CN101131260B - 时钟式太阳能用简易跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时钟式太阳能用简易跟踪转动装置，包括太阳集能板，安装太阳集能板的活动支架、基座及与基座相连的立轴、与立轴相配的转动套轴，还包括作太阳能时角跟踪控制的时钟机构。由于采用了时钟机构，使得装置的结构简单、成本低，适于大批量推广应用；又由于采用了传动副分别设置在活动的转臂上和固定的在基座上，经时钟电源与控制单元控制电机向传动副输出转矩，带动活动支架和太阳集能板沿立轴作周期性的太阳能时角往复跟踪转动，使得装置作太阳能时角往复跟踪转动时电机输出转动的阻力矩最小，驱动功耗可最低，并使得装置的重量减轻，体积减小，重心降低，抗风性增强，抗抖动性改善，同时适合于作为便携式或可移动的设备使用。

Description

时钟式太阳能用简易跟踪装置

技术领域

[0001] 本发明属太阳能应用领域，尤其是涉及一种时钟式太阳能用简易跟踪装置。 背景技术

[0002] 现有太阳能应用中大量需要的是边远地区的太阳能利用系统，主要是如小型化的 廉价太阳能光伏发电系统等，以解决边远地区的能源供应问题，其中，采用跟踪装置可提高 太阳能装置的光吸收效率高达37%以上，并且，根据太阳入射角与光吸收效率的关系可知， 当太阳入射角的偏差在不超过士5 %时，光吸收效率的损失在3 %以内，因此，应该尽可能 地采用设置太阳能用简易跟踪装置来大幅度提高太阳能装置的性价比。对于这种跟踪要求 比较普通场合使用的、同时又适合于作为便携式设备使用的太阳能用简易跟踪装置，还普 遍存在着抗风性差、转动驱动功率过大、装置体积过大、结构复杂或成本过高、可靠性与性 价比低的问题。

[0003] 如CN01229124. 2公布的“全方位跟踪日光的太阳能装置”，其采用太阳能集光平 板和竖直的立柱支架结构，固定在基础底盘上的支架侧带有套柱，套柱侧部带有经度方向 的跟踪驱动步进电机，套柱上部的支架上带有纬度方向的跟踪驱动步进电机，经度与纬度 方向均通过蜗轮蜗杆传动单向连续性步进回转运动进行跟踪，太阳能集光平板上还设有经 度与纬度光传感器，经传感器控制达到全天候全方位跟踪日光和能最高效率的采集利用太 阳能的效果。这种装置控制环节多，跟踪运行通过传感器信号，控制电路结构复杂，跟踪传 动机构体积庞大，必然造成其风载下转动阻力矩大，加大电机功率则功耗也随之增大，且采 用步进电机控制与蜗轮蜗杆单向传动只能进行连续性的步进回转运动，更使得装置成本及 运行成本高昂，装置的性能成本价格比低，仅适合于科学研究等需要精确跟踪日光的场合； 此外，该装置还存在着抗风性能差、抖动大的可靠性缺陷；并且系统重量大，不便于移动或 携带；经度与纬度方向上的跟踪转动采用蜗轮蜗杆精密传动也不适合于直接在室外场合长 期使用和大批量推广应用。因此，现有技术还有待于进行提高和改进。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种适合于跟踪要求较普通场合使用的结构简单成本低， 抗风性好、转动驱动功率小，可靠性与性价比高，同时适合于大批量推广应用与便携或可移 动使用的时钟式太阳能用简易跟踪装置。

