CN103930735A

CN103930735A - 太阳跟踪器

Info

Publication number: CN103930735A
Application number: CN201280055748.0A
Authority: CN
Inventors: 卡姆兰·西迪齐; 哈桑·哈桑
Original assignee: University of Western Ontario
Current assignee: University of Western Ontario
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CA2849537C; CN103930735B; CA2849537A1; US9945586B2; US20140230804A1; WO2013040715A1

Abstract

与太阳能设备一起使用的方法和系统。本发明可以与太阳能板、太阳能碟、或希望得到对太阳的最优暴露的任何其他设备一起使用。本发明首先调整太阳能设备的方位角，直到从方位角的视点实现了最优太阳暴露。然后，调整太阳能收集器的高度角，直到从高度角的视点实现了最优太阳暴露。本发明还使用负荷补偿装置来减轻马达倾斜太阳能收集器所需的提升转矩或制动转矩的量。

Description

太阳跟踪器

技术领域

本发明涉及太阳能。更具体地，本发明涉及用于与太阳能收集系统一起使用的方法和设备。

背景技术

当前在绿色或环保技术上的繁荣重新引起了人们对太阳能的兴趣。近期记忆中波动但始终高昂的油价以及太阳能收集技术的新发展使得即便个人也有可能用太阳能来代替其供能需要。太阳能农场(更多地通称为太阳农场)数量上也在增加，它们中的一些甚至将其收集的能量发送到常规的电力公司。

一个尚未引起如此多的兴趣或开展如此多的研发的领域是太阳能收集器的效率。人们会认为让能量高效的太阳能收集器收集太阳能将是有用的。不幸的是，情况并不是这样，因为目前的太阳能收集器仍在使用能量效率低的大电动马达。

如公知的，太阳能系统需要跟踪太阳以最大化其性能。对于一些使用诸如抛物碟式、抛物槽式和中央塔式系统的设备的太阳能系统，必需整天连续不断地跟踪太阳，而对于光伏(photovoltaic,PV)电池，高度推荐PV板跟踪太阳以得到较高效率。早晨日出时，太阳具有最低的高度角，高度角在太阳正午达到最大值，并再次开始降低直到在日落时降至最小值。因此，太阳能收集器(碟/板)早晨处于近乎竖直位置，并慢慢移动到太阳正午时趋于近乎水平位置，然后慢慢到日落时恢复到竖直位置。由于太阳非常缓慢地改变位置，因此太阳能收集器的运动也应该非常缓慢，即每隔几分钟运动几厘米。

当前，大功率马达被用于移动太阳能收集器。在一些情况下，还使用了致动器，但是它们受到其行程长度的限制。当太阳能收集器从竖直位置移动到水平位置时，马达必须抵住收集器重量。然而，当太阳能收集器从水平位置移动到竖直位置时，太阳能收集器的重量提供向下推动太阳能收集器的附加力。在这样的情况下，马达可能不得不抵消该重量以便得到受控的和精确的微小运动。由于马达和变速箱不得不附接得非常接近于太阳能收集器的旋转轴线，因此需要非常大的扭力来将太阳能收集器从垂直位置向水平位置移动。同样，当碟从水平位置向竖直位置移动时，需要大的制动扭力。

由于上述技术需要大功率要求，所以一些公司使用轻质材料诸如玻璃纤维用于碟或太阳能收集器。然而，这样的材料昂贵，以及还具有主要的耐久性问题。特别是，这种材料在经受风力方面不理想。当向抛物碟式系统添加接收器时，马达必须移动的负荷进一步增加。对于这样的情况，需要更大的马达。

上述所有这些意味着当前使用更大的马达来抵消和平衡太阳能板/太阳能碟组件的重量。由于对整天跟踪太阳所需的微小、精密运动的需要，需要大的扭力，使得较大的能量消耗成为必需。

