CN101917136B - 利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置 - Google Patents

利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳跟踪设备领域，特别涉及一种利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置。本装置在热胀冷缩机构的输出端使用多级杠杆放大机构，对热胀冷缩运动进行放大，并在多级杠杆放大机构的输出端使用曲柄摇杆机构，驱动太阳追踪装置转动；本发明使用了由弹簧及带轨道的凸轮组成的复位机构，利用弹簧的弹性势能对本装置进行自动复位。本发明可以实现设备的无人操作，且可以根据不同气候地域调整热胀冷缩材料的种类和尺寸等参数，从而与使用地的特定气候条件相适应，极大地降低了设备对使用环境和人员的要求；所述装置不易受环境影响，可靠性高，使用寿命长，成本也较低。

Description

利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置
技术领域
本发明属于太阳跟踪设备领域，特别涉及一种利用材料热胀冷缩和相变的性质实现对太阳自动跟踪的太阳追踪装置。
背景技术
目前太阳追踪设备通常采用外接电源或者自带蓄电池给追踪系统供电，也有部分设备采用重力或弹簧发条的弹性势能来提供装置追踪太阳的动力来源。由于追踪装置通常配有电机，耗能比较大，导致太阳能总体输出能量降低。而应用重力或者弹簧发条作动力的方式通常需要人来提供初始动力，将人拧紧发条或弹簧做的功转化为发条或弹簧等储能元件的势能，因此通常需要人每天早晨将重物抬高或将发条拧紧，而这需要耗费比较多的人工成本；此外，这也要求太阳追踪设备必须应用在经常有人活动的区域，对使用环境增加了较大的限制。
发明内容
本发明针对现有太阳追踪设备的缺点和不足，提供了一种利用材料热胀冷缩和相变性质的自动太阳追踪装置。
本发明的技术方案为：驱动机构的驱动机构输出杆通过一级杠杆滑块与一级杠杆机构的输入端连接，一级杠杆机构的输出端通过二级杠杆滑块与二级杠杆机构的输入端连接，二级杠杆机构的输入端通过三级杠杆滑块与三级杠杆机构的输入端连接；所述一级杠杆机构、二级杠杆机构和三级杠杆机构分别安装在第一杠杆支架、第二杠杆支架和第三杠杆支架上，且三个杠杆机构的输入端到其各自支架的距离均分别小于三个杠杆机构的输出端到各自支架的距离；三级杠杆机构的输出端通过驱动连杆和驱动摇杆连接到连杆齿轮上，三级杠杆机构、驱动连杆和驱动摇杆共同构成曲柄连杆结构；连杆齿轮与负载齿轮配合，从而带动负载输出轴驱动太阳能电池板转动；驱动机构内设有与驱动机构输出杆连接的活塞，所述活塞将驱动机构的内室分为两部分，在所述内室靠近驱动机构输出杆的部分设置弹簧，在内室的另一部分设置胶囊；胶囊内填充具有热胀冷缩性质的液气混合材料，使胶囊的体积随温度变化而变化；所述负载输出轴安装在负载输出轴基座上，负载输出轴的下端设置方形截面的滑动轨道；在负载输出轴基座内底部，设置复位弹簧，并在复位弹簧上方设置复位凸轮；复位凸轮的顶部设置凸轮输出轴，且凸轮输出轴通过超越离合器与负载输出轴基座单向相对转动连接，以实现工作和复位功能；凸轮输出轴与负载输出轴下端的滑动轨道配合安装，使凸轮输出轴沿所述滑动轨道上下滑动；复位凸轮的表面设置曲线轨道，凸轮滑块一端与复位凸轮表面的曲线轨道的廓线保持接触，另一端固定在负载输出轴基座上。
所述驱动机构安装在轨道上，并在驱动机构旁设置调节电机，调节电机的输出端与丝杠-滑块结构连接，并通过滑块带动驱动机构沿轨道滑动。调节电机的作用是根据季节和气候等因素造成的日气温变化差异，进行太阳能电池板追踪的辅助调节，增强此套追踪系统对环境、气候的适应性，同时增强追踪系统的运行柔顺性和连续性。
所述一级杠杆机构、二级杠杆机构和三级杠杆机构均为“L”形。
