CN101893895A - 能跟踪太阳的太阳能装置设计 - Google Patents

Abstract

使太阳能装置象向阳葵花一样，面板始终向着太阳转动，比目前固定安装的装置提高效率1.78倍。本发明设计了：1.方位角、高度角双调型：一把太阳在天位置分解为方位角(A)和高度角(h)两个数据进行跟踪：(1)利用光电管感知太阳的位置；(2)利用予存有全年、每天、每小时A及h值程序的微电脑单片机和一系列电子电路、机械；(3)利用时钟带动贴有A和h信号的记忆鼓控制跟踪；(4)..①只按春(秋)分日太阳在天的运行规律调整A、h值；②.A按春(秋)分日调整，h每年按计算手动调整一、二、四次；(5)象大型雷达天线样的钢网架，紧挨着安装许多太阳能装置，网架作水平转动以跟踪方位，各装置在连杆带动下作高度角跟踪；2.赤纬、时角双调型一把全年每天、每小时太阳在天的位置分解为赤纬(δ)和时角(t)两个数据进行跟踪。

Description

能跟踪太阳的太阳能装置设计 

【所属领域】本发明属于清洁能源开发利用领域，发明目的在于近一步大幅度提高单位面积的太阳能装置能量吸收效率水平。 

【背景技术】太阳能装置：通常包括太阳能光伏电池组和太阳能热水器。 

阳光是万源之本。石油、天然气和煤炭资源，是地球有生物以来上亿年由太阳的能量转换积存下来形成的能源，而风力、水力、潮汐是现时太阳的能量形成的能源。但石油、天然气和煤炭资源，即将在35、55、220年之后消耗殆尽，世界上现已发现的铀矿也将在70年后用尽(参考文件4)。人类不仅面临传统能源枯竭这一严峻现实，而且使用这些能源所造成的大气污染目前又日亦严重的破坏着人类的生存环境，为此我国乃至世界各国政府都特别重视风力、水力、潮汐等新能源的开发和利用，尤其是直接利用太阳能，不仅取之不尽，一次投资省，而且无任何污染和副作用。 

人类自古以来就知道利用太阳的热能，不过利用的效率很低，1954年才发明了太阳能光伏电池，近年来太阳能热水器才被较广泛的推广使用。 

但是迄今为止，太阳能装置大都是面向正南方向按一定的倾角固定安装在屋顶上的，而太阳每天从东方地平线上升起，傍晚又从西方落到地平线以下，只有中午运转到子午线上最高位置时才达到头顶，每天每一时刻其方向角A与高度角h(注)都是变化着的。 

当阳光以与地平面夹角h斜射到地面上时，由于是斜射，地面上所接收到的阳光强度要大打一个折扣，称之为光照强度折实率N： 

N＝sin h    h——当地地平座标系上的“太阳高度角”(参见附图2) 

当接收阳光的面为一倾斜于地面hz角固定安装的太阳能托盘时，阳光以与托盘面夹一个h’角斜射到托盘面上，托盘上的光照强度折实率为N’： 

N＝sin h’   h’——托盘座标系上的“太阳高度角”(参见附图2)。 

从计算中得知：北京地区在地平座标系上，夏至日这一天日出时间是4:34.6，日落时间是19:25.4(时角T₂＝111.3461)。但在45°托盘面上见到阳光的时间却是6:08.7，而到了17:51.3(时角T₁＝87.8222)，阳光就隐到托盘背面去了，以致托盘又少见阳光2.80个小时。比地平座标系上所得到的能量要再打一个T₁/T₂＝78.87％的折扣 

所以托盘上全天平均光照强度折实率为： 

∑N’＝[∑sin h’＊(T₁/T₂)]/n    n-参与平均的项数 

式中：T₁—托盘座标系上从‘日出’到‘日落’的时间。即托盘面上一天能见到阳光的时间； 

T₂—地平座标系上从‘日出’到‘日落’的时间。即地平面上一天能见到阳光的时间 

通过计算得出全年24节气北纬23°、40°地区光照强度折实率如下表： 

45°倾角固定安装的太阳能全天光照强度折实率平均值表 

[注]：将太阳在天空中的位置用地平座标系的极座标方式表示，太阳与视点的连线在地面上的投影与正南方位之间的夹角称为方位角，以A表示，正南为0，向东为一，向西为+。连线与地面的夹角称为高度角，以h表示。详见附图1。 从上表可以看出： 

1.按45°倾角固定安装，在冬季吸收阳光能量效率较高，夏季较差。 

2.不论南北，全年平均光照强度折实率都只能达到56％-59％，即能量损失达40％以上。为此引出一个结论：固定安装，能量损失大。既使采用固定安装，托盘的安装角度也应随地理纬度而变化：具体最佳值应通过计算确定。但最好的方案是托盘能灵活转动，始终面向阳光，为此引出： 

