CN103019254B - 仅需一个电机的三维追日系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仅需一个电机的三维追日系统及其控制方法，该系统包括一个控制器、一个电机、至少一个电磁铁离合装置、系统赤纬角调节机构、至少两个追日装置，其中，控制器控制电机直接、间接或通过减速机构驱动追日系统中任一方位角转轴上的方位齿轮、链轮或蜗轮或与其相连的齿条、链条或蜗杆，借助电磁铁离合装置，使各追日装置同时进行随阳方位、高度和赤纬的三维追日运动。

Description

仅需一个电机的三维追日系统及其控制方法

技术领域

本发明属于清洁能源、光电转换装置制造领域，特别涉及一种仅需一个电机的三维追日系统及其控制方法。

背景技术

太阳能是人类可以无限使用下去的一种巨大的天然能源，并作为一种清洁的、没有任何污染的能源越来越受到和引起世界各国的关注和极大的兴趣。

人类对太阳能的利用有着悠久的历史，如利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火、利用太阳能来干燥农副产品等等。迄今，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。

然而，由于技术问题，迄今商业化的光伏发电装置/太阳能电池的价格太高、光电转换效率过低。在城市电力系统中，高昂的一次性投资成本无疑更为光伏发电装置/太阳能电池产品推广增加了难度，大规模开发和利用光伏太阳能发电，提高电池的光电转换效率和降低生产成本成为核心所在。

因此，最大程度利用太阳(能)、提高光电转换效率、降低生产成本、扩大生产规模成为现今开发、生产光伏发电装置/太阳能电池的主题。

中国专利CN94119393.4提出一种太阳跟踪器装置，包括两个随太阳运行的太阳跟踪器及太阳能装置，其特征是：这两个跟踪器以液体或气体作为工作介质的力传递相互连接，当其中的一个跟踪器随太阳运行时，另一个跟踪器也进行相协调的运动。然而，这两个跟踪器的太阳能装置1、1’是通过一个液压式的，采用液体或气体作为工作介质的力传递直接相互连接，当两个跟踪器之一的太阳能装置随太阳运行时，另一个跟踪器太阳能装置也进行相协调的互补性的运动，但不能三维跟踪太阳。

中国专利公开说明书CN01102265.5提出一种主要用于太阳能利用的跟踪太阳的方法及装置。跟踪太阳是等分时间、拟分角度的间隔调整。将地球自转一周时间段和地球公转一周时间段等分为若干个调整时间间隔，将每个调整时间间隔内太阳相对于地球的角度变化各个模拟地分配在模拟赤道的自转角调整齿轮和模拟黄道的俯仰角调整齿轮上，从而产生相对于固定时间间隔的角度间隔，通过伺服机构在各自的每个时间间隔调整一次角度，周期循环调整。并根据该方法给出一个太阳跟踪装置。但该装置不能三维联动跟踪太阳。

中国专利公开说明书CN01124176.4提出一种主要用于太阳能利用的跟踪太阳的方法及装置。并根据该方法给出一个太阳跟踪装置。该太阳跟踪方法包括：A.将平太阳时的一个周日视运动时间段与一个周年视运动时间段各等分为若干个一定合适时长的时间段。B.将太阳与地球表面任一点的连线与这一点的与地轴平行的参考面的夹角变化分解为地球绕太阳公转和地球自转两个夹角变化，前者为仰角变化，后者为自转角变化，对这两个角度变化的跟踪是在这一点的与地轴平行的参考面上进行的。C.将地球公转一个周年视运动时间段等分为若干个调整时间间隔，将每个调整时间间隔内地球公转过太阳的角度变化顺序映射在仰角调整齿轮上，从而产生相对于固定时间间隔的角度间隔，通过与仰角调整齿轮关连的角度调整范围为正负23度26分21秒的伺服机械机构在每个时间间隔调整一次角度，即完成仰角跟踪。D.将地球自转一个平太阳日时间段等分为若干个调整时间间隔，将每个调整时间间隔内地球自转过太阳的自转角视角度变化顺序映射在自转角调整齿轮上，从而产生相对于固定时间间隔的角度间隔，通过与自转角调整齿轮关连的伺服机械机构在每个时间间隔调整一次角度，即完成自转角跟踪。E.将仰角调整齿轮映射地球公转不等角度的时间间隔顺序的真太阳时与平太阳时时差所致自转角角度差弧长辐向顺序映射在仰角调整齿轮侧面上，并通过相对应的关连机械机构反应在自转角调整上，随仰角调整齿轮的调整而调整时差对自转角调整的影响，一周一个时差调整循环，即完成时差调整。F.将仰角跟踪和自转角跟踪及时差调整叠加为一个完整系统，周期循环调整。但该装置不能三维联动跟踪太阳。

