动机构，并用指轴26把两者连接为“一个坐标转换系统”(具 体见其权利要求书第8条)，这样，他避免了在本地坐标系统中复杂的旋转控制。所有的四 个轴方位轴13，高度角轴16，极轴23，和高度方向轴27必须在同一点相交，使其可以利 用它作为一个轴转换器。在极坐标系统中，他提出了手动或自动调节指轴26，因此来回改 变方向轴27方向士23. 5°的一般概念。在其说明书第四栏的第49行，“Alternatively， in a more sophisticated and automatic embodiment of the invention, appropriate drive mechanisms may be connected to automatically slide bearingblocking 25 over datum surface 24in timed relationship with the days of the year.，，"可替代 地，采用一个更复杂的和自动的发明方案，可接上相应的驱动器，依照年份中的日子关系， 自动驱动轴承块25在数据表面24上滑动。”不过，他没有给出任何具体方法来实现这样的 偏角自动调整。此外，沃尔纳的实施是一个轴转换器，而不是一个极轴跟踪装置，它有旋转 的机械局限，不能转动360°，更不能一直转动，因为在某些角度机械臂20与基座11会碰
4到。它每天来回旋转，这样该发明就失去了极轴跟踪的一个主要优势。在美国专利4402582中，发明人罗兹描述了一个极轴跟踪装置和方法，可以自动 调整太阳的高度偏角。然而，高度偏角的连续调整机制只是大约接近正弦，他没有提到纠正 这种误差的办法。此外，齿轮比设置为365 1，由于一年不是准确的365天，这将导致误差 累积，确立一种更精确的齿轮比是不容易落实到这种驱动机构中的。此外，寄生动力使该机 构的角度调整只适用于连续旋转，它不能选择来回旋转的运动模式。在美国专利4368962中，发明人尔贝格描述了一个极轴跟踪装置和更复杂的方法 来调整偏角，他进一步落实纠错机制，以正确地补偿各种误差，这是一个有太多的齿轮机 构，多段同轴旋转的非常复杂的实施方法，“太空曲轴”的机械连接要求4轴相交于一点，所 有这些使之在实践中难以实行。

发明内容
为了克服这些太阳能跟踪器的既有技术限制，并简化实施办法，我们需要做的是 第一发明锁定太阳高度偏角的在极轴方向运行的一轴太阳能跟踪器，这个太阳的高度偏 角只是突然地定期自动更新，它提供了简单和合理的实施方案并有良好的跟踪精度。第二， 稍微变动实现方法，发明采用差分同轴旋转的太阳能跟踪器，它特别适用于极轴跟踪，并可 以进一步推广到任意二轴太阳能跟踪配置。从既有技术我们知道，极轴跟踪具有驱动控制简单的优势，同时围绕极轴旋转几 乎是恒定速度每天360度，太阳的高度偏角的变化是非常缓慢的，每年只有士231/2。来回 变化，把一天的高度偏角保持为恒定，这将是一个很好的近似。事实上，太阳的高度偏角变 化速率时时不同，其变化速率最快时也只是在士6小时变化小于士0.1°。而太阳本身就 具有士0.267°的大小。因此，如果我们能够正确地设定太阳的高度偏角，在一天内保持固 定，且只用一轴极轴跟踪，我们的太阳能跟踪器仍然有足够的跟踪精度。第二天我们必须设 置下一个正确的高度偏角，手动调整是繁琐的，从既有技术我们已经知道，既有的连续调整 的各种方法属于矫枉过正，是不必要的。自动，非连续的极轴跟踪中的太阳高度偏角突然调 整是本发明的目的。我们建议发明的仪器有一个可旋转轴，其轴向基本平行于地球的旋转轴。一个或 多个横梁硬性地垂直地固定于此轴，太阳能收集器安装在这些横梁上，可以围绕这些横梁 旋转来定义不同的太阳高度偏角，这些太阳能收集器通过机械装置连接到一组齿轮，齿轮 不同位置决定了太阳能收集器的高度偏角。