【本发明的目标】 

是使太阳能装置象向阳葵花一样，它面板的垂线始终跟踪太阳的运动轨迹，从早到晚始终正对着太阳光的入射线方向，阳光光线与面板之间的夹角h’始终都为90°，则光照强度折实率为100％。从而使我们把太阳能的能量接近于100％的接收下来，(实际上由于面板每隔一段时间才转动一次，面板不可能完全对准太阳，所以光照强度折实率大约为99％左右)，转换成照明用电、洗浴用热水，节省更多的油、煤、气等不可再生能源。 

以北京为例，安装可跟踪的太阳能装置，比按45°固定安装的装置，其光照强度折实率冬至日可提高到(0.99/0.6302＝)157％，夏至日可提高到(0.99/0.4365＝)227％，全年平均效益可提高到(0.99/0.5866＝)169％。而广州，冬至日可提高到(0.99/0.7253＝)136％，夏至日可提高到(0.99/0.3338＝)297％，全年平均效益可提高到(0.99/0.5552＝)178％。全国大部分地区能量接受效率都可以提高七成以上。 

【发明内容】

太阳能的跟踪可用两种方式：方位角、高度角双调型和赤纬、时角双调型。 

一.方位角、高度角双调型跟踪——象高射炮描准飞机用水平转动的方向机和抬高炮口高度的高低机一样来跟踪太阳在天空的位置。此型对太阳能电池板与太阳能热水器均适用。 

：跟踪装置的设计原理如附图3、4所示：附图3为太阳能电池板跟踪装置构造示意图；附图四为太阳能热水器跟踪装置构造示意图。其区别在于为了减轻托盘的负荷，热水器托盘上只安装一个小水箱，而在下盘中心位置另设一个固定的大水箱，大小水箱之间用两条保温软管连通，并在其中上水管道中间串装一台小型管道泵，每当方位角电机通电时管道泵转动一次，将大、小水箱中的水串换一次，热量转移到大水箱中来，用户用水管和溢流管则直接从大水箱底部向下连接。而太阳能电池板跟踪装置则简单的多，其产生的电流通过软线引入蓄电池组储蓄起来即可随时引用。 

太阳能板的跟踪装置分为方位角跟踪与高度角跟踪两个部分。 

1.方位角跟踪——太阳能板安装在一个可以水平转动的底盘(上盘)上，下盘用膨胀螺栓固定在屋面上，由一套方位角调整机构操纵牵引索，使上盘作向东或向西水平转动。 

最简便的调整机构是利用可正、反转的电机通过减速器带动一只滚筒，两根牵引索的一端按附图3、4缠绕方向缠绕，而将两根牵引索另一端分别固定在上盘两侧，当滚筒正转时收紧正转索，放松反转索，上盘就正转一个角度。当滚筒反转时收紧反转索，放松正转索，上盘就会反转一个角度。 

2.高度角跟踪——在水平旋转的上盘上，在太阳能电池托板的重心处安装一根水平转轴，支撑在水平旋转的上盘支架的横担上，托板下横梁上铰接一个螺母，螺杆底端铰接在上盘上，正、反转电机通过蜗轮蜗杆减速器带动螺杆转动，螺杆反转时托板下端升高，托盘倾角减小，正转时下端降低，托盘倾角增大，高度角h也随之变化，则太阳能托板就可以始终垂直面对太阳的入射光线了。 

太阳能热水器的托板安装略有不同，它的横担仍由四根支撑撑在上盘上，二直、二斜。而大水箱是支撑在下盘上的，上、下盘可以同心转动但大水箱不直接承受托盘重量。管道泵安装在横担上，两根上下水保温软管向下插入大水箱里。其余相同。 

3.方位角与高度角跟踪所用正、反转电机，一般为同一部电机，当使用三相电机时，需要反向时只要调换两根线头即可。如果所用为单相电机，则正、反转电路需通过一个换挡继电器，改换接入电机的电流方向即可使电机反转(参见本文第7/12页“(3).电机正、反转的切换”内容)。 

二.赤纬、时角双调型跟踪——从附图1可以看到：地平座标系上夏至、二分(春、秋分)、冬至日太阳的轨迹是一个个倾斜于地平面的互相平行的圆面，利用这一现象我们设计一个可以摆动的半圆形轨道板，用一根推杆使它可以在子午线方向上摆动，基本上对着这一天太阳的运行轨迹，然后让太阳能托盘沿半圆形轨道从东向西每半小时转动7.5°，就可以跟踪了。需要说明的是：此法在二分日前 后是描得很准的，而夏至利冬至日前后，由于半圆形轨道面与太阳的轨道面相差了一个很小的角度，所以只能中午前后描很准而早晚时分会产生偏角效率稍低，但总体效率影响不大。 