中国专利CN02222766.0提出一种微功耗定时太阳跟踪装置，由一个步进式驱动的机械传动机构和微电脑控制电路部分组成。步进式驱动的机械传动机构由步进电机、蝸轮和蝸杆组成。微电脑控制电路部分由MOSFET步进电机驱动电路、光电位置传感器电路、单片机芯片、实时时钟芯片和键盘显示电路组成。它利用地球以每小时自转15度的规律，通过微电脑控制系统和步进式驱动的机械传动机构使太阳射线以接近0度的入射角进入太阳能装置，提高太阳能装置的太阳能转换效率。但该装置需较高造价。

中国专利公开说明书CN03109488.0提出一种单驱动太阳跟踪系统，包括定支架、自转角跟踪机构、仰角调整机构和时差调整机构。利用单驱动实现太阳的自转角跟踪、时差调整和仰角跟踪，减化了结构；自转角跟踪机构包括主工作轴、减速机构、伺服电机和系统控制器，系统控制器的输出端连接伺服电机，伺服电机输出轴与减速机构的输入端同轴连接，减速机构的输出端与主工作轴同轴连接，主工作轴转动支承在定支架上并与地轴平行，自转角跟踪机构一个工作循环为平太阳时的24小时转动1周，连续驱动主工作轴随动于太阳日视运动时角变化；所述的自转角跟踪机构的一个循环所用步数的每步步时长为一个平太阳日的整除步数时长，调整主工作轴间歇、匀速地随动于太阳日视运动时角变动；所述的时差调整机构包括螺杆、时差调整模块环、时差调整杆和时差传动副，时差调整模块环由多个时差调整模块活动连接而成，每一时差调整模块的外侧面有沿时差调整模块环面并与所述螺杆啮合的圆弧螺纹槽；在所述时差调整模块环的内环侧面有沿环面的时差调整槽，每块时差调整模块上的时差调整槽对应该模块调整时间区间的平太阳时与真太阳时的时差在太阳跟踪系统中所反映的时角弧长曲线，各时差调整模块的时差调整槽是连续、闭合和不重复的，整个时差调整槽对应一回归年的平太阳时与真太阳时时差在太阳跟踪系统中所反映的时角弧长曲线；所述的时差调整杆固定在定支架上，其外端垂直插入所述的时差调整槽内；时差调整机构一个工作循环为1回归年，螺杆驱动时差调整模块环转动1周，连续调整1回归年的平太阳时与真太阳时的时差；所述的自转角跟踪机构的系统控制器、伺服电机、减速机构和时差调整机构的螺杆、时差调整模块环、时差传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮均转动支承于动支架上，动支架绕主工作轴微动，所述的螺杆轴向为主工作轴的径向。但该装置结构不易保证该装置平滑准确跟踪太阳。

中国专利公开说明书CN200510094900.8公开了一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法，装置包括受光面板与控制器电连接的传感器、电机，所说受光面板经铰链与支撑杆、高度角调节杆连接，支撑杆的另一端与立柱连接，所说控制器为单片机的模/数端口分别与高度角传感器和方位角传感器电连接、数/模端口分别与高度角驱动电机控制端口和方位角驱动电机控制端口电连接；跟踪方法包括利用经度、纬度和日期时间计算当地当日太阳赤纬和时差，根据经度、纬度、太阳赤纬、时差和时刻实时计算太阳方位角和高度角，利用闭环控制实现实时跟踪；其控制器为单片机的模/数端口分别与高度角传感器和方位角传感器电连接、数/模端口分别与高度角驱动电机控制端口和方位角驱动电机控制端口电连接。但该装置造价并不能低廉。