[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：本发明采用一种时钟式太阳能用简易跟踪装 置，包括太阳集能板，安装太阳集能板的活动支架、基座及与基座相连的立轴、与立轴相配 的转动套轴，其特征在于，还包括作太阳能时角跟踪控制的时钟机构，其中包括时钟电源、 控制单元、电机与传动副，所述的转动套轴的下端连有转臂，转臂上可带有太阳赤纬角调整 定位标杆，活动支架的上端或者与转臂上套轴的上端相连接，或者与太阳赤纬角调整定位 标杆上端相连接，与后者相连接时，该太阳赤纬角调整定位标杆设置在转臂上，活动支架的 下端与转动套轴下端相固接的转臂的悬置外端经铰链相连，所述的传动副包括主动传动件和被动传动件，分别设置在活动的转臂上和固定的在基座上，经时钟电源与控制单元控制 电机向传动副输出转矩，带动活动支架和太阳集能板沿立轴作周期性的太阳能时角往复跟 踪转动。所述的作太阳能时角跟踪控制的时钟机构的传动副是包括啮合滚动传动副或摩擦 滚动传动副的滚动传动副，其滚动传动的轴向设置可是水平或垂直或介于水平和垂直间的 倾角设置。所述的啮合滚动传动副可是直齿轮与直齿条的啮合、或是斜齿轮与斜齿直齿条 的啮合，或是直齿轮与直齿内齿圈条或斜齿轮与斜齿内齿圈条的啮合。所述的直齿轮与直 齿条的啮合、或是直齿轮与直齿内齿圈条的啮合中可带有电磁离合销柱锁定器。所述的传 动副的上方可设有防尘罩。所述的太阳集能板与基座及转动套轴所构成的空间外可设置曲 面锥体型的抗风包胳外壳。所述的电机可是交流或直流的减速电机、或是交流或直流的伺 服电机，或是步进电机、或是电子马达。所述的减速电机与传动副间还可带有外置的减速齿 轮轮系。所述的作太阳能时角跟踪控制的时钟机构还包括限位器，所述的限位器分别设置 在传动副齿条或内齿圈条的两端。所述的时钟电源的供电电源可是蓄电池、或是超级储能 电容、或是太阳能光伏电源、或是上述的组合。所述的转动套轴的上端或太阳赤纬角调整定 位标杆的上端带有太阳赤纬角调整定位槽柱。

[0006] 本发明的优点是：由于采用了包括时钟电源、控制单元、电机与传动副的太阳能 时角跟踪控制的时钟机构，使得装置的结构简单、成本低，适于大批量推广应用；又由于采 用了传动副分别设置在活动的转臂上和固定的在基座上，经时钟电源与控制单元控制电机 向传动副输出转矩，带动活动支架和太阳集能板沿立轴作周期性的太阳能时角往复跟踪转 动，使得装置作太阳能时角往复跟踪转动时电机输出转动的阻力矩最小，驱动功耗可最低， 并使得装置的重量减轻，体积减小，同时适合于便携或可移动使用；还由于转动套轴的下端 连有转臂，转臂上可带有太阳赤纬角调整定位标杆，活动支架的上端与转臂上设置的转动 套轴的上端或太阳赤纬角调整定位标杆上端相连，活动支架的下端与转动套轴下端相固接 的转臂的悬置外端经铰链相连，使得太阳集能板设置的重心降低，抗风性增强，抗抖动性改 善，装置的可靠性与性价比高。

附图说明

[0007] 图1是本发明时钟式太阳能用简易跟踪装置实施例之一的立体结构示意图。

[0008] 图2是本发明时钟式太阳能用简易跟踪装置实施例之二的俯视结构示意图。

[0009] 图3是图2本发明时钟式太阳能用简易跟踪装置实施例之二处于正午位置时的剖 视结构示意图。

[0010] 图4是图2中电磁离合柱销处于锁定工作状况的局部放大视图。 具体实施方式

[0011] 按图1所示，本发明的时钟式太阳能用简易跟踪装置实施例之一包括：太阳集能 板1， 安装太阳集能板的活动支架2、基座3及与基座相连的立轴4、与立轴相配的转动套轴 5，作太阳能时角跟踪控制的时钟机构6，其中包括时钟电源601、控制单元602、电机603与 传动副604，与转动套轴下端相连的转臂7，此外，还包括定位槽柱9、电磁离合销柱锁定器 10、防尘罩11、抗风包胳外壳12、减速齿轮轮系13、限位器14、轴承15、支承脚16、铰链17、 轮系轴18。[0012] 活动支架2的上端与转臂7上设置的转动套轴5的上端相连，转动套轴的上端带 有太阳赤纬角调整定位槽柱9，可供按太阳季节性赤纬角的变化作手动θ角在不同位置上 的调整固定。活动支架的下端与转动套轴下端相固接的转臂的悬置外端经铰链17相连，传 动副604包括主动传动件6041和被动传动件6042，分别设置在活动的转臂上和固定的在基 座3上，经时钟电源601与控制单元602控制电机603向传动副604输出转矩，带动活动支 架和太阳集能板1沿立轴4作周期性的太阳能时角往复跟踪转动，其转动中心是图1中所 示转动套轴所在的C轴线。

