CN101923355A - 旋转俯仰式太阳跟踪器 - Google Patents

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Abstract

一种旋转俯仰式太阳跟踪器，属于太阳能应用领域，用于太阳能集热、采热系统以及太阳能光伏发电系统的太阳方位的实时动态跟踪。其特征在于：包含一只二坐标高精度太阳跟踪传感器1、一个刚性承物平台2、一套或一对电动推杆3、一套二路电器驱动系统4、一套电动水平旋转平台5，构成一套所述的旋转俯仰式太阳跟踪器；二座标高精度太阳跟踪传感器1安装在刚性承物平台2的迎光面上，一套或一组电动推杆3的下端铰接在电动水平旋转平台5的台面上，其上端与刚性承物平台2相铰联；电动水平旋转平台5的台面上还固接有一个或一组支脚，支脚上有一组同轴的铰支孔，刚性承物平台2的下腹部与这一铰支孔铰接，通过电动推杆3活动套的上下移动，可推动刚性承物平台2在电动水平旋转平台5的台面上绕其铰轴作90°以内的上下俯仰运动，再通过电动水平旋转平台5在水平方向上的转动，驮着刚性承物平台2对太阳运动作全方位跟踪，使其受光面始终迎着太阳。

Description

旋转俯仰式太阳跟踪器
所属技术领域
本发明为一种旋转俯仰式太阳跟踪器，属于太阳能应用领域，用于太阳能集热、采热系统以及太阳能光伏发电系统对太阳能的跟踪采集，尤其是太阳能高倍率聚光采集系统不可或缺的实时动态跟踪设备。
背景技术
在全球化石能源即将枯竭的今天，太阳能的深度开发应用已被人们所关注。但以往人们仅在太阳能的低温应用领域上开发了一些基础产品，如太阳能热水器、太阳能光伏电池等对跟踪要求不高或基本无需跟踪的产品，并且，由于过去的太阳跟踪设备造价高昂、技术尚未成熟，所以跟踪技术没有得到广泛应用。今天，人们已深入到太阳能中、高温应用领域和高倍率聚光光伏应用领域的研究和开发，人们发现，由于太阳能的能流密度较低，属于低品位的热源，若要将其提升为中、高品位的热源，使之产生高温、高热和高光强，就得设法将太阳光进行高倍聚光，而一旦采用聚光手段，则离不开对太阳的高精度超广角的适时动态跟踪，这就对跟踪器提出了很高的要求。
在现有技术中，太阳跟踪器总是采用“旋转中柱+圆弧齿轮”的有如常见的卫星接收天线式的“枢轴驱动”式结构，导致设备结构宠大、造价高、抗风差、需大动力驱动，使之无法推广使用，给太阳能的高温应用造成了难以愈越的屏障。
发明内容
本发明的目的，就是为聚光太阳能集热系统以及光伏发电系统提供一种“边缘驱动”的结构方案，使之成为经济实用、性能可靠、易于实现、抗风能力强、使用方便的二座标、高灵敏度的太阳跟踪器，以保证太阳能采集系统的可靠、高效工作。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
用一只二座标高精度太阳跟踪传感器1、一个刚性承物平台2、一套或一对电动推杆3、一套二路电器驱动系统4、一套电动水平旋转平台5，构成一套所述的旋转俯仰式太阳跟踪器；二座标高精度太阳跟踪传感器1安装在刚性承物平台2的迎光面上，一套或一对电动推杆3的下端铰接在电动水平旋转平台5的台面上，其上端的活动套与刚性承物平台2相铰联；电动水平旋转平台5的台面上还固接有一个或一对支脚，支脚上有一组同轴的铰支孔，刚性承物平台2的下腹部与这一铰支孔铰接，通过电动推杆3活动套的上下移动，可推动刚性承物平台2在电动水平旋转平台5的台面上绕其铰轴作90°以内的上下俯仰运动，再通过电动水平旋转平台5在水平方向上的转动，驮着刚性承物平台2对太阳运动作全方位跟踪，使其受光面始终迎着太阳。
二座标太阳跟踪传感器1内包含两对参数相同的光敏器件、一根四面带有反光镜面的矩形反光立柱、一个四棱锥台、一个遮光筒和一个底座，构成一个二座标的太阳跟踪传感器，两对光敏器件分别装贴在四棱锥台的四个斜面上，矩形反光立柱垂直立于四棱锥台的顶部平台上，其四侧的镜面反光面与四棱锥台的四个斜面分别一一对应，遮光筒与底板相连，处于本件的最底部。