所述热胀冷缩材料为乙醚。
所述三级杠杆机构的输出端位移最大时，驱动连杆和驱动摇杆位置重合。
所述复位凸轮表面的曲线轨道为封闭的空间曲线，该曲线沿复位凸轮轴向方向的最低点和最高点分别对应负载输出轴的起始位置和结束位置，为使负载输出轴运动平稳，复位凸轮表面曲线轨道的最高点和最低点之间为直线轨道。
所述复位凸轮与负载输出轴同轴布置。
所述杠杆机构根据实际情况，只采用一级杠杆机构，或采用一级和二级杠杆机构，或使用更多级的杠杆机构，以达到最好的运动放大效果。
本发明的有益成果为：所述装置可以将材料热胀冷缩时在形状上的变化转化为追逐设备的驱动力。由于太阳位置的变化规律与环境温度呈现一定的对应关系，因此可以实现设备的无人操作，且可以根据不同气候地域调整热胀冷缩材料的种类和尺寸等参数，从而与使用地的特定气候条件相适应，极大地降低了设备对使用环境和人员的要求。追踪装置主要采用纯机械方式，利用材料在冷热不同环境下的形状变化所产生的力，作为追踪设备的驱动力，将力在特定方向上的小位移通过多级位移放大机构，转化为动力输出机构所需要的较大的位移，动力完全取自材料热胀冷缩变化产生的动力，不需要耗费外加的能量，即可实现全天候自动太阳追踪功能。机械装置易于实现封装保护，不易受环境影响，可靠性高，使用寿命长，成本也较低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明杠杆机构部分的结构示意图；
图3为本发明驱动放大机构原理示意图；
图4为本发明驱动转动机构原理示意图；
图5为本发明热胀冷缩机构的剖视图；
图6为本发明复位机构的结构示意图；
图7为复位凸轮的轨道示意图。
图中标号：
1-驱动机构；2-驱动机构输出杆；3-一级杠杆滑块；4-一级杠杆机构；5-二级杠杆滑块；6-二级杠杆机构；7-三级杠杆滑块；8-三级杠杆机构；9-驱动连杆；10-驱动摇杆；11-连杆齿轮；12-负载齿轮；13-负载输出轴；14-胶囊；15-活塞；16-弹簧；17-第一杠杆支架；18-第二杠杆支架；19-第三杠杆支架；20-轨道；21-调节电机；22-丝杠-滑块结构；23-负载输出轴基座；24-凸轮输出轴；25-超越离合器；26-复位凸轮；27-凸轮滑块；28-复位弹簧。
具体实施方式
本发明提供了一种利用材料热胀冷缩形变所产生的力作为运动驱动力的自动太阳追踪装置，下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：
由于在一天中太阳方位角的追踪方向是一致的，即自东向西的旋转运动，而一天中的气温变化通常是先升高、后降低，这反映在材料上某个尺寸方向上的变化即是先伸长后缩短。利用四杆机构(曲柄摇杆机构)存在的曲柄运动方向变化位置，可以实现在摇杆运动方向变化时，即开始逆向运动，曲柄的旋转方向不变，从而实现白天的太阳方位角的追踪动作。
本发明的结构如图1、图2和图5所示。驱动机构1安装在轨道20上，并在驱动机构1旁设置调节电机21，调节电机21的输出端与丝杠-滑块结构22连接，并通过滑块带动驱动机构1沿轨道20滑动。调节电机21的作用是根据季节和气候等因素造成的日气温变化差异，进行太阳能电池板追踪的辅助调节，增强此套追踪系统对环境、气候的适应性，同时增强追踪系统的运行柔顺性和连续性。此调节电机的工作行程相对于驱动机构行程非常短，因此其所消耗的能量也很低，可以选择由太阳能直接供电。