由于太阳能热水器采用此法时，如果玻璃管早上是上口向上的话，下午就会倒过头来，这时不仅下午半天无法吸收能量，而且热水管会因缺水而过热，当再度遇到冷水时玻璃管就会被激炸，所以此型仅适用于太阳能电池板。 

【实施方案】 

一.方位角、高度角双调型跟踪设备——本型设计了五种跟踪操控方案(其中前三种为基本方案，后两种为其简化或扩展方案)，也可以综合使用： 

(一.)光电跟踪方案——在太阳能托板的上方安装有两只茶色半球形‘复眼’，横放的一只专司对太阳运行的方位跟踪，竖放的一只专司对太阳运行的高度跟踪。 

1.方位角跟踪机构——见附图5：光电管安装在‘复眼’的暗盒内，盒的中间有一隔板，外壳上有一小窄条遮阳板，盒的内层是一组由粘有黑色绒布的板(黑绒布是为了防止反射光线)组成的许多幅射状菱形孔，当太阳在①②的位置时由于隔板和遮阳板的作用，光电管没有直接接收到阳光，不会产生电流，装置不动。 

当太阳移动到③的位置时，光电管接收到阳光，产生电流，通过微电脑时钟控制器并放大电流，再通过电机正、反转电路切换器操纵电机正转(使上盘顺时针转动)，当光电盒转动到③的位置时遮阳板又完全遮断阳光，电机停止转动。太阳继续移动，重复上述过程，太阳能板在水平方向就连续跟踪转动了。 

使上盘反向旋转返回，复原到面向东方是图中下面一套机构，也用一只光电管，像楼道里的声控开关一样，通过微电脑时钟控制器并放大，带动一只开关常闭的继电器，白天有光线时电磁铁吸住衔铁，电机反转电路是断路不能通电，太阳下山后光电管接收不到光线，电磁铁放开衔铁，电机反转电路成通路，当每天20:00时微电脑时钟控制器将电路接通，再通过电机正、反转电路切换器，使电机反转，最终在上盘中心线对准方位角A＝-125°时，下盘上的一个档块碰到上盘上的行程开关后，电路中断，电机停止转动，底盘正好回到面向A＝-125°的原始位置。等待第二天日出的到来。 

2.高度角跟踪机构——与方位角操控机构类似，但盒内用了两只光电管，分别安装在隔板的两侧，并上下放置，参见附图5：当太阳从东方地平线上升起，光电管1感光，使正转电机正转，螺杆也正转，使面板从垂直状态变为倾斜一个角度，当太阳移到②的位置时，遮阳板挡住阳光，电机停止转动。当太阳继续上升一个角度，光电管1又感光，电机再正转，面板达到一个新的倾角。当太阳继续移动，到中午12:00时分以后太阳高度下降，到③的位置时光电管2感光，电机反向转动，螺杆反转，面板倾角逐渐向垂直状态变化，直到日落西山时面板倾角再变为垂直状态。 

面板方位角及高度角调正的时间间距，决定于遮阳板宽度b与光电管在孔内的深度h之比，和光电管的灵敏度。我们把b/h调正到tg^-1(b/h)＝7.5°，则方位角的调整将会每半小时发生一次。 

3.光电跟踪的优缺点——光电跟踪的优点是没有地理局限性，同一套设备无论安装在天南地北，中国、外国，甚至南半球都能使用。只要太阳在地面以上的半个天球上，都能捕捉到它。同时设备简单，非常适用于单户安装使用。 

其缺点是阴天、半阴天感光不足时，灵敏度不稳定，可能有时动作，有时不动作。另外，由于太阳的移动是连续的，光电管开始只感受到一点点阳光，后来逐渐加强，在这一段时间里光电管电流由小变大的过程中，光电管是不稳定的，继电器会产生时断时续的振荡，电机电器容易损坏，因此我们在光电管电路上增加了一只简单的微电脑时控开关(市售有成品)，每半小时通电一次，不通电时光电管感光也没用，通电后电机才能动作。当方位角、高度角调整到光电管感不到光时，电机又停止转动，半小时后微电脑开关再次通电，再进行新一次调整。 

(二.)微电脑时控方案 

1.全智能时控方案——在电路中完成信号的分离： 

其心脏是一台较大容量的单片机其中有一微电脑时间控制器。其时钟由不间断电源供电。芯片内存储了根据使用地区一年内每一天每个小时太阳方位角与高度角资料编制的数字程序，时钟控制器按日期分别控制太阳每小时发出四个长短不同的电信号A、B、C、D，能装置的方位角电机的正、反转和高度角电机的正、反转，太阳能托板就可以始终垂直面对太阳的入射光线，达到了跟踪太阳的目的。 