齿轮组中的一个齿轮通常是由某种机械装置 (比如一个弹簧加载一个档球)锁定，导致整个齿轮链及太阳能收集器的太阳高度偏角被 保持在一个固定的位置，在正确的时间施加一个正确的力量这个太阳的高度偏角将被改变 适当的数值，例如弹簧可以被压缩，档球从缺口回缩，使齿轮可以旋转，直到档球进入下一 个缺口，那时，外部施加的力量消除，弹簧加载的档球把齿轮固定在新的位置，它决定太阳 能跟踪器的下一个高度偏角。这自动和非连续的太阳高度偏角更新的一轴极轴跟踪方法能 提供足够精确的太阳位置的跟踪要求，并且实施措施非常简单。为了进一步提高跟踪太阳 的位置的精度，这种非连续的太阳高度偏角的调整是不够的。可以对该基本的跟踪仪器进 行修改，以实现更多的误差校正机制。同轴差分旋转法可以达到这一目标，双轴以同轴旋转 的方式接近恒定的速度旋转。其中一轴的旋转与上述描述基本一致，沿地球的极轴方向每天转一圈。另一轴旋转的齿轮可以比极轴转的稍微快些或慢些，二轴转速的细微差异造成 的相对运动，可以通过机械方式用于连续地转动太阳能收集器的高度偏角。这两个旋转转 速和持续时间都可用简单的计数器来控制，对转速或持续时间的微调，可以很容易地纠正 由于地球围绕太阳的偏心轨道和所有其他的原因引起的跟踪误差，不管是每日误差还是年 度误差的校正。


图1是一轴式太阳能跟踪器的主视图。图2是齿轮自锁机构的放大视图。图3、图4、图5和图6显示了自锁装置在锁定位置和非锁定位置的横截面视图。图7显示了蜗轮与“开放式蜗杆齿”啮合的一个角度视图。图8显示了从底部看蜗轮开始与“开放式蜗杆齿”接触，啮合开始。图9显示了从底部看蜗轮与“开放式蜗杆齿”完成啮合。图10是二轴式太阳能跟踪器的主视图。图中，10可旋转轴，11,61驱动电机，12下部支持，14上部支持，15极轴，20、22横 梁，30太阳能收集器，35底板，37万向节，40连杆，50、70虫呙轮，51、65齿轮，52、62梁，60蜗 杆，63插槽，64弹簧，66锁定球，71、72、73内齿轮，80开放式蜗杆齿。
具体实施例方式一轴极轴太阳能跟踪器，如图1所示，旋转轴10安装在下部支持12和上部支持14 之间。这两个上下支持12和14是固定在地上，使旋转轴10可沿轴线15旋转，它是平行于 地球的天体旋转轴。横梁20和22是硬性连接在旋转轴10上面的，并且横梁20和22垂直 于转动轴10。另外安装蜗轮的梁52和62也是硬性地连接在旋转轴10上。太阳能收集器 30安装在横梁20上并且可以绕横梁20上下转动至少士23. 5°，这个转动定义了太阳能收 集器的高度偏角。假设我们在这里建立XYZ的坐标，以旋转轴10的中心线作为Y轴，横梁 20的中心线为X轴，这样我们清楚地知道，Z轴垂直于X和Y轴，太阳能收集器表面法线方 向与Z轴的夹角就是太阳的高度偏角。更多的太阳能收集器也同样可以安装在类似横梁20 这样的结构上，比如横梁22等，为说明简洁起见在此省略了。太阳能收集器30的一端连接到底板35上，由万向节37连接至连杆40的一端，连 杆40的另一端连接到一个蜗轮50，该蜗轮安装在梁52上。随着蜗轮50的转动，当连杆40 下降到最低点对应太阳能收集器30的23. 5°高度偏角的角度；当连杆40上升到最高点对 应于角度太阳能收集器30的-23. 5°偏角。蜗轮50的勻速转动可以很好地转化为太阳能 收集器的高度偏角的正弦变动。该蜗轮50是由蜗杆60驱动，蜗杆60连接到另一个蜗轮70 上。蜗轮70被安装在梁62上，通常被自锁在梁62上，这点将在下一段落叙述。上述所有 的东西都在旋转轴10上形成一个临时刚性结构，由电动机11驱动沿极轴15以恒定的速度 一直旋转。地面上固定安装一个“开放式蜗杆齿”80，图1显示它并没有接触任何其他部分。