[0013] 所述的时钟机构的传动副是包括啮合滚动传动副或摩擦滚动传动副的滚动传动 畐O，其滚动传动的轴向设置可是水平角设置。啮合滚动传动副采用直齿轮与直齿内齿圈条 的啮合，传动副的锁定采用电磁离合销柱锁定器10，电磁离合销柱锁定器可以采用单个锁 定销柱插入直齿轮中的任意一个齿槽内进行抗风锁定，提高装置的抗风稳定性。传动副的 上方可设有防尘罩11，用于防止灰尘和雨水等的侵袭。 [0014] 转动套轴与立轴间及转臂与轮系轴18间设有轴承15，轴承可是滚动轴承或是滑 动轴承，其中，滚动轴承可是采用滚动轴承、或是采用径向轴承与轴向轴承、或是采用滚柱 轴承，因而，使得装置的转动阻力扭矩减小，电机转动时的抖动也大大减小。

[0015] 太阳集能板与基座及转动套轴所构成的空间外可设置曲面锥体型的抗风包胳外 壳12，用于减少风载下电机跟踪转动的阻力矩。基座上带有可调的螺纹支承脚16，用于便 携或可移动安装使用中调节装置的水平；支承脚上可带有与地基相固定用的连接孔，用于 作为可移动的设备使用时，与地基上的预埋螺栓作固定连接。

[0016] 所述的电机可是交流或直流的伺服电机，或是步进电机、或是电子马达，如采用交 流或直流的伺服驱动电机中可带有减速器，电机与传动副间还可设有外置的减速齿轮轮系 13，以进一步加大减速比，降低电机控制成本。

[0017] 所述的太阳能时角跟踪控制的时钟机构还包括限位器14，限位器可采用分别设置 在传动副齿条或内齿圈条的两端的触点限位开关，用于设定装置跟踪控制的起始与终止位置。

[0018] 电磁离合销柱锁定器、限位器、电机分别与时钟电源的控制单元电连接。时钟机构 的控制单元中可带有微机控制器，如包括采用可编程序的单片机时钟电路，或包括采用电 子定时控制电路，或包括采用单向连续脉冲振荡电路。时钟机构的供电电源可是蓄电池、或 是超级储能电容、或是太阳能光伏电源。当采用蓄电池供电时，蓄电池可设置在时钟式太阳 能用简易跟踪装置之外以减轻重量，便于携带或移动。所述的超级储能电容是指具有超级 能量密度和超级功率密度的储能电容，如能量密度在4wh/kg以上、功率密度在2kw/kg以上 的储电电容。

[0019] 控制单元的工作方式如下：

[0020] 控制单元的电机旋转控制电路中可采用CMOS集成电路，进行间隙式步进跟踪，采 用如微型步进电机的步进驱动时机械耗电极小，每天不大于0. 1安培/小时，在时钟输出频 率下，可设置在每隔五分钟使电机转动一次，每次转动的步距为1° 151，即每10小时转动 150°与太阳同日运转角速度相当，此时跟踪转动的角速度约为15° /小时，步进电机旋转 启动后可设置10小时到达跟踪终点，控制单元的复位电路自动启动，并输出回转控制信号 使驱动电机快速回转至初始位置后自动停止转动，等待14小时至下一次日出时间再启动，重复进行一次电机转动跟踪的周期是24小时。

[0021] 在太阳时角跟踪的正向旋转过程中，电磁离合销柱锁定器10的锁定销柱经控制 单元的信号下在步进电机启动前先吸合，插入在传动副的主动传动件6041齿槽间的锁定 销柱在电磁吸合力的作用下回缩，在跟踪电机每次完成一个转动步距后，电磁离合销柱锁 定器在控制单元的信号下断电分离，在弹簧力的作用下锁定柱销伸出，插入在主动传动件 的任意一个齿槽间，与步进电机共同起双重锁定与保护作用，防止传动副在风力的作用下 蠕动或产生位移，因此装置的抗风载性能得到改善。

[0022] 如图2所示，本发明的时钟式太阳能用简易跟踪装置实施例之二包括：太阳集能 板1，安装太阳集能板的活动支架2、基座3及与基座相连的立轴4、与立轴相配的转动套轴 5，作太阳能时角跟踪控制的时钟机构6，其中包括时钟电源601、控制单元602、电机603与 传动副604，与转动套轴下端相连的转臂7，与转臂上端相连的太阳赤纬角调整定位标杆8， 此外，还包括定位槽柱9、电磁离合销柱锁定器10、防尘罩11、抗风包胳外壳12、减速齿轮轮 系13、限位器14、轴承15、支承脚16、铰链17。