二座标太阳跟踪传感器还可由二套具有以下特征的一座标宽域太阳跟踪传感器互成90°安装构成，每套一座标宽域太阳跟踪传感器包含：一对参数相同的光电池、一片双面反光镜片和一个等腰三角形支架，构成一个一座标的宽域太阳跟踪传感器，两片光电池分别装在等腰三角形支架的两个斜面上，双面反光镜片装在两片光电池外交角的平分线上。
二路电器驱动系统4内包含数个电压比较器或A/D转换器，将来自于二座标太阳跟踪传感器1的两对与光强成比例的电压信号或电流信号或阻值变化信号进行直接比较或经A/D转换后再行比较，检出超过设定阈值的差值信号，同时由相应的逻辑分析电路对设备的对日跟踪情况或对日、夜、阴、晴、风状况进行正确判断，再由功率放大电路分别驱动两套电动推杆3对受光面作出相应的姿位调整。
电动推杆3包含一组滑动套、一根带齿条或齿孔的长杆、一个带齿的驱动轮、一副蜗轮蜗杆减速机、一只电动机、一个铰支杆座，构成一套所述的电动推杆装置，铰支杆座与长杆铰接，长杆套装在滑套内，驱动轮安装在滑套的一侧并与长杆上的齿条或齿孔相啮合，驱动轮由蜗轮蜗杆减速机驱动，蜗轮蜗杆减速机由电动机带动，由于蜗轮蜗杆减速机的不可逆性，使得机构有良好的自琐性能，无论滑动套运行在长杆的任何位置上，均能可靠自琐，不致下滑。。
电动推杆还可以是电动丝杆-螺母式推杆或液压式推杆或链条回转式推杆，这些推杆可以单套独立使用于中小型轻载跟踪系统中，也可以多套成排联动使用于大型重载跟踪系统中。
电动水平旋转平台5由驱动系统6、芯轴7、固定压板11、底盘12、滚轮12构成，芯轴7与大地或建筑物固联，数个滚轮装13在底盘12下部周边，底盘的中心孔套入芯轴7中并可绕其旋转，芯轴的上端部有一能阻止中心孔从芯轴中脱出的固定压板11，驱动系统6可驱动底盘绕芯轴7旋转。
电动推杆3、电动水平旋转平台5、刚性承物平台2三个部件之间通过相互铰接，空间上构成了较为稳定的三角形结构，具备很好的结构刚性和抗风载能力。
电动水平旋转平台5上的驱动系统由电机、多级减速机组成，减速后的转矩用以驱动行走轮转动；行走轮的驱动形式可以是多轮单驱动也可以是多轮双驱动或多轮多驱动，还可以采用多个伞型齿轮组成分动器，将主动伞齿轮套装在芯轴的外侧，分动伞齿轮分装于其周边，再通过各自的分动传动轴，将相同旋转方向的力矩分别传输到各驱动轮，以带动水平旋转平台5按跟踪要求进行正、反向旋转寻向。
电动推杆3和电动水平旋转平台5上的驱动系统的电机可采用直流电机，系统可由太阳能电池板外加蓄电池自行供电；刚性承物平台2作为承载平台，可将太阳能电池板或聚光型太阳能光伏接收组件、聚光型光热接收组件装载其上，使其对太阳作全方位跟踪。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是刚性承物平台处于上抑状态视图
图2是刚性承物平台处于水平状态视图
图3是刚性承物平台处于水平状态的俯视图
图4是重载型跟踪器的刚性承物平台处于水平状态视图
图5是重载型跟踪器的刚性承物平台处于上仰状态视图
图6是重载型跟踪器的刚性承物平台处于水平状态俯视图
图7是重载型跟踪器的电动旋转平台结构示意图
图8是本发明的二路电器驱动系统的电原理图
图中，1是二座标高精度太阳跟踪传感器，2是刚性承物平台，3电动推杆，4是二路电器驱动系统，5是电动水平旋转平台，6是水平驱动系统，7是芯轴，8是铰支轴，9是轨道，10是联动轴，11是固定压板，12是底盘，13是滚轮。
具体实施方式
实施例之一的结构如图1、图2、图3所示。图1为刚性承物平台处于上抑状态的工作示意图，本实施例由一只二座标高精度太阳跟踪传感器1、一个刚性承物平台2、一套电动推杆3、一套二路电器驱动系统4、一套电动水平旋转平台5构成；图2为刚性承物平台处于平放状态的示意图，其中，6为电动水平旋转平台5上的电动驱动系统，芯轴7为与地面固接的中心转轴，一组滚轮13安装在以芯轴7几何中心点为圆心的一个圆周上，每个滚轮的轴向延长线均指并过此圆心，所有的滚轮均可以此圆心作圆同滚动，使得整机可在水平方向上以芯轴7为中心，绕其作旋转运动；8为铰支轴，是刚性承物平台作上下俯仰运动的铰支点；本机下部的驱动轮可直接落地，但要求地表为较平整结实的地面。