(1)太阳在天的运行轨迹—— 

由于地球自转轨道平面与公转轨道平面存在一个23°27′(23.45°)的倾角，所以在赤道座标系中，太阳始终在北纬23°27′(夏至时节)与南纬23°27′(冬至时节)之间的上空摆动，每天太阳所在的纬度叫赤纬，把地球公转轨道24等分的点叫节气。附录2列出一年中24节气的赤纬值和平均日期(少数年份只相差一天、极个别年份相差二天)。 

在当地地平座标系中，每天太阳的轨迹是一个个平行的圆弧，每一时刻太阳的具体位置，其在地平面上的投影点与太阳能装置的中心，构成描述太阳具体位置的方位角A，而太阳光线与地平面的夹角为太阳的高度角h(如附图1所示)。 

(2)信号程序编制—— 

把一年365天每5天分为一组，全年可分为73组。或者把24节气再等分为二，全年共分为48组。取每一组中间的一天，计算出从日出到日落每一小时太阳的方位角A与高度角h，求出前后一小时中太阳方位角A的差值ΔA与高度角h的差值Δh。在传动装置制造时我们就将减速器速比设计为使电机通电6秒钟可以调整A或h 1°。则每需要调整1°在程序中设计通电6秒钟既可，用通电时间的长短来控制太阳能装置的方位角电机的正、反转和高度角电机的正、反转的角度。编制成下表输入芯片，即成为信号程序。 

需要特别说明的一点：由于我国幅源辽阔，南方、北方各地纬度φ相差很大，方位角A的差值ΔA与高度角h的差值Δh相差也很大，所以我们将全国划分为12个纬度带，分别计算出‘中国各纬度带日出、日落时间、方位角A、太阳中天时刻高度角h’(P.12/12)，及‘北纬23°(代表城市：广州)、40°地区(代表城市：北京)、各节气全天每小时方向角A与高度角h值’。从计算中可以看出不同纬度上一年365天每一时刻太阳的方位角和高度角均不相同，因此制造商必须针对不同纬度编制出不同的程序供各地使用。 

再要说明的一点：本文所讲的时间和时角都指的是当地的时间和时角。 

下表以北纬40°(代表城市：北京)为例，列出其信号程序的前边一段，表中控制时段内h与A的值采用时段中间时间的h与A值，如6:00-7:00时段，从6:00开始调整为6:30时分的h与A值，(调整之前为5:30时的h与A值)，这样h与A值始终只能差半个小时，光照强度折实率限制在(1-cos7.5°＝)0.86％以内。 

由表可见：从日出到10:00和从15:00到日落两个时段内，太阳光线的偏角Δh/2最大不超过6°，因而能量损失率不超过(1-cos6°＝)0.55％。而在10:00至15:005个小时时段内ΔA/2竟接近24°，能量 

损失率(1-cos12°＝)达2.2％。所以具体编制程序时可以进一步把表中10:00-15:00时段之间调整为半小时一个时段，则全天能量损失率均小于0.55％了。 

北纬40°全智能时控方案微电脑程序计算表 

注：每天夜晚上盘中心线反回到A＝-125°是在北纬40°地区使用，更北地区其值应提高，反之低纬度地区其值通过计算可降低。 

(3).电路设计——电路原理图如附图6-1： 

①微电脑按日期、时间发出一组组每组四个信号A、B、C、D(其意义见上表表头最后一栏)，其电平分别为+1.0、+0.7、+0.4、+0.1，其电流时间的长短分别为t₁、t₂、t₃、t₄，B、C两信号的净间隔为10分钟。电平为+0.55。A、B、两信号前后无信号的5分钟电平为+0.85，C、D两信号前后无信号的5分钟电平为+0.25。 

②微电脑发出的四个信号A、B、C、D(均为正相电流)，与由-0.55电平发生器发出的-0.55电平经加法器相加后形成的电平为：A：+0.45、B：+0.15、C：-0.15、D：-0.45。时间长短仍为t₁、t₂、t₃、t₄不变，下同。 

③然后分为两路，分别经过正、反二极管检波器，滤去正或反相电流，各信号的电平分别为A：+0.45、B：+0.15与C：-0.15、D：-0.45电平。 

④上面一条电路与-0.30电平发生器发生的-0.30电平相加，另一条电路与经过180°倒相形成+0.30电平相加，最后形成：A：+0.15、B：-0.15与C：+0.15、D：-0.15电平 