当前太阳能收集系统的另一问题涉及跟踪太阳的需要。当前系统使用电脑和专用硬件连续地跟踪太阳的位置和连续地调整太阳能板/太阳能碟的位置以获得针对太阳的最有效率的暴露。一旦输入太阳能收集系统的位置的纬度和经度，当前计算机控制的系统能够针对任意指定日期容易地跟踪太阳。能够想象，这样的计算机控制的系统可能是庞大的和相当昂贵的。同时，这样的系统可能有问题，因为太阳能收集系统的位置的经度和纬度的输入上的任何错误都可能脱离计算机的计算，导致太阳能板/太阳能碟相对太阳的非最优暴露。

基于所述情况，因此存在对于减轻--如果不能克服的话--现有技术的缺点的系统和设备的需要。就控制太阳能收集器的倾斜的马达而论，当前系统能量效率低，当前太阳跟踪技术需要高精度输入以及昂贵的设备。

发明内容

本发明提供用于与太阳能收集器系统一起使用的方法和系统。本发明可以与太阳能板、太阳能碟或希望得到对太阳的最优暴露的任何其他设备一起使用。本发明首先调整太阳能收集器的方位角直到从方位角的视点实现最优的太阳暴露。然后，本发明调整太阳能收集器的高度角直到从高度角的视点实现最优的太阳暴露。本发明还使用扭力弹簧系统来减小马达倾斜太阳能收集器所需的提升转矩或制动转矩的量。