本实施例为中、小型跟踪器的典型应用，其特点为：1、仅用一副电动推杆推动刚性承物平台2作上仰或平放运动；2、水平与垂直方向的驱动器施力点均在运动构件的切向速度最大处(而不在转轴处)，也即“边缘驱动”方式，使得驱动器的力矩不须设计得很大，用较小的电机(≤10W)即能驱动成吨重的较大设备，使得机构简化、微功耗，符合经济、耐用的原则；3、如图1所示，整机由电动推杆3、刚性承物平台2、电动水平旋转平台5构成一个稳定的三角形结构，使得整机的机构稳定性好，抗风能力大为提升；同时，由于芯轴7的下端与地面固接，电动水平旋转平台5的中心孔套装在芯轴7上，固定压板11又与芯轴固接并限制了电动水平旋转平台5中心孔在垂直方向上的位移，使得整机受外力(如大风)作用时不易倾倒，增强了设备的抗风能力。4、“边缘驱动”方式与“枢轴驱动”方式相比，减速机构在相同机械间隙的情况下，由于前者处在转动体的边缘，其间隙产生的机构整体角位移最小，而后者处于转动轴的中心位置，其间隙产生的机构整体角位移最大，所以，本机构的传动精度高、便于精确定位。
本实施例的工作原理如下：当阳光照在二座标高精度太阳跟踪传感器1上时，其上的两组光电池由于各自入射角的差异，感应出不同的电压，通过二路电器驱动系统4内电路的比较、分析，分别给电动推杆3和电动水平旋转平台5发出矫位信号，使其分别作上下俯仰和左右偏转运动，直至两组光电池上感应的电压相同为止，完成一次对日跟踪矫位。由于地球不停地自转，太阳在天空中的位置随着产生偏移，本设施不时重复以上对日跟踪矫位动作，使设备始终朝向太阳。
实施例之二的结构如图4、图5、图6所示。本实施例的工作原理与实施例一基本相同，仅是在结构上略有差异，不同之处在于：1、多了一圈地轨9，使得本机对地面平整度的要求大为降低，可适应于户外的所有环境使用；2、使用了一对电动推杆，但两推杆上带齿的驱动轮由一根联动轴10相连，垂直方向上的电动驱动器装在两推杆之间，两推杆共用一套驱动器(电机+减速机)，使得两推杆得以同步上升或下降，带动刚性承物平台2作上下俯仰动作。因此，本实施例的结构适应性更强、承载能力更大、稳定性更高，使得对日跟踪更为精确、可靠。
图6是本发明的二路电器驱动系统的电原理图的实施例之一，图中，U1、U2、U3、U4为二座标高精度太阳跟踪传感器1上的两对(四只)光电池，由于其朝向为两两倾斜(倾斜角相同)相背，两对互成90°安装，因此四片光电池的朝向各自不同，当其得到不同的光强时，各自所发出的电压不同，经各自的限流电阻R1、R2、R3、R4限流后，分别送到四个A/D转换器进行模/数转换并经数据比较，以作出正确的机位判断，并由OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别向后续的放大和驱动电路发出矫位信号，使得电动推杆3与水平旋转平台5上的电动机协同对各自坐标的姿位作出正确调整，以使刚性承物平台2的向阳面始终朝向太阳。图中W1、W2、W3、W4分别为四片光电池的负载电阻，通过调整其阻值的大小，可对本跟踪器作精确调整。

Claims (10)

1.一种旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：包含一只二座标高精度太阳跟踪传感器1、一个刚性承物平台2、一套或一对电动推杆3、一套二路电器驱动系统4、一套电动水平旋转平台5，构成一套所述的旋转俯仰式太阳跟踪器；二座标高精度太阳跟踪传感器1安装在刚性承物平台2的迎光面上，一套或一对电动推杆3的下端铰接在电动水平旋转平台5的台面上，其上端的活动套与刚性承物平台2相铰联；电动水平旋转平台5的台面上还固接有一个或一对支脚，支脚上有一组同轴的铰支孔，刚性承物平台2的下腹部与这一铰支孔铰接，通过电动推杆3活动套的上下移动，可推动刚性承物平台2在电动水平旋转平台5的台面上绕其铰轴作90°以内的上下俯仰运动，再通过电动水平旋转平台5在水平方向上的转动，驮着刚性承物平台2对太阳运动作全方位跟踪，使其受光面始终迎着太阳。