⑤两条电路再一分为二，形成四条电路，再分别经过正、反二极管滤波器，滤去正或反相电流，最后四条电路上分别得到A：+0.15、B：-0.15、C：+0.15、D：-0.15电平。 

⑥再经过放大变为交流，分别起动方位角电机正、反转和高度角电机正、反转，转动t₁、t₂、t₃、、t₄分钟。实现了太阳能装置对太阳的跟踪。 

2.半智能时控方案——此方案的特征是完全或部分利用机械切换装置完成信号切换分离。由于方位角电机的正、反转和高度角的正、反转动作都比校集中，切换并不频烦，所以可以采用此方案： 

(1)程序编制——可以有两种方式实现： 

①如附图6-3：仍用上述全智能时控方案程序的前半段，到电路图第③步以后就放大变交流，然后AB信号通过行程开关A分开成A和B信号，CD信号通过行程开关B分成C和D信号，四个信号再分别控制电机动作。 

②采用微电脑时间控制开关(同类产品市间有售，仅所需容量稍大)。程序中编制出从夏至日到冬至日，再从冬至日到夏至日，每五天，或按半个节气(15天)一组，从日出到日落每小时发出一组两个信号AB和CD(全智能时控方案为四个信号)，每个信号由通、断电间隔‘持续时间’的长短来表示。信号间隔为6分钟。在制造时我们也将减速器速比调整为使电机通电6秒钟可以调整A或h 1°。则每需要调整1°在程序中没计通电6秒钟既可。同样每一段采用其中间时刻(如1:30、2:30.....等)的h与A值。然后再利用切换器把AB分开成A或B，CD分成C或D分在四条电路上，分别控制方位角电机正、反转和高度角电机的正反转动作。 

下表仍以北纬40°(代表城市：北京)为例，列出其信号程序的前边一段。 

(2)电路切换器——(参见附图7) 

①第一级切换器(方位角与高度角电路切换器)——仅用于微电脑时间控制开关电路。 

微电脑发出一组组两个信号AB(实际上A或B不必区分)和CD(同前)，当第一个信号AB通电时电磁铁吸紧衔铁，断电时衔铁被放开，在被弹簧拉回原位时拨动齿轮转动一档(45°)，使方位角电路断开，高度角电路接通。当第二个信号CD通电时，同时也使电磁铁再吸紧衔铁，断电时衔铁再被弹簧拉回拨动齿轮又转动一档，使高度角电路断开，方位角电路接通。往后，继续重复上述过程，每次通电，电磁铁吸紧衔铁一次，此时电路并不改换，而在断电时衔铁被放开时才拨动齿轮转动一档，使AB和CD电路互相切换。 

②第二级切换器——又分为方位角正、反转电机动作切换器和高度角正、反转电机动作切换器两种：方位角正、反转电机动作切换器——参见附图7：用于AB电路上A与B互相切换。 

每天到20:00时，程序控制电机再正转最后一次，上盘仍正转。当上盘上的挡块A触到下盘上的双簧开关A而接通电流时，电磁铁A吸引行程开关A上的衔铁使行程开关左偏，行程开关内的铜柱向右滚动，使正转电路断开，电机停止正转，接着反转电路接通，电机反向动作，上盘反转； 

当上盘反转到方位角A＝-125°时上盘上的挡块A触到下盘上的另一个双簧开关B而接通电流，电磁铁B吸引行程开关A上的衔铁使行程开关右偏，铜柱向右滚动，使反转电路断开，电机停止反转，上盘复位。同时正转电路接通，等待第二天日出时分信号的到来。 

高度角正、反转电机动作切换器——行程开关B装在上盘对称中心线上，当上盘在方位角电机正转推动下顺时针转到正南位置(方位角A＝0即12:00)时，行程开关B触到下盘上的一个挡块C而换档，铜柱向左滚动使高度角正转电路被切断，反转电路接通，于是从12:00起由高度角电机接收信号后变为反转，以后的信号都使高度角下降；当20:00时分上盘反转经过正南方向(即A＝0)时，行程开关B再被挡块C拨动返回，铜柱向右滚动，反转电路被切断，正转电路被接通，到第二天日出后就是由高度角正转电机就(正转)工作，高度角转为上升了。 

(3).电机正、反转的切换——正反转一般由同一部电动机完成，可用不同的电机和不同的切换电路。 

①.他励式交直流两用电动机——-本设计使用交流。如附图10(2)所示，切换装置为一只接触器。当来自信号源的正向电路有电流时，电磁铁吸引接触器向上侧，励磁电流正向流动，电机正转；当反向电路有电流时，电磁铁吸引接触器向下侧，励磁电流反向流动，电机反转(参考文献2)。 