在第一方面，本发明提供一种用于跟踪太阳以提供对太阳能收集器的太阳暴露的系统，该系统包括：

用于调整该收集器的高度角的高度角马达；

用于调整该收集器的方位角的方位角马达；

用于控制所述高度角马达和所述方位角马达的启动和停止的控制器；

用于检测对该收集器的太阳暴露的高度角传感器，所述高度角传感器被耦接到所述控制器；

用于检测对该收集器的太阳暴露的方位角传感器，所述方位角传感器被耦接到所述控制器；

用于反转所述高度角马达的极性的高度角开关，当所述收集器处于太阳正午位置时所述高度角开关被启动；

用于反转所述方位角马达的极性的方位角开关，当所述收集器达到极限方位角位置时所述方位角开关被启动；

耦接到所述收集器的支撑机构的扭力弹簧，所述扭力弹簧附接到所述支撑机构，使得当所述收集器的所述高度角正被所述高度角马达调整时所述弹簧部分地支撑所述收集器的重量；

其中：

所述控制器基于来自所述高度角传感器的读数而启动和停止所述高度角马达，当所述高度角传感器检测到对于所述收集器的足够太阳暴露时所述高度角马达被停止；以及

所述控制器基于来自所述方位角传感器的读数而启动和停止所述方位角马达，当所述方位角传感器检测到对于所述收集器的足够太阳暴露时所述方位角马达被停止。

在第二方面，本发明提供了一种用于跟踪太阳以提供对太阳能收集器的太阳暴露的系统，该系统包括：

用于调整该收集器的高度角的高度角马达；

用于调整该收集器的方位角的方位角马达；

用于反转所述方位角马达的极性的方位角开关，当所述收集器到达极限方位角位置时所述方位角开关被启动；

其中：

在另一方面，本发明提供用于倾斜地支撑负荷的支撑机构，该机构包括：

用于支撑所述负荷的质量的主支撑轴；

用于倾斜所述负荷的倾斜机构，所述倾斜机构被耦接到所述主支撑轴，所述倾斜机构包括：

用于倾斜所述负荷的倾斜马达；

用于部分地支撑所述设备的所述质量的负荷补偿装置，使得所述马达需要较少转矩来倾斜所述负荷。

附图说明

从下面结合附图的本发明的详细考虑，附图示出的特征和优点将更加清楚，附图中：

图1是根据本发明一个方面的包括方位角开关和高度角开关的方位角调整子系统的图示；

图2是根据本发明一个方面的高度角调整子系统的图示；以及

图3A是处于竖直位置的太阳能收集器的侧视图；

图3B是处于水平位置的太阳能收集器的侧视图；和

图3C是使用扭力弹簧来帮助高度角马达调整收集器的高度角或倾斜的太阳能收集器的侧视图。

具体实施方式

在一个实施例中，本发明使用两个子系统来调整太阳能收集器对太阳的暴露——高度角子系统控制收集器的高度角或倾斜而方位角子系统控制收集器的方位角或方向。在任一时刻仅一个子系统是活动的，并且每个子系统具有确定对太阳的暴露的相关联传感器。举例来说，方位角子系统调整收集器面对的方位角或方向，以便方位角传感器感测对太阳的最优暴露。一旦实现此方面，高度角子系统启动并且调整收集器的高度角(或倾斜)直到高度角传感器感测到对太阳的最优暴露。基于此，太阳能收集器将始终获得对太阳的最优暴露，而无需经度或纬度计算。方位角子系统和高度角子系统两者以及与这些子系统相关联的马达由接收来自高度角传感器和方位角传感器的输入的控制器控制。基于来自这些传感器的输入，控制器启动或停止马达之一。

为了最小化调整收集器的倾斜所需的转矩或功率的量，本发明使用扭力弹簧连同马达来调整收集器的倾斜。当收集器正在从水平倾斜到竖直时弹簧储存能量，以及当收集器正在从竖直倾斜到水平时使用该储存的能量。当从水平向竖直移动时，弹簧提供制动力，其减轻所需的来自马达的转矩量。当从垂直向水平移动时，弹簧提供提升转矩或提升力，其减轻提升收集器所需的来自马达的提升转矩量。

应该注意，虽然下面的描述涉及太阳能收集器，不过本发明可以用于需要跟踪太阳的任何类型的太阳能设备。因此可以使用太阳能收集器、太阳能电池、光伏太阳能电池和太阳遮挡物代替下述的太阳能收集器。代替太阳能收集器，也可以使用上述太阳能设备的多个实例。

参照图1，提供方位角调整子系统的例示。具有12V DC马达10连同方位角限位开关20。还具有高度角换向开关30。为了转换马达所引起的运动，传动齿轮50安装在马达上且和安装在内柱(inner post)60上的从动齿轮40啮合。图中还图示了用于向西方位角运动的限位臂70(和用于向东方位角运动的限位臂80，以及高度角换向臂90。注意，限位臂相对于方位角的位置可调。用于致动各自开关的方位角和高度角臂使用机械装置进行开关致动。也可以使用其他机械的、光学的、磁的或电的装置来进行开关致动。

参照图2，提供了高度角调整子系统的例示。具有第二12V DC马达100连同正齿轮(从动齿轮)110、正齿轮(驱动齿轮)120和轴130。

本发明的跟踪器部分首先通过启用(engage)方位角调整子系统来操作。当子系统早晨起动时，启用方位角马达。这自东至西移动太阳能收集器(可以使用太阳能板或太阳能碟或任何适当的太阳能收集器)至如下点，在该点方位角传感器面对太阳并且最大化方位角传感器对太阳的暴露。在一个实施例中，一旦方位角传感器检测到日光，停用(disengage)方位角马达。应该注意，代替一旦方位角传感器感测到日光就关掉方位角马达，其他实现方式可以调整方位角传感器对日光的暴露。举例来说，方位角马达可以使用预设模式搜寻以找到用于方位角感应器接收对日光的最大暴露的最优方位角位置。

一旦停用方位角马达，就启用高度角马达。高度角马达调整收集器的高度角或倾角，直到高度角传感器暴露于太阳。高度角马达由此增加收集器的倾角(即，使收集器向上倾斜)直到高度角传感器感测到适量的日光。在一个实施例中，代替当高度角传感器检测到日光时停用高度角马达，使用预设调整模式启用并调整高度角马达，直到高度角传感器检测到最优日光量。在该实施例中，一旦检测到最优日光量，就停用高度角马达。