中国专利公开说明书CN201020214261.0公开了一种大功率半齿轮俯角跟踪太阳能采光装置，它由太阳能电池板、减速箱体、支座、电机、直齿轮、涡杆、涡轮、竖直驱动轴、水平驱动轴、小驱动直齿轮、大驱动直齿轮、圆形连接管、控制系统电路板和设置在减速箱体外的与水平驱动轴相连接的俯角跟踪驱动机构构成，由两台电机通过由竖直驱动轴、水平驱动轴、涡轮、涡杆、直齿轮等组成的机械驱动机构，带动太阳能电池板完成沿水平和竖直两个方向的跟踪太阳光运动，但该装置造价也不低廉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仅需一个电机的三维追日系统，以克服现有制造技术的不足。

本发明的显著优点是：本发明提供的三维追日系统的结构简单，造价低廉，可以大规模工业化生产。

本发明的另一个显著优点是：本发明提供的三维追日系统可以平滑准确跟踪太阳。

本发明的再一个显著优点是：本发明提供的三维追日系统仅由一个电机直接或通过减速机构驱动，使系统中各追日装置准确地进行随阳方位、高度和赤纬的三维跟踪。

本发明涉及的三维追日系统包括一个控制器、一个电机、至少一个电磁铁离合装置、系统赤纬角调节机构、至少两个追日装置；其中，每个追日装置包括由金属和/或非金属材料制成的朝阳面板、含有高度调节槽或高度调节轨道的高度角调节机构、含有带方位齿轮、链轮或蜗轮的方位角转轴的方位角调节机构、方位支架、支架，这些追日装置分布在一根或多根由金属和/或非金属材料制成的赤纬角转轴上，多根赤纬角转轴间直接或通过与其相连的由金属和/或非金属材料制成的齿轮、链轮或蜗轮由相应的齿条、链条或蜗杆连接，系统赤纬角调节机构与一根或多根赤纬角转轴上的转臂相连，各追日装置中方位角转轴上的方位齿轮、链轮或蜗轮由相应的齿条、链条或蜗杆连接，至少一个电磁铁离合装置位于其通电时能与方位角调节机构及系统赤纬角调节机构相接触的位置。

本发明涉及的三维追日系统中各部件可以部分或全部采用金属和/或非金属材料制成；其中，非金属材料包括高分子材料、高分子材料混合物、高分子合金材料等。

本发明涉及的三维追日系统中的高度角调节机构包括至少一根高度调节杆、相应的机械滑动和/或转动部件；其中，高度调节杆直接或借助滑动和/或转动部件沿高度调节槽或高度调节轨道运动。高度调节槽或高度调节轨道的形状是斜线、曲线、直线、螺旋、他们中任两种或两种以上的组合形状。