②.单相电容异步电动机——洗衣机所用XDC、JXX、XD、XDL、XDS型均可。其定子有两个不同的绕组，如附图5所示，当切换装置把电流在两条电路中切换时，由于电容串在了另一条电路上，定子极性改变，使得电机转子改变转动方向(参考文献5)。 

北纬40°半智能微电脑时控程序计算表 

微电脑控制方案的优缺点—— 

优点：1。可以丝毫不受天气阴霾与否的影响，下雨天看不见太阳，设备仍就朝向云外的太阳，一旦露出笑脸，光能立刻被捕捉到。 

2：便于实现群控，场地上如有许多太阳能装置，只须一部微电脑时控器即可控制它们一齐同步跟踪太阳运动的变化。 

缺点：由于各地纬度不同，一年之中太阳赤纬在不断变化(见附录二)，因此必须编制不同纬度的适用程序。我们把全国划分为12个纬度带，把每一纬度带一年按24节气划分为48个时段，算出其太阳的方位角A与高度角h，求出每一时段前后A(h)的差值，此值就是编制程序中每一时段电流通断所需的长度t₁、、t₂、、t₃、、t₄。 

发达地区太阳能装置多，一个城市还可以在电台上设一个专用频道，每天播送本地区当天的时控程序，控制全市千万台设备，更加现代化。 

三.时钟控制方案—— 

信号源——参见附图8：由不间断电源供给一只时钟每24小时转一圈，带动一只滚筒运转，滚筒上贴有四组用印刷电路制做的薄铜片窄条(以下简称为铜条)，每组铜条连在一起，分别与三只滑环连接，三只压簧接触器在滚筒上滑动，当压簧与其中一条铜条接触时，相应电路通电，相应电机转动。 

滚筒(也可称之为记忆鼓)上的铜条展开图如附图8所示：下半部两组铜条贴在高度角调整时刻，其上下午的连线分别与滑环5、6连接，与压簧3形成两条回路，负责控制高度角调整电机正反转之用；上半部铜条所贴位置在方位角正转调整时刻，当压片1与之接触时，与滑环4组成一个回路负责控制方位角电机的正转动作；中部在20:00时分有一稍宽铜皮，它也与滑环4相连接，当压片2与之接触时，与滑环4组成一个同路，负责控制方位角电机的反转动作。 

信号程序编制——信号程序的编制，与半智能微电脑方案一样，也是通过同样计算求得，但略有不同。微电脑方案是每半小时发出一组四个信号，电机转动时间的长短决定于每一对开关时间信号的间隔，而时钟控制方案铜条只能给出一个通电信号，却无法控制其长短，因此必须增加一个装置，限定电机每次只能转动一个固定圈数，使方位角每次只转动15°，高度角每次只转动10°。这样一来各组铜条的间距就必须按照15°、10°来推算出的时间来布设。所以您看到的铜条之间的宽度：高度角两组是早晚间距大而中午小；与其相反，方位角一组是早晚间距小而中午大。 

时钟控制方案的反转复原机制——与微电脑方案上盘反转复位机制基本相同，只是前者由微电脑发出信号，后者由压簧2碰到信号滚筒上的铜条发出信号，切换装置都一样。 

关于季节转换时时距的调整——如附图7A区细部示意图所示：压簧1、3装在一块滑板上，滑板受时钟控制器带动的一套齿轮组带动作往复运动。齿轮A每天转一圈，它只有一个齿，每天拨齿轮B转一个齿。齿轮B有73个齿，每73天转一圈。齿轮B转5圈带动齿轮C转一圈，因此齿轮C每年(即365天)转一圈，由连杆带动滑板和与之连接的压簧1、3往复运动一个来回：夏至日到图中上面A信号铜条间距窄(下面h信号铜条间距宽)的位置，冬至日到图中上面信号铜条间距宽(下面h信号铜条间距窄)间的位置，则装置发出信号的时间间距就与当时的太阳运行的规律相符了。 

时钟控制方案的优缺点——基本上与方案二相同，使用于某些初期发展的城市。设备简单，使用起来事故率低。 

(四.)简易跟踪方案——最适宜于对已经安装使用的固定安装的太阳能装置改造成自动跟踪装置。 

1.方位角与高度角每天都只按春(秋)分日一个程序不变方案——只用两只微电脑时控器，一只控制方位角正、反转电机，另一只控制高度角正、反转电机。正、反转电机的切换仍用第7/10页及附图7的切 换装置。由于春(秋)分日的方位角及高度角在夏至日和冬至日之间，所以对纬度稍高地区来说面积的光照强度折实率损失并不大，但设备简单，所以相当合算。 