随着太阳移过天空，收集器的方位角和高度角位置对于接收日光将不再理想。当这种情况发生时，由于阴影，所以方位角传感器和高度角传感器将检测到较少的日光。这样的情况发生将触发逻辑开关或实际的传感器以再次启用方位角子系统和高度角子系统以调整方位角和高度角位置设置。当这种情况发生时，首先启用方位角子系统，这调整收集器的方位角位置。一旦将方位角位置调整到新设置，就停用方位角子系统并且启用高度角调整子系统。这调整高度角设置(收集器的倾斜)直到高度角传感器检测到适量的日光。

上述调整方法继续，直到收集器到达太阳正午位置。当收集器到达太阳正午位置时，启动反转高度角马达极性的高度角开关。随着太阳穿越天空，再次调整收集器的位置。然而，在高度角马达极性反转的情况下，不是增加收集器的高度角(或倾斜)，而是高度角被降低。在一个实施例中，每当下午启用高度角子系统时，高度角都降低直到高度角传感器检测到足量的日光。和上午的调整一样，总是在高度角子系统之前启用方位角子系统。一旦进行了方位角调整，然后就应用高度角调整。

尽管此描述在高度角调整之前确定方位角调整，不过利用某些重新设计可以实现相反顺序。

一旦日落，收集器在这一天结束在其最后位置。当早晨太阳再次升起时，电源(在一个实施例中使用PV(光伏)太阳能板)启动系统并且方位角子系统首先被启用。这使得收集器的方位角位置沿向西的方向继续。继续在向西的方向上调整方位角位置最终导致反转方位角马达极性的方位角开关启动。因此，代替在向西的方向上继续，方位角马达的持续启动使得收集器的方位角向东移动。继续向东调整方位角位置，一旦到达正午位置，启动高度角开关，从而反转高度角马达的极性。方位角子系统继续沿向东方向移动收集器的方位角位置，直到启动方位角极性开关。该极性转换开关一旦被启动，就反转方位角马达的极性，并且使得方位角子系统沿向西方向调整方位角。然后启动方位角子系统并且沿向西的方向调整方位角位置，直到方位角传感器检测到足量的日光。

当方位角传感器检测到足量的日光时，则方位角位置的调整结束并且停止方位角子系统马达。然后启用高度角子系统并且调整收集器的高度角或倾斜。由于当方位角子系统通过正午位置时高度角马达的极性反转，所以再次启用高度角马达增加控制器的高度角或倾斜。一旦高度角传感器检测到充足的日光，则停用高度角马达。高度角子系统和方位角子系统然后如上所述地运作，并且周期性地调整控制器的方位角和高度角位置以最大化控制器对太阳的暴露。

应该注意，可以使用除了PV太阳能板之外的不同电源。代替PV太阳能板，可以使用太阳出现时接通和太阳消失时关断的任何电源。在一个实施例中，PV太阳能板被低压电源替代。如果使用PV太阳能板，并且如果在北半球部署本发明，则优选的是，太阳能板具有固定的面朝南的取向。对于本发明的南半球部署，取向可以视实现而定。

还应注意的是，方位角传感器和高度角传感器可以是光伏电池或任何适当的光传感器。同样，马达尽管被例示为12伏特直流马达(电机)，但是其可以是产生足以调整收集器的高度角位置和/或方位角位置的转矩的任何适当的马达。在图中将高度角开关和方位角开关例示为物理开关。然而，代替物理开关也可以使用软件开关或软件启动的开关。

为减小对高度角马达的转矩和力需求，可以使用负荷补偿装置。负荷补偿装置支撑与本发明一起使用的收集器或任何太阳能设备的部分重量。由于负荷的部分重量被负荷补偿装置支撑，所以高度角马达不需要产生同样多的转矩来移动太阳能设备。