所述的系统赤纬角调节机构包括带有齿轮和/或螺旋部分的赤纬角调节杆、相应的机械滑动和/或转动部件。

所述的方位角调节机构包括方位角转轴、相应的机械滑动和/或转动部件。

所述的三维追日系统的传动是由电驱动，所用电机电机包括恒速电机、变速电机、换向电机、伺服电机或步进电机。

所述的三维追日系统进而可包括方位角、高度角和/或赤纬角刻度标记。

所述的三维追日系统进而包括含控制开关、时间继电器、时间控制器、位置控制器、可编程器、单片机和/或微机的控制装置系统。

所述的三维追日系统进而包括由控制系统指令电机在日没时/后运转使太阳跟踪装置加速回到0°方位或次日日出时状态后停运，次日日出时再自行启动运作的功能。

所述的三维追日系统进而包括链条、蜗杆或齿条松紧调节装置和/或止动装置，止动装置中包括开关、电磁铁、离合器、制动器和/或螺旋装置。

本发明涉及的仅需一个电机的三维追日系统的控制方法特征在于：由控制器控制电机直接、间接或通过减速机构驱动追日系统中任一方位角转轴上的方位齿轮、链轮或蜗轮或与其相连的齿条、链条或蜗杆，使各追日装置中与方位角转轴连动的朝阳面板每天旋转至少180°，方位角转轴旋转过程中，其上方的方位支架同时运动并驱动高度角调节机构中的高度调节杆，使该杆沿高度调节槽或高度调节轨道运动，驱动方位支架上的高度角调节盘，使高度角调节盘上的朝阳面板与平行于方位角转轴轴心线或面的夹角每天在0°→180°间变化，方位角转轴旋转的同时，控制器按设定时间控制电磁铁离合装置的离合动作，电磁铁通电时，电磁铁离合装置与系统赤纬角调节机构及方位角转轴上的方位齿轮、链轮或蜗轮相连，驱动与系统赤纬角调节机构相连的赤纬角转轴上的转臂，使该赤纬角转轴并通过与该转轴相连的齿条、链条或蜗杆使其它赤纬角转轴每年在南向与北向之间±23.5°区域转动；实现该追日系统仅由一个电机直接、间接或通过减速机构驱动，同时进行随阳方位、高度和赤纬的三维追日运动。

附图说明

图1是本发明所涉及的三维追日系统的示意图。

图2是本发明所涉及的带电磁铁离合装置的三维追日系统的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步说明本发明，但本发明并不限于在实施方式说明范围内。

如图1和图2所示，本发明实施例包括：朝阳面板(1)，高度角调节机构(2，4，5)，高度角调节盘(2)，方位支架(3)，高度角调节杆(4)，高度调节槽或高度调节轨道(5)，方位角调节机构(6，7)，方位角转轴(6)，方位齿轮(7)，支架(8)，支座(9)，赤纬角转轴(10)，齿条(11，13)，推拉杆(12)，电磁铁(15)，控制器(16)，电机(17)，传动齿3(21)，传动齿2(22)，传动齿1(23)，赤纬角转轴上的转臂(24)，电磁铁离合装置(25)，系统赤纬角调节机构(10，11，12，21，22，23，24，25)。

实施方式

本发明实施例(参照图1和图2)：如图1和图2所示的本发明涉及的三维追日系统包括至少两个追日装置，追日装置包括朝阳面板(1)、高度角调节机构(2，4，5)、方位角调节机构(6，7)、方位支架(3)、支架(8)，这些追日装置分布在位于支座(9)中两根赤纬角转轴(10)上，这两根赤纬角转轴间通过与其相连的齿轮(未图示)与齿条(11)连接，各追日装置中方位角转轴(6)上的方位齿轮(7)与齿条(13)连接。在控制器(16)控制下，电机(17)驱动追日装置中齿条(13)以及方位角转轴(6)上的方位齿轮(7)，使各追日装置中与方位角转轴(6)连动的朝阳面板(1)每天旋转至少180°，过程中电磁铁(15)可在控制器(16)控制下按设定时间或程序插入齿条(13)的齿间，阻止齿条(13)退回，方位角转轴(6)旋转过程中，其上方的方位支架(3)同时运动并驱动高度角调节机构高度角调节机构(2，4，5)的高度调节杆(4)，使该杆沿高度调节槽或高度调节轨道(5)运动，驱动方位支架(3)上的高度角调节盘(2)，使高度角调节盘(2)上的朝阳面板(1)与平行于方位角转轴(6)轴心线或面的夹角每天在0°→180°间变化，方位角转轴(6)旋转的同时，控制器(16)按设定时间控制电磁铁离合装置(25)的离合动作，电磁铁离合装置(25)通电时，电磁铁离合装置(25)与系统赤纬角调节机构中传动齿2(22)及方位角转轴(6)上的方位齿轮(7)相连，驱动与系统赤纬角调节机构中的赤纬角转轴(10)上的转臂(24)，使该赤纬角转轴(10)并通过与该转轴相连的齿条(11)使其它赤纬角转轴每年在南向与北向之间±23.5°区域转动；实现该追日系统仅由一个电机直接、间接或通过减速机构驱动，同时进行随阳方位、高度和赤纬的三维追日运动。