图2、图3、图4、图5和图6显示了一个普适的自锁装置的例子的具体结构，图2是 显示在蜗轮70附近的三维放大视图，锁定球66清晰可见。图3显示了蜗轮70在梁62上 的横截面视图。蜗轮70具有相同数量的外齿和内齿。蜗轮70只画了 20个齿仅用说明，齿的确切数目依设计而变化。弹簧64位于槽63内，槽63沿梁62的径向方向安装，弹簧64 把锁定球66往外推，把球压在内齿轮70的两相邻牙齿71和72之间的缺口，从而阻止蜗轮 70绕梁62的自由旋转。在这里，弹簧64的强度和内齿轮齿牙的坡度决定了此自锁装置的 工作强度。当有足够的切向力施加到蜗轮70，内齿72将推动锁定球66回到槽63，如图4 所示。如果蜗轮70继续旋转，锁定球66对蜗轮70没有锁定作用，如图5所示，直至弹簧64 将把锁定球66再次推出，这次将位于72和73之间的位置。如图6所示。这时如果去掉切 向力，蜗轮70将被锁定在一个新的位置。由图1中可见，这被锁住的蜗轮70连接到蜗杆60，而进一步驱动蜗轮50。蜗轮50 的位置通过连杆40决定太阳能集热器30的高度偏角，所以高度偏角是被锁定在一个特定 值。整个部件组合一起在转动轴10上沿极轴15旋转，由单一电机11驱动每一天转动一圈， 成为一个一轴太阳跟踪器。在一天预先设定的时间，蜗轮70开始与固定在地上的“开放式 蜗杆齿” 80接触，图7显示了放大的局部三维视图。如图7所示，“开放式蜗杆齿”80是一个螺旋型的牙齿，其横截面和蜗轮70的横截 面相匹配。该“开放式蜗杆齿”80位于大约垂直于极轴15的平面内。在这个平面内，如图 8所示，“开放式蜗杆齿”80的一端到转动轴10的中心的距离与“开放式蜗杆齿”80的另一 端至转动轴10的中心的距离有所不同，其差异是蜗轮70的一个齿间距。当这一轴太阳能 跟踪器旋转时，蜗轮70与“开放式蜗杆齿”80啮合，强迫蜗轮70转动一齿。这时蜗轮70正 好离开“开放式蜗杆齿”80，蜗轮70被锁定在一个新的位置，这新位置比以前的位置正好前 进了一齿。我们可以选择适当的齿轮比，使旋转轴10大致转365. 242199圈将导致蜗轮50转 一圈。在理论上一个蜗轮蜗杆装置就已经足够了，如图1所示，二级蜗轮蜗杆装置提供了太 阳高度偏角更强的锁定能力，这是由蜗杆60和蜗轮50提供的，并且在设计上可以灵活地选 择更多的齿轮比。多级蜗轮蜗杆也是可供选择的。这就是一轴极轴太阳能跟踪器，其高度 偏角在每天固定，并逐日突然且自动地更新其高度偏角。为了进一步提高跟踪精度，需要用到两轴跟踪方法。这意味着跟踪器要连续不断 调整其高度偏角，由图10可见，其旋转轴、太阳能跟踪器、上下支持、以及横梁等的安装与 一轴式跟踪器都是一样的，在此不作细述。所不同的是连杆40连接到一个齿轮51，齿轮51 安装在梁52上，由于齿轮51转动，当杆40下降到最低点对应太阳能收集器30的23. 5°高 度偏角的角度，当杆40上升到最高点对应于太阳能收集器30的-23. 5°偏角。齿轮51被另 一个齿轮65带动，齿轮65与旋转轴10同轴转动，电机11以一天一转的速度驱动旋转轴10， 电机61以不同的速度驱动齿轮65。旋转轴10与齿轮65之间转动速度的差别，结合了齿轮 65和51的传动比，可以连续改变太阳能收集器的高度偏角。举例来说，如果齿轮51有20个 齿，齿轮65有50个齿，则齿轮65就按以下转速转动(365. 242199士 1)/365. 242199*20/50 =每天转 1. 00109516 或 0. 9989048 圈。由于旋转轴10和齿轮65的两个转动，各种原因造成的误差均可被校正。地球绕 太阳的轨道并不是一个完美的圆，这使得太阳的高度偏角变化不是一个严格的时间正弦函 数，每天也不是准确的24小时。鉴于齿轮51和太阳能集热器30之间的简单机械连接40不 会把齿轮51的圆周运动精确地转化为高度偏角的正弦角度变动。所有这些极轴旋转和高 度偏角变动的小的角度误差，无论来自上面提到的原因还是来自其他尚未提到的原因，都