驱动机构1的驱动机构输出杆2通过一级杠杆滑块3与“L”形的一级杠杆机构4的输入端连接，一级杠杆机构4的输出端通过二级杠杆滑块5与“L”形的二级杠杆机构6的输入端连接，二级杠杆机构6的输入端通过三级杠杆滑块7与“L”形的三级杠杆机构8的输入端连接。所述一级杠杆机构4、二级杠杆机构6和三级杠杆机构8分别安装在第一杠杆支架17、第二杠杆支架18和第三杠杆支架19上，且三个杠杆机构的输入端到其各自支架的距离均分别小于三个杠杆机构的输出端到各自支架的距离；三级杠杆机构8的输出端通过驱动连杆9和驱动摇杆10连接到连杆齿轮11上，三级杠杆机构8、驱动连杆9和驱动摇杆10共同构成曲柄连杆结构；连杆齿轮11与负载齿轮12配合，从而带动负载输出轴13转动；驱动机构1内设有与驱动机构输出杆2连接的活塞15，所述活塞15将驱动机构1的内室分为两部分，在所述内室靠近驱动机构输出杆2的部分设置弹簧16，在内室的另一部分设置胶囊14；胶囊14内填充热胀冷缩材料乙醚，使胶囊14的体积随温度变化而变化。
图3为本发明驱动放大机构原理示意图。A为运动放大机构的输入端，连接驱动机构1的输出端。A端到其所在杆的旋转轴的距离小于B端到其所在杆的旋转轴的距离。当A端绕其所在杆的旋转轴转动时，B端会因为杠杆效应得到更大的位移，以此类推，在D端会产生较大幅度的位移。可以将从A到B为一级放大；放大的级数可以根据需要确定。
图4为本发明驱动转动机构原理示意图。初始状态时，三级杠杆机构8的位置为O1E，驱动连杆9的位置是EG，驱动摇杆10的位置为O2G。当太阳升起后，由日照引起的气温升高，三级杠杆机构8的位置从O1E绕O1点旋转至O1F，带动驱动摇杆10绕O2点由O2G旋转至O2I，I点代表一天中的气温最高点，此时驱动连杆9与驱动摇杆10位置重合。经过气温最高点后，三级杠杆机构8会绕O1点由O1F向O1E反向旋转。由于I点为运动方向不确定点，因此，在O2所在的垂直于圆O2平面的旋转轴上设置防止逆向转动机构，使三级杠杆机构8绕O1点由O1F向O1E反向旋转时，驱动摇杆10能够绕O2继续沿此前的旋转方向由O2I旋转至O2H，至此，完成一天的太阳方位角追踪动作。调节电机21可以由驱动连杆9和驱动摇杆10位置重合位置处的开关调节启动，在驱动摇杆10旋转至I点时提供一个推力，使驱动机构正常运行。
如图6和图7所示，负载输出轴13安装在负载输出轴基座23上，负载输出轴13的下端设置方形截面的滑动轨道；在负载输出轴基座23内底部，设置复位弹簧28，并在复位弹簧28上方设置复位凸轮26；复位凸轮26的顶部设置凸轮输出轴24，且凸轮输出轴24通过超越离合器25与负载输出轴基座23单向相对转动连接，以实现工作和复位功能；凸轮输出轴24与负载输出轴13下端的滑动轨道配合安装，使凸轮输出轴24沿所述滑动轨道上下滑动；复位凸轮26的表面设置曲线轨道，凸轮滑块27一端与复位凸轮26表面的曲线轨道的廓线保持接触，另一端固定在负载输出轴基座23上。所述复位凸轮26表面的曲线轨道为封闭的空间曲线，该曲线沿复位凸轮26轴向方向的最低点和最高点分别对应负载输出轴13的起始位置和结束位置，这两个位置同时也是复位转动的终止位置和起始位置；为使负载输出轴13运动平稳，复位凸轮26表面曲线轨道的最高点和最低点之间为直线轨道。
当太阳升起，温度升高，本装置从初始位置开始工作。胶囊14内的液体气化，发生膨胀，带动驱动机构运动，通过一系列传动，使负载输出轴13转动。负载输出轴13的转动带动复位凸轮26转动，即使固定滑块27沿复位凸轮26上的轨道做相对运动。本装置处于初始位置时，固定滑块27位于复位凸轮26轨道上的最低点M点，复位凸轮26旋转过程中，不断压缩复位弹簧28，积累弹性势能。由于凸轮输出轴24与负载输出轴基座23通过超越离合器25单向相对转动连接，超越式离合器的起作用方向与太阳追踪转动动作的方向相同，因此复位凸轮26只能沿一个方向转动。当太阳落山，温度降低，本装置停止工作，设定此时固定滑块27的位置为轨道最高点N点。之后，驱动机构停止工作，由于复位弹簧28的作用，复位凸轮26继续转动，使固定滑块27回到原始的位置M点，并且带动整个装置回到初始状态。至此，本装置完成一个完整的工作周期。

Claims (8)