在一个实施例中，如从图2可见的，负荷补偿装置是耦接到收集器的支撑机构的扭力弹簧140。弹簧附接于与收集器的纵轴线平行的轴，从而当收集器从水平位置向竖直位置移动时，由于增加的扭转(或缠绕)弹簧储存机械能。当收集器的方位角关系变化时，轴和弹簧随着收集器的旋转而旋转。关于图3最佳地描述该弹簧的优点及其功能。从图3A中的侧视图可见，例示了收集器(在此情况下为碟式收集器)。当收集器正在被向上倾斜时(即，当高度角正在增加或收集器在从竖直(图3A)向水平(图3B)移动时)，随着弹簧展开(参见图3C)，弹簧通过释放能量抵挡收集器的重量。当收集器从水平向垂直移动时，随着弹簧缠绕，弹簧储存能量。由此当收集器从水平向垂直移动时，弹簧提供制动转矩。当收集器从垂直向水平移动时，弹簧提供提升转矩，从而高度角马达无需承载收集器的全部重量。从而高度角马达需要较小功率。

可以视需要协调或调整图中所示的扭力弹簧以支撑更多或更少的重量。通过调整弹簧最初扭曲(或弯曲)的量，能够调整扭力弹簧支撑的重量。因此，如果收集器被替换为更轻或更重的太阳能设备，能够调整弹簧以支撑该更轻或更重的重量。

在一个实施例中，扭力弹簧能够支撑收集器的重量的60-75％，留下仅25-40％的重量由高度角马达承载和移动。

负荷补偿装置可以采取单个或多个弹簧的形式，其中多个弹簧按串联或并联配置耦接或者多个弹簧可以以串联或并联配置的组合来耦接。按实现可能需要，也可以调整这些弹簧以支撑更轻或更重的负荷。

应该注意，代替上述各种的齿轮传动机构，可以使用回转驱动。可以用单轴线回转驱动(其中由高度角马达给回转驱动提供动力)来代替用于调整太阳能设备的高度角或倾斜角的齿轮传动机构。在另一种配置中，可以使用单轴线回转驱动和适当的匹配马达来代替高度角子系统的上述齿轮传动机构和高度角马达。

类似地，可以用单轴线回转驱动(其中回转驱动由方位角马达驱动)来代替方位角子系统中使用的用于调整太阳能设备的方位角位置的齿轮传动机构。和高度角子系统一样，齿轮传动机构和方位角马达整体可以由单轴线回转驱动和适当的匹配或配对驱动马达代替。

上述的另一变化方案可以使用双轴线回转驱动来代替高度角子系统和方位角子系统两者中使用的齿轮传动机构。同样，高度角马达和方位角马达两者连同关联的齿轮传动机构可以用双轴线回转驱动和适当的驱动马达代替。

上述用于高度角子系统和/或方位角子系统的齿轮传动机构可以是任何类型的齿轮的组合。

理解本发明的人员现在可以构想出上述的替代结构、实施方式或变化方案，意图所有这些都落入所附权利要求限定的本发明范围之内。

Claims

1.一种用于跟踪太阳以向太阳能设备提供太阳暴露的系统，该系统包括：

用于调整该设备的高度角的高度角马达；

用于调整该设备的方位角的方位角马达；

用于检测对该设备的太阳暴露的高度角传感器，所述高度角传感器被耦接到所述控制器；

用于检测对该设备的太阳暴露的方位角传感器，所述方位角传感器被耦接到所述控制器；

用于反转所述高度角马达的极性的高度角开关，当所述设备在太阳正午位置时所述高度角开关被启动；

用于反转所述方位角马达的极性的方位角开关，当所述太阳能设备到达极限方位角位置时所述方位角开关被启动；

耦接到所述设备的支撑机构的负荷补偿装置，所述负荷补偿装置附接到所述支撑机构，使得当所述设备的所述高度角正被所述高度角马达调整时所述负荷补偿装置部分地支撑所述设备的重量；