[0023] 活动支架的上端与转臂上设置太阳赤纬角调整定位标杆8上端相连，标杆上带有 太阳赤纬角调整定位槽柱9，可按太阳季节性赤纬角的变化作如图3所示的手动θ角a、b、 c、d、e不同位置的上、下调整固定，θ角的变化范围在士 11°。活动支架的下端与转动套 轴下端相固接的转臂的悬置外端经铰链17相连，传动副604包括主动传动件6041和被动 传动件6042，分别设置在活动的转臂上和固定的在基座上，经时钟电源601与控制单元602 控制电机603向传动副604输出转矩，带动活动支架和太阳集能板1沿立轴4作周期性的 太阳能时角往复跟踪转动，其转动中心是如图2、图3中所示转动套轴所在的C轴线。转动 套轴与立轴间可设有轴承15，轴承可是滚动轴承或是滑动轴承，其中，滚动轴承可以采用径 向轴承与轴向轴承、或是采用滚柱轴承。

[0024] 时钟机构的传动副是包括啮合滚动传动副或摩擦滚动传动副的滚动传动副，其滚 动传动的轴向设置可是垂直设置、或是介于水平和垂直间的倾角设置，如图2、图3所示的 滚动传动轴向为垂直设置。啮合滚动传动副可是直齿轮与直齿条的啮合、或是斜齿轮与斜 齿直齿条的啮合，或是直齿轮与直齿内齿圈条或斜齿轮与斜齿内齿圈条的啮合，图2、图3 中所示为采用直齿轮与直齿内齿圈条的啮合。直齿轮与直齿条的啮合、或是直齿轮与直齿 内齿圈条的啮合中传动副的锁定均可采用电磁离合销柱锁定器10。

[0025] 如图4所示，传动副可经电磁离合柱销锁定等装置进行滚动位移锁定，在太阳时 角跟踪的正向旋转过程中，电磁离合销柱锁定器10的锁定柱销在控制单元的信号下在电 机启动前先吸合，插入在传动副的主动传动件6041齿槽间的锁定柱销在电磁吸合力的作 用下回缩，在跟踪电机每次完成一个转角后，电磁离合销柱锁定器在控制单元的信号下断 电分离，在弹簧力的作用下锁定柱销伸出，双柱插入主动传动件直齿轮左右两侧齿槽间进 行抗风锁定，防止传动副在风力的作用下蠕动或产生位移，因此装置的抗风载性能得到改 善。传动副的上方可设有防尘罩11，用于防止灰尘和雨水等的侵袭。

[0026] 所述的电机可是交流或直流的减速电机、驱动电机可带有减速器，电机与传动副 间还可设有外置的减速齿轮轮系13，采用外置的减速齿轮轮系的优点是：可进一步加大减 速比，降低电机成本，同时，对于采用带有减速器的低速大扭矩的普通电机时，可以大幅度 降低电机控制的成本。[0027] 太阳能时角跟踪控制的时钟机构还包括限位器，如采用限位开关分别设置在传动 副齿条或内齿圈条的两端。时钟电源的供电电源可采用是蓄电池与太阳能光伏电源的组合。[0028] 控制单元的工作方式如下：

[0029] 控制单元的电机旋转控制电路中可采用间隙式步进跟踪，采用如普通减速电机的 步进式驱动，如图2、图3所示，减速电机与传动副间还可带有外置的减速齿轮轮系，控制 单元带有延时电动功能，使得控制单元的跟踪电路实现间隙式分段工作的步进式驱动，通 过控制回转时间来控制回转角度，在时钟输出频率下，可设置在每隔30分钟使电机转动一 次，每次转动的转角为7° 301，即每8小时转动120°与太阳同日运转角速度相当（日出 至日落8小时内约转120° )，跟踪转动的角速度约为15° /小时，电机旋转启动后可设置 8小时到达跟踪终点，在触动终止限位开关时发出终止电信号，控制单元的复位电路自动启 动，并输出回转控制信号使驱动电机快速回转至初始位置后触动起始限位开关自动停止转 动，等待16小时至下一次日出时间再启动，也可按设定的输出转角返回起始位置后自动停 止转动，此时，起始限位开关的设置起双重保护作用。