1.利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置，其特征在于，驱动机构(1)的驱动机构输出杆(2)通过一级杠杆滑块(3)与一级杠杆机构(4)的输入端连接，一级杠杆机构(4)的输出端通过二级杠杆滑块(5)与二级杠杆机构(6)的输入端连接，二级杠杆机构(6)的输出端通过三级杠杆滑块(7)与三级杠杆机构(8)的输入端连接；所述一级杠杆机构(4)、二级杠杆机构(6)和三级杠杆机构(8)分别安装在第一杠杆支架(17)、第二杠杆支架(18)和第三杠杆支架(19)上，且三个杠杆机构的输入端到其各自支架的距离均分别小于三个杠杆机构的输出端到各自支架的距离：三级杠杆机构(8)的输出端通过驱动连杆(9)和驱动摇杆(10)连接到连杆齿轮(11)上，三级杠杆机构(8)、驱动连杆(9)和驱动摇杆(10)共同构成曲柄连杆结构；连杆齿轮(11)与负载齿轮(12)配合，从而带动负载输出轴(13)转动；
驱动机构(1)内设有与驱动机构输出杆(2)连接的活塞(15)，所述活塞(15)将驱动机构(1)的内室分为两部分，在所述内室靠近驱动机构输出杆(2)的部分设置弹簧(16)，在内室的另一部分设置胶囊(14)；胶囊(14)内填充热胀冷缩材料，使胶囊(14)的体积随温度变化而变化；
所述负载输出轴(13)安装在负载输出轴基座(23)上，负载输出轴(13)的下端设置方形截面的滑动轨道；在负载输出轴基座(23)内底部，设置复位弹簧(28)，并在复位弹簧(28)上方设置复位凸轮(26)；复位凸轮(26)的顶部设置凸轮输出轴(24)，且凸轮输出轴(24)通过超越离合器(25)与负载输出轴基座(23)单向相对转动连接，实现工作和复位功能；凸轮输出轴(24)与负载输出轴(13)下端的滑动轨道配合安装，使凸轮输出轴(24)沿所述滑动轨道上下滑动；复位凸轮(26)表面设置曲线轨道，凸轮滑块(27)一端与复位凸轮(26)表面的曲线轨道的廓线保持接触，另一端固定在负载输出轴基座(23)上。
2.根据权利要求1所述的利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置，其特征在于，所述驱动机构(1)安装在轨道(20)上，并在驱动机构(1)旁设置调节电机(21)，调节电机(21)的输出端与丝杠-滑块结构(22)连接，并通过滑块带动驱动机构(1)沿轨道(20)滑动。
3.根据权利要求1所述的利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置，其特征在于，所述一级杠杆机构(4)和二级杠杆机构(6)均为“L”形。
4.根据权利要求1所述的利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置，其特征在于，所述热胀冷缩材料为乙醚。
5.根据权利要求1所述的利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置，其特征在于，所述三级杠杆机构(8)的输出端位移最大时，驱动连杆(9)和驱动摇杆(10)位置重合。
6.根据权利要求1所述的利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置，其特征在于，所述复位凸轮(26)表面的曲线轨道为封闭的空间曲线，该曲线沿复位凸轮(26)轴向方向的最低点和最高点分别对应负载输出轴(13)的起始位置和结束位置，为使负载输出轴(13)运动平稳，复位凸轮(26)表面曲线轨道的最高点和最低点之间为直线轨道。
7.根据权利要求1所述的利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置，其特征在于，所述复位凸轮(26)与负载输出轴(13)同轴布置。
8.根据权利要求1所述的利用材料热胀冷缩性质的自动太阳追踪装置，其特征在于，所述杠杆机构只采用一级，或采用一级和二级，或使用更多级的杠杆机构。
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