2.根据权利要求1所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：二座标太阳跟踪传感器1内包含两对参数相同的光敏器件、一根四面带有反光镜面的矩形反光立柱、一个四棱锥台、一个遮光筒和一个底座，构成一个二座标的太阳跟踪传感器，两对光敏器件分别装贴在四棱锥台的四个斜面上，矩形反光立柱垂直立于四棱锥台的顶部平台上，其四侧的镜面反光面与四棱锥台的四个斜面分别一一对应，遮光筒与底座相连，处于本件的最底部。
3.根据权利要求1所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：二座标太阳跟踪传感器还可由二套具有以下特征的一座标宽域太阳跟踪传感器互成90°安装构成，每套一座标宽域太阳跟踪传感器包含：一对参数相同的光电池、一片双面反光镜片和一个等腰三角形支架，构成一个一座标的宽域太阳跟踪传感器，两片光电池分别装在等腰三角形支架的两个斜面上，双面反光镜片装在两片光电池外交角的平分线上。
4.根据权利要求1所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：二路电器驱动系统4内包含数个电压比较器或A/D转换器，将来自于二维太阳跟踪传感器1的两对与光强成比例的电压信号或电流信号或阻值变化信号进行直接比较或经A/D转换后再行比较，检出超过设定阈值的差值信号，同时由相应的逻辑分析电路对设备的对日跟踪情况或对日、夜、阴、晴、风状况进行正确判断，再由功率放大电路分别驱动两套电动推杆3对受光面作出相应的姿位调整。
5.根据权利要求1所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：电动推杆3包含一组滑动套、一根带齿条或齿孔的长杆、一个带齿的驱动轮、一副蜗轮蜗杆减速机、一只电动机、一个铰支杆座，构成一套所述的电动推杆装置，铰支杆座与长杆铰接，长杆套装在滑套内，驱动轮安装在滑套的一侧并与长杆上的齿条或齿孔相啮合，驱动轮由蜗轮蜗杆减速机驱动，蜗轮蜗杆减速机由电动机带动，由于蜗轮蜗杆减速机的不可逆性，使得机构有良好的自琐性能。
6.根据权利要求1或5所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：电动推杆还可以是电动丝杆-螺母式推杆或液压式推杆或链条回转式推杆，这些推杆可以单套独立使用于中小型轻载跟踪系统中，也可以多套成排联动使用于大型重载跟踪系统中。
7.根据权利要求1或5至6所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：电动水平旋转平台5由驱动系统6、芯轴7、是固定压板11、底盘12、滚轮13构成，芯轴7与大地或建筑物固联，数个滚轮装13在底盘12下部周边，底盘的中心孔套入芯轴7中并可绕其旋转，芯轴的上端部有一能阻止中心孔从芯轴中脱出的固定压板11，驱动系统可驱动底盘绕芯轴7旋转。
8.根据权利要求1或5至7所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：电动推杆3、电动水平旋转平台5、刚性承物平台2三个部件之间通过相互铰接，空间上能构成较为稳定的三角形结构，具备很好的结构刚性和抗风载能力。
9.根据权利要求1或6至8所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：电动水平旋转平台5上的驱动系统可以是多轮单驱动也可以是多轮双驱动或多轮多驱动，还可以采用多个伞型齿轮组成分动器，将主动伞齿轮套装在芯轴的外侧，分动伞齿轮分装于其周边，再通过各自的分动传动轴，将相同旋转方向的力矩分别传输到各驱动轮，以带动旋转平台5按跟踪要求进行正、反向旋转寻向。
10.根据权利要求1至9所述的旋转俯仰式太阳跟踪器，其特征在于：电动推杆3和电动水平旋转平台5上的驱动系统的电机可采用直流电机，系统可由太阳能电池板外加蓄电池自行供电；刚性承物平台2作为承载平台，可将太阳能电池板或聚光型太阳能光伏接收组件、聚光型光热接收组件装载其上，使其对太阳作全方位跟踪。
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