2.仅只作方位角跟踪的简易方案—— 

已固定安装的太阳能装置如果嫌全部改装费用高，也可以改为只作方位角跟踪，而不跟踪高度角的方案。只需将原设备安装在一个能跟踪太阳的可水平转动的底盘上，中心用一颗膨胀螺栓固定在屋面上即可。此时太阳能装置的固定安装高度角h_Z的最佳角度根据当地纬度Φ和赤纬δ计算求得，见下表。 

3.除方位角跟踪以外，高度角每年手调二次或四次的方案——将上盘上托盘的后支腿做成可调的即可。角每年手调二次或四次，手调到该段时间的平均高度角上，可以获得较高的吸收效益。这种方式用于太阳能板安装在上人方便的平台上，人员手调比较方便的场合。 

(1).高度角每年在雨水、谷雨、处暑、霜降四个节气日手调面板倾角四次。 

(2).高度角每年在春分、秋分两个节气日手调面板倾角各一次。 

其余地区必须通过计算，求出每次调整的最佳角度。 

(五.)大雷达天线式跟踪方案——为了防止许多跟踪式装置前后左右互相遮蔽，影响能量吸收效率，必须把许多装置组合起来，以便在有限的面积上获取最多的能量。 

在多层与高层楼房设计中，在塔式楼房屋顶上，或板式楼房每一单元的平面屋顶上，安装一条圆形轨道，在微电脑的操纵下作方位角跟踪。上面安装一座大型雷达天线式的钢铁网架，网架呈倾斜面，其安装倾角为：h_Z＝Φ/2+33.275°(Φ一当地纬度)。 

网架下面屋顶中央的小屋为管理房以及安装有蓄电池组和热水储水箱的房间。网架的下支撑为安装在圆形轨道上的两只带抗风装置的滚轮，上支撑为安装在屋顶中央的旋转支座，支座内装有平面推力轴承和向心轴承(见附图9)，中轴为一同心三层套管，外层与中层管之间填满泡沫塑料以保温，中层与内层管之间为上水通道，内层管为热水下水管。上、下水管向上与网架上弦杆的纵向管联接，下水管向下通向热水蓄水池，热水泵从热水蓄水池中抽水，以保证热水管内水的循环，使热能逐渐交换储存到蓄水池中，蓄水池向下有热水供水管道向用户供给热水。另有给水管，以便每天早上向网架热水器补水。 

网架用中空的矩形钢管组焊而成，纵向间矩2200mm左右，横向1800mm左右，形成一个个矩形方格，每个框格里安装一具：太阳能托盘，托盘中腰有一根中空的水平钢管与上弦杆的纵向杆联接，可以转动。托盘上可以安装太阳能电池组或太阳能集热管，或上下排分别安装两种设备。每个托盘背后有一垂直于托盘的杠杆，由一统一的连杆在高度角电机正、反转的操纵下调整托盘的高度角。 

在微电脑的操纵下，网架作方位角跟踪，托盘作高度角跟踪，结果全部：紧挨着的太阳能装置就都始终面向太阳了(见附图8)。太阳能光伏电池组产生的电能通过汇流排传到蓄电池间储存。太阳能集热管的热水通过管道泵和同心管道从屋顶中心支座中穿过，储存到热水蓄水池间里，供全楼照明或洗浴使用。 

屋顶雷达天线式跟踪方案的优缺点—— 

1.平面屋顶上安装固定式太阳能装置东西方向可以一字形靠紧排列，但前后排必须保持一个相当的距离。而跟踪式太阳能装置则最宜于南北方向一字形排列，前后保持L＝H/tg(90°-φ-δ)的距离，(φ为当地地理纬度，δ为冬至日太阳的赤纬)，东西方向要拉开相当大的距离。 

所以要在同一个平屋顶上前后左右一个挨一个密集的安装更多的太阳能装置，必须采用本方案才能充分利用屋顶面积，最大程度的获得较多能量。而且集中管理，专业化程度高，住户省心省事。 

本方案特别适用于海岛、山顶边防哨所、海滨、沙漠、草原地区或别墅屋顶。也是利用沙漠、荒山大规模发电的最佳方案。 

2。但屋面网架既高又大，装在高楼顶上会增加楼房的风荷载面积，新楼设计中应考虑这项风荷载，老楼加装必须经过校核后才能安装。 

(六.)赤纬、时角双调型跟踪方案——设备示意图见附图10。 

时角跟踪——太阳能电池板呈圆形或八角形，或者就装饰成葵花形状，由一套蜗轮蜗杆机构趋动在一条圆形轨道上从东到西迎着太阳移动。早上日出时，托盘面是直立着面对东方的日出时的A角的，正转电机接受微电脑指令后正转，每半小时转动7.5°，托盘沿弧形轨道向西转动，到12:00时面向天顶，到傍晚日落时又面向西方日落时的A角了。到了夜里，电机同方案三一样反转，托盘面又直立着面对东方了。赤纬跟踪——时角调整的半圆形轨道可以顺子午线方向摆动(2φ＝)46.90°以跟踪赤纬。操纵摆动的机构(见附图10)。为另一套蜗轮蜗杆机构，接受微电脑指令，蜗轮每365天转动一圈，蜗轮圆盘上有一根短桩，由联杆带动时角跟踪器每365天往返一次，往返摆动的角度正好也是46.90°，这样时角跟踪器就基本上跟踪着太阳赤纬的角度，太阳能电池板就基本上跟踪太阳转动了。 