[0030] 装置每24小时重复进行一次电机转动跟踪，通过时钟输出信号控制驱动电机的 日光跟踪转动，如此，既满足了大批量推广应用中的跟踪精度要求，又使得装置的结构简 单、设置与运行成本大幅度降低，适于大批量推广应用。

[0031] 由于采用了包括时钟电源、控制单元、电机与传动副的太阳能时角跟踪控制的时 钟机构，使得装置的结构简单、成本低，适于大批量推广应用；又由于采用了传动副分别设 置在活动的转臂上和固定的在基座上，经时钟电源与控制单元控制电机向传动副输出转 矩，带动活动支架和太阳集能板沿立轴作周期性的太阳能时角往复跟踪转动，使得装置作 太阳能时角往复跟踪转动时电机输出转动的阻力矩最小，驱动功耗可最低，并使得装置的 重量减轻，体积减小，同时适合于作为便携式或可移动的设备使用；还由于转动套轴的下端 连有转臂，活动支架的上端与转臂上设置的转动套轴的上端或太阳赤纬角调整定位标杆上 端相连，活动支架的下端与转动套轴下端相固接的转臂的悬置外端经铰链相连，使得太阳 集能板设置的重心降低，抗风性增强，抗抖动性改善，装置的可靠性与性价比高。

Claims (11)

1.时钟式太阳能用简易跟踪装置，包括太阳集能板，安装太阳集能板的活动支架、基座 及与基座相连的立轴、与立轴相配的转动套轴，其特征在于，还包括作太阳能时角跟踪控制 的时钟机构，作太阳能时角跟踪控制的时钟机构包括时钟电源、控制单元、电机与传动副， 所述的转动套轴的下端连有转臂，活动支架的上端或者与转臂上设置的转动套轴的上端相 连接，或者与太阳赤纬角调整定位标杆上端相连接，与后者相连接时，该太阳赤纬角调整定 位标杆设置在转臂上，活动支架的下端与转动套轴下端相固接的转臂的悬置外端经铰链相 连，所述的传动副包括主动传动件和被动传动件，分别设置在活动的转臂上和固定的在基 座上，经时钟电源与控制单元控制电机向传动副输出转矩，带动活动支架和太阳集能板沿 立轴作周期性的太阳能时角往复跟踪转动。

2.根据权利要求1所述的时钟式太阳能用简易跟踪装置，其特征在于，所述的作太阳 能时角跟踪控制的时钟机构的传动副是包括啮合滚动传动副或摩擦滚动传动副的滚动传 动副，其滚动传动的轴向设置是水平或垂直或介于水平和垂直间的倾角设置。

3.根据权利要求2所述的啮合滚动传动副，其特征在于，所述的啮合滚动传动副是直 齿轮与直齿条的啮合、或是斜齿轮与斜齿直齿条的啮合，或是直齿轮与直齿内齿圈条或斜 齿轮与斜齿内齿圈条的啮合。

4.根据权利要求3所述的啮合滚动传动副，其特征在于，所述的直齿轮与直齿条的啮 合、或是直齿轮与直齿内齿圈条的啮合中带有电磁离合销柱锁定器。

5.根据权利要求1所述的时钟式太阳能用简易跟踪装置，其特征在于，所述的传动副 的上方设有防尘罩。

6.根据权利要求1所述的时钟式太阳能用简易跟踪装置，其特征在于，所述的太阳集 能板与基座及转动套轴所构成的空间外设置曲面锥体型的抗风包胳外壳。

7.根据权利要求1所述的时钟式太阳能用简易跟踪装置，其特征在于，所述的电机是 交流或直流的减速电机、或是交流或直流的伺服电机，或是步进电机、或是电子马达。

8.根据权利要求7所述的时钟式太阳能用简易跟踪装置，其特征在于，所述的减速电 机与传动副间还带有外置的减速齿轮轮系。

9.根据权利要求1所述的时钟式太阳能用简易跟踪装置，其特征在于，所述的作太阳 能时角跟踪控制的时钟机构还包括限位器，所述的限位器分别设置在传动副齿条或内齿圈 条的两端。

10.根据权利要求1所述的时钟式太阳能用简易跟踪装置，其特征在于，所述的时钟电 源的供电电源是蓄电池、或是超级储能电容、或是太阳能光伏电源、或是上述的组合。

11.根据权利要求1所述的时钟式太阳能用简易跟踪装置，其特征在于，所述的转动套 轴的上端或太阳赤纬角调整定位标杆的上端带有太阳赤纬角调整定位槽柱。