7可以很容易通过细微调整旋转轴10和齿轮65的转速和转动时间得以纠正。一个首选的方 式是让两个马达在一天的大部分时间，例如23小时，以恒定的速度运作，在余下的1小时加 速或降速一点，以弥补该特定一天的角度误差，这些小误差可以整理成表格输入控制程序。对于一轴太阳能跟踪器，如图1所示，一旦最初的高度偏角和极角都设置正确， 电机11开始以一个恒定速度驱动，旋转轴10每天转一圈。如果齿轮比的设置足够接近 365. 242199，转动轴10 —直转下去会提供非常良好的太阳能跟踪。实际上，如果齿轮比设 置为365，那么只需每四年手动调整一次高度偏角，这仅仅是每四年一次手动把自锁蜗轮 70拨动一格。由于每一天的时间不是准确的24小时，为了纠正由每日时间非均勻造成的误 差，该驱动电机11可以逐日被编程为转的快一点或慢一点来对付这种误差，或仅在晚上的 一部分时间部分旋转快一点或慢一点就足以弥补一天的时间长度差异的问题。对于二轴太阳能跟踪器，如图10所示，一旦最初的高度偏角和极角都设置正确， 电机11以勻速驱动旋转轴10每天旋转一圈，马达61开始以固定的速度驱动齿轮65，使之 转的比每天转一圈稍快或稍慢。如果齿轮比为50和20，齿轮65以每天转1. 00109516圈或 0. 9989048圈的恒速旋转。旋转轴10和齿轮65的永久转动将提供很好的太阳能跟踪。为 了纠正由于日长非均勻引入的误差，可对驱动电机11进行编程，使之可以逐日旋转快一点 或慢一点，以对付这种误差，或在晚上的一段时间转快一点或慢一点就足以弥补。为了纠正 不精确的高度偏差的正弦式变化，可对驱动电机61进行编程，使之逐日旋转快一点或慢一 点，以对付这种差异。
权利要求
一种一轴式太阳跟踪装置，具体地说是一种锁定太阳高度偏角的在极轴方向运行的一轴太阳能跟踪器。包括一根轴向基本平行于地球的旋转轴。一个或多个横梁硬性地垂直地固定于此轴，太阳能收集器安装在这些横梁上(可以根据实际要求在旋转轴上安装多个横梁，然后在横梁上安装多个太阳能收集器)，可以围绕这些横梁旋转来定义不同的太阳高度偏角，这些太阳能收集器连接到一个由多个齿轮组成的机械连接，齿轮不同位置决定了太阳能收集器的高度偏角。齿轮组中的一个齿轮通常是由某种自锁机械装置锁定，导致整个齿轮链及太阳能收集器的高度偏角被保持在一个固定的正确位置，在正确的时间施加一个正确的力量，该自锁装置可被拨动一格至新的固定位置，它决定太阳能跟踪器的下一个高度偏角。这自动和非连续的太阳高度偏角更新的一轴极轴跟踪方法能提供足够精确的太阳位置的跟踪要求，并且实施措施非常简单。
2.一种用差分同轴旋转法可以对该基本的跟踪仪器进行修改，即双轴太阳能跟踪器。 以此来实现更多的误差校正机制，如此一来，双轴以接近恒定的速度旋转。其中一轴旋转的 齿轮可以比极轴转的稍微快些或慢些，这细微的相对运动，可以通过机械装置实现连续地 调整太阳能收集器的高度偏角。并且这两个旋转转速和持续时间都可用简单的计数器来控 制实现。
3.根据权利要求1和2所述的一轴式和双轴式太阳跟踪装置，其旋转轴沿地球的自转 轴方向安装，由马达等动力驱动以恒定速度每天转一圈。其转动方向与地球的自转方向相 反。
4.根据权利要求1和2所述的一轴式和双轴式太阳跟踪装置，一个或多个太阳能收集 器安装在一根或者多根横梁上，并可绕此横梁作来回转动至少士231/2。。这个转动定义了太 阳能收集器的高度偏角。