赤纬、时角双调型跟踪方案的优缺点—— 

优点： 

1.设备简单轻巧，造价不高——赤纬调整圆盘365天才转一圈，一天只拨一个齿设备简单轻巧，所需能量也极省。 

2.时角调整每天都在时角调整轨道上从早上4:30到晚上19:30每小时移动15°终年不变，(夏至日、冬至日也一样)，所以所需信号源只是一只18门的时(间)控(制)开关即可，机械也简单。 

缺点： 

1.每天的赤纬是一个个平行于赤道的圆面，而我们的赤纬调整器只能作摆动动作，二者有一定的角度差(春、秋分日为0，夏至、冬至日最大到23.45°，平均也只有11.725°)，对效率的影响也只有(1-cos11.725°＝2.1％左右。 

2.由于怕把集热管倒过头来再进冷水时激炸玻璃管，所以不适用于太阳能热水器。 

参考文献： 

(1).建筑工程部北京工业建筑设计院 编 建筑设计资料集1  中国工业出版社  1964 

(2).王鸿明编  电工技术与电子技术  上册  清华大学出版社  1994 

(3).李怀莆主编  彩色电视机原理与维修  人民邮电出版社  2008 

(4).[日]摈川圭弘编著  太阳能光伏电池及其应用  科学出版社  2008 

(5).赵  清  张玉茹  编著  家用洗衣机使用与维修  金盾出版社  2006 

(6)王军云  编著  万年历  华侨出版社  2008 

附图说明：

附图1：太阳位置------天球概念 

附图2：斜射阳光的光照强度折实率及按45度倾角固定安装太阳能的光照强度折实率 

附图3：太阳能电池板跟踪装置原理图； 

附图4：太阳能热水器跟踪装置原理图； 

附图5：光电跟踪方案原理图； 

附图6--1：全智能调控方案电路框图； 

附图6--2：录入电路示意图； 

附图6--3：半智能调控方案电路框图； 

附图7：智能调控方案的机电装置； 

附图8：时钟调控方案原理图； 

附图9：旋转餐厅式方案示意图； 

附图10：赤纬、时角双调型跟踪装置及单向电机的正反转电路 。

Claims (8)

1.一种其特征为：将太阳在天空中的位置用方位角及高度角两个数据表示，通过方位角电机的正、反转使上盘水平转动以跟踪太阳的方位，高度角电机的正、反转改变托盘的倾角，以跟踪太阳高度的跟踪方法

2.一种其特征为：将太阳在天空中的位置用当天的赤纬角及当地的时角两个数据表示，通过赤纬调整转盘和连杆的作用，使托盘轨道基本上对准赤纬，时角电机的正、反转改变托盘的倾角以跟踪太阳的方法；

3.一种其特征为：用一对光电‘复眼’感知太阳的方位角及高度角，通过方法1跟踪太阳的设备；

4.一种其特征为：将全年等分为48等分(或73等分)，计算出每段中间一天每小时太阳的方位角及高度角，编程输入微电脑单片机，微电脑每天、每小时发出一组4个信号，再通过一系列电子电路的电平加减和滤除，将4个信号分解到四条电路上，分别去趋动方位角及高度角电机正、反转，以跟踪太阳的设备。和信号切换装置。

5.一种其特征为一由时钟带动的记忆鼓，上面贴有标示全年分小时太阳的方位角及高度角的铜条，通过弹簧压片接触器及滑环向设备授出信号分别去趋动方位角及高度角电机正、反转，通过方法1跟踪太阳的设备；

6.一种只按春(秋)分日那天每小时方位角及高度角数据跟踪太阳的简易跟踪方式。

7.两种简易的跟踪方式：只按春(秋)分日那天每小时方位角数据跟踪太阳的方位，而高度角只每年手调1、2、4次的方法。

8.一种其特征为一架象大型雷达天线式的网架，斜面上一个个框格里安装太阳能设备，网架在轨道上作水平转动，框格里的设备在连杆带动下作倾角调整，以跟踪太阳的设备。

Images