其中：

所述控制器基于来自所述高度角传感器的读数而启动和停止所述高度角马达，当所述高度角传感器检测到对于所述设备的足够太阳暴露时所述高度角马达被停止；以及

所述控制器基于来自所述方位角传感器的读数而启动和停止所述方位角马达，当所述方位角传感器检测到对于所述设备的足够太阳暴露时所述方位角马达被停止。

2.根据权利要求1的系统，其中所述极限方位角位置是所述设备的最西的方位角位置。

3.根据权利要求1的系统，其中所述方位角开关和高度角开关中的至少一个是软件启动的开关。

4.根据权利要求1的系统，其中所述方位角传感器和所述高度角传感器中的至少一个是光传感器。

5.根据权利要求1的系统，其中所述负荷补偿装置包括扭力弹簧。

6.根据权利要求1的系统，其中所述负荷补偿装置包括多个弹簧。

7.根据权利要求1的系统，其中所述负荷补偿装置包括至少一个扭杆。

8.根据权利要求1的系统，其中所述太阳能设备包括至少一个太阳能收集器。

9.根据权利要求1的系统，其中所述太阳能设备包括至少一个光传感器。

10.根据权利要求1的系统，其中所述太阳能设备包括至少一个太阳遮挡物。

11.根据权利要求1的系统，其中所述负荷补偿装置能调整以补偿较重的太阳能设备。

12.一种用于跟踪太阳以向太阳能设备提供太阳暴露的系统，该系统包括：

用于调整该设备的高度角的高度角马达；

用于调整该设备的方位角的方位角马达；

用于反转所述方位角马达的极性的方位角开关，当所述设备到达极限方位角位置时所述方位角开关被启动；

其中：

所述控制器基于来自所述高度角传感器的读数而启动和停止所述高度角马达，当所述高度角传感器检测到对于所述设备的足够太阳暴露时所述高度角马达被停止；

13.根据权利要求12的系统，还包括耦接到所述设备的支撑机构的负荷补偿装置，所述负荷补偿装置附接于所述支撑机构，使得当所述设备的所述高度角正被所述高度角马达调整时所述负荷补偿装置部分地支撑所述设备的重量。

14.根据权利要求13的系统，其中所述负荷补偿装置包括至少一个扭力弹簧。

15.根据权利要求14的系统，其中所述负荷补偿装置包括按串联配置布置的多个扭力弹簧。

16.根据权利要求14的系统，其中所述负荷补偿装置包括按并联配置布置的多个扭力弹簧。

17.根据权利要求14的系统，其中所述负荷补偿装置包括按串联配置和并联配置的组合布置的多个扭力弹簧。

18.根据权利要求13的系统，其中所述负荷补偿装置包括至少一个扭杆。

19.一种用于倾斜地支撑负荷的支撑机构，该机构包括：

用于支撑所述负荷的质量的主支撑轴；

用于倾斜所述负荷的倾斜马达；

负荷补偿装置，用于部分地支撑所述设备的所述质量使得所述马达需要较少转矩来倾斜所述负荷。

20.根据权利要求19的机构，其中所述负荷补偿装置包括至少一个扭力弹簧。

21.根据权利要求20的机构，其中所述负荷补偿装置包括按串联配置布置的多个扭力弹簧。

22.根据权利要求20的机构，其中所述负荷补偿装置包括按并联配置布置的多个扭力弹簧。

23.根据权利要求20的机构，其中所述负荷补偿装置包括按串联配置和并联配置的组合布置的多个扭力弹簧。

24.根据权利要求19的机构，其中所述负荷补偿装置包括至少一个扭杆。

25.根据权利要求1的系统，其中所述系统由低压电源供电。

26.根据权利要求1的系统，还包括单轴线回转驱动，所述单轴线回转驱动用于调整所述设备的所述高度角或所述方位角。

27.根据权利要求12的系统，还包括单轴线回转驱动，所述单轴线回转驱动用于调整所述设备的所述高度角或所述方位角。

28.根据权利要求1的系统，还包括双轴线回转驱动，所述双轴线回转驱动用于调整所述设备的所述高度角和所述方位角中的至少一个。

29.根据权利要求12的系统，还包括双轴线回转驱动，所述双轴线回转驱动用于调整所述设备的所述高度角和所述方位角中的至少一个。