5.根据权利要求1所述的一种一轴式太阳跟踪装置，在调好正确的初始值以后，其自 锁机制在一天的大部分时间内保持正确的太阳的高度偏角不变，在一天的特定时间段这自 锁装置会被解锁并且太阳的高度偏角会被正确更新至第二天正确的数值。这其实就是增加 了一项“自动和非连续太阳的高度偏角”更新装置。该装置通过一个蜗轮上的连杆带动太 阳能收集器的绕横杆摆动(士231/2。的范围)来实现太阳高度偏角的改变。原则上，虽然一 级蜗轮蜗杆可实现该功能，但是为了提高该自锁装置的自锁强度和高度偏角的精度控制， 并提供可容易实现的设计，二级或多级蜗轮蜗杆传动装置是适宜的。与此一级蜗轮耦合的 蜗杆直接连着二级蜗轮，自锁机构一般安装在此二级蜗轮上，并与一个固定于地面的开放 式蜗杆齿间断性地啮合，这样随着旋转轴转一圈，开放式蜗杆齿被设计成刚好啮合这二级 蜗轮的一个齿并使之前进一齿，推动一级蜗轮蜗杆转动，这样太阳能收集器随着连杆产生 正弦形摆动。其摆动值被设计为非常接近一天的太阳高度偏角变化。与此同时，蜗轮通过 一个安装在其上的自锁机构来实现“前进一齿然后固定”的“前进但非连续”地改变太阳高 度偏角的要求。
6.权利要求5中所描述的自锁机制可以由径向方向安装的弹簧推动锁定球内齿轮的 两相邻齿之间的缺口来实现，弹簧的强度和内齿轮齿牙的坡度决定了此自锁装置的工作强 度。此自锁机制可通过另一级蜗轮蜗杆增加工作强度，并具备开锁的单向性。
7.权利要求5中所描述的蜗轮蜗杆等齿轮组的齿轮比被设计成足够接近365.242199， 在实际应用中可被简化成容易实现的数值，比如365，其累计误差可由手动调整其中的自锁2蜗轮来消除。在齿轮比为365时，只需每四年手动调整一次高度偏角，这仅仅是每四年一次 手动把自锁蜗轮拨动一格。其他接近365. 242199齿轮比和与之相对应的手动调整间隔都 属于该太阳跟踪装置的保护范畴内。
8.根据权利要求2所述的一种双轴式太阳跟踪装置，其共轴转动机制通过机械装置不 断改变太阳的高度偏角。误差校正程序同时控制两个独立的旋转，弥补各种来源的太阳位 置跟踪误差。
9.根据权利要求1所述的一种一轴式太阳跟踪装置，在该装置中，用一个预先设定好 程序的步进马达来实现旋转轴的旋转。当然在实际运用过程当中并不仅仅局限于用步进马 达这一种动力供给装置来实现旋转轴的旋转。根据权利要求2所述的一种双轴式太阳跟踪 装置，在该装置中，用两个预先设定好程序的转速不同的步进马达来分别控制不同的转速。 当然在实际运用过程当中并不仅仅局限于用步进马达这一种动力供给装置来实现不同转 速的旋转。
10.根据权利要求1所述的一种一轴式太阳跟踪装置，开放式蜗杆齿既可以被固定安 装在地上，也可以根据实际需要通过一个固定杆连接在下部支持上，这两者都属于该太阳 跟踪装置的保护范畴内。
全文摘要
本发明提供一种一轴太阳位置跟踪装置，其旋转轴平行于地球的旋转轴，以恒定的转速沿地球的自转的相反方向一直旋转。该装置包括一个对齐到地球极轴的旋转轴，一根或多根横梁垂直地固定连接到旋转轴。太阳能收集器安装在横梁上并且可以绕横梁转动，该转动定义了太阳的高度偏角。一个可调节的自锁装置能在大部分时间内保持太阳能收集器的太阳高度偏角恒定。一个驱动机制让这个太阳能跟踪器持续不断地旋转。用一个由多个齿轮和蜗轮组成的机械装置实现太阳的高度偏角每天自动突变地被更新至正确值。一个类似配置的两轴太阳位置跟踪装置，由一个差分同轴的旋转机构结合特定的机械装置，可连续不断更新太阳的高度偏角。两个独立的驱动机构控制同轴旋转的两个旋转的速度和/或持续时间，并根据实际情况进行相应的编程，以消除各种来源的太阳位置跟踪误差。
文档编号G05D3/00GK101930236SQ20101020764
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月24日 优先权日2009年6月26日
发明者陈大彤 申请人:陈大彤