Claims (10)

1.仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：该系统包括一个控制器、一个电机、至少一个电磁铁离合装置、系统赤纬角调节机构、至少两个追日装置；其中，每个追日装置包括由金属和/或非金属材料制成的朝阳面板、含有高度调节槽或高度调节轨道的高度角调节机构、含有带方位齿轮、链轮或蜗轮的方位角转轴的方位角调节机构、方位支架、支架，这些追日装置分布在一根或多根由金属和/或非金属材料制成的赤纬角转轴上，多根赤纬角转轴间直接或通过与其相连的由金属和/或非金属材料制成的齿轮、链轮或蜗轮由相应的齿条、链条或蜗杆连接，系统赤纬角调节机构与一根或多根赤纬角转轴上的转臂相连，各追日装置中方位角转轴上的方位齿轮、链轮或蜗轮由相应的齿条、链条或蜗杆连接，至少一个电磁铁离合装置位于其通电时能与方位角调节机构及系统赤纬角调节机构相接触的位置。

2.根据权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：所述的高度角调节机构包括至少一根高度调节杆、相应的机械滑动和/或转动部件；其中，高度调节杆直接或借助滑动和/或转动部件沿高度调节槽或高度调节轨道运动。

3.根据权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：所述的系统赤纬角调节机构包括带有齿轮和/或螺旋部分的赤纬角调节杆、相应的机械滑动和/或转动部件。

4.根据权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：所述的高度调节槽或高度调节轨道的形状是斜线、曲线、直线、螺旋、他们中任两种或两种以上的组合形状。

5.根据权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：所述的电机包括恒速电机、变速电机、换向电机、伺服电机或步进电机。

6.根据权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：所述的追日装置进而包括方位角、高度角和/或赤纬角刻度标记。

7.根据权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：所述的追日系统进而包括含控制开关、时间继电器、时间控制器、位置控制器、可编程器、单片机和/或微机的控制装置系统。

8.根据权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：所述的追日系统进而包括由控制系统指令电机在日没时/后运转使太阳跟踪装置加速回到0°方位或次日日出时状态后停运，次日日出时再自行启动运作的功能。

9.根据权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统，其特征在于：所述的追日系统进而包括链条、蜗杆或齿条松紧调节装置和/或止动装置。

10.实施如权利要求1所述的仅需一个电机的三维追日系统的控制方法，其特征在于：由控制器控制电机直接、间接或通过减速机构驱动追日系统中任一方位角转轴上的方位齿轮、链轮或蜗轮或与其相连的齿条、链条或蜗杆，使各追日装置中与方位角转轴连动的朝阳面板每天旋转至少180°，方位角转轴旋转过程中，其上方的方位支架同时运动并驱动高度角调节机构中的高度调节杆，使高度调节杆沿高度调节槽或高度调节轨道运动，驱动方位支架上 的高度角调节盘，使高度角调节盘上的朝阳面板与平行于方位角转轴轴心线或面的夹角每天在0°→180°间变化，方位角转轴旋转的同时，控制器按设定时间控制电磁铁离合装置的离合动作，电磁铁通电时，电磁铁离合装置与系统赤纬角调节机构及方位角转轴上的方位齿轮、链轮或蜗轮相连，驱动与系统赤纬角调节机构相连的赤纬角转轴上的转臂，使该赤纬角转轴并通过与该转轴相连的齿条、链条或蜗杆使其它赤纬角转轴每年在南向与北向之间±23.5°区域转动；实现该追日系统仅由一个电机直接、间接或通过减速机构驱动，同时进行随阳方位、高度和赤纬的三维追日运动。