CN104156000A - 天文式太阳跟踪器 - Google Patents

Abstract

一种天文式太阳跟踪器，由控制器、两自由度三维机械旋转平台、电机、减速机构成。其特征在于：还包含一个方位角传感器（6）、一个高度角传感器（3）、一台能自行计算太阳方位角和高度角并能与方位角传感器和高度角传感器一起构成闭环控制的控制器（7）、一组牵拉式非定比传动的高度角调整牵引装置（9）、一个钢丝绳收紧装置（4）、一对非定比传动的驱动轮（11）、一个水平机械旋转平台（16）、一个由高度角调整牵引装置（9）驱动的可自由调整倾角的机械承物平台（2）、一组固接在水平机械旋转平台之上并能支承机械承物平台的支承脚架（8），构成一个闭环控制的天文式太阳跟踪器。

Description

天文式太阳跟踪器

技术领域

本发明为一种天文式太阳跟踪器，属于太阳能应用领域，能对太阳作三维跟踪；其三维旋转平台上可装太阳能采集设备（如光伏设备或光热接收设备）对太阳进行跟踪运行，使得接收设备的接收平面始终与太阳入射光线垂直，以获得最大的太阳幅射采集量。。

背景技术

现有技术中，若以跟踪方法作区分，有以下两种方法，优缺点如下：

1、光跟踪法：用一组光传感器，适时检测入射太阳光与设备的差角，进而驱动执行设备作姿态调整，直至差角为零，从而进入一个短暂的设备角与光入射角匹配的状态，并等待下一个差角的产生和调整，周而复始以达到跟踪太阳的目的；这种方法称作“光跟踪法”，属“被动跟踪”范畴，其逻辑构架如图18所示。由于光跟踪法简单、经济、易于实现，因此被人们最早采用。其优点是设备简单，不需配用复杂、精密的伺服系统，精度可做得很高，但其致命缺点是仅适用于全天晴朗无云的气候，若在复杂的气候条件下，哪怕只有些许浮云，设备就会不听使唤，误动作频发，原地重复多圈旋转，最终导致配线与配管系统的毁坏；灵敏度越高的设备这个问题越趋严重。而当阳光一旦从云缝里射出，由于机构反应速度差的存在，跟踪器却不在预定位置上，此时，接收设备若为高倍聚光的组中，则高温光斑不投射在接收元件上，而会投射在不耐温的（诸如电缆、管线、构架等）部件上，从而烧坏设备。此外，高分辨率的传感器大多由两组共四个光信号检测元件构成，它们彼此按不同的朝向工作，在户外环境中，朝上的那个元件极易受飘尘和鸟类的污染，朝下的元件易受雨水浸润等污染，而造成检测误差；同理，空中的飞机、飞禽活动、周边建筑、相邻的太阳能接收设备等等反射过来的哪怕很微弱的光，都将严重干扰着设备的正常运行，使之误判而烧坏设备。这就是国际太阳能产品市场上至今未能买到合适的此类型太阳跟踪器的原因。

2、天文跟踪法：先根据地球与太阳之间的天文运行规律，计算出地球表面上任一点太阳的高度角与方位角随季节和时间变化的规律，再设计一套数控的机械设备，按其规律对设备进行预调整，以达到跟踪之目的；这种方法被称作“天文跟踪法”属“主动跟踪”范畴，其逻辑构架如图19所示。天文跟踪法首先要理清地球与太阳之间的天文运行规律。由于地球自转与绕太阳公转之间的黄道面/赤道面夹角（23°27′）的存在，以及地球上“恒星年”（365.25636日≈365日6时9分10秒）、“回归年”（365.24219879日≈365日5小时48分45.5秒）和“历法年”（365～366天/年，4年一闰、百年不闰、400年再闰）之间的差异，三者的公倍数无限大，使得太阳在天空中的位置随着时间和地理位置的不同而在不断变化着，不但每日不同、每季不同，而且每年的同一日也不同，国际天文学界以及太阳能界的先驱们数百年来作了许多探索，发表了许多论文，公布了许多算法。在天文算法中规定：水平方向以正南为零度，南偏东为负值、南偏西为正值，称为方位角；垂直方向以地平线为零度，低于地平线为负值、高于地平线为正值，称作高度角。对聚光太阳能接收设备而言，其聚光比越大，在预定焦平面上得到的光强越大，要求的算法精度就越高，其接收效率也越高；反之，设备的聚光比越小，对算法精度的要求也愈低；因此，对于不同系统，只要采用与其精度要求相适应的算法就行。这种跟踪器在国际上有人销售，价格昂贵。

此外，天文跟踪法是一种数字式跟踪器，设备易于组成需作姿态群控的接收器阵列，比如“避风”（设备拉平，高度角＝90°）、“避雪”（设备竖直，高度角＝0°）、“避尘”（设备竖直，高度角＝0°）、“防冻”（内部液体排空）、“防系统热溢出”（与太阳光保持一定夹角） “跟踪”、“休眠”等定量的远程姿态群控指令，可通过总线式“RS485”接口或以太网的“TPC/IP”接口得以发出和接收，通过服务器还能进行各种数据远程采集以及设备的初始化和自动化管理。

 

现有技术中，若以系统的控制方式作区分，也有以下两种，优缺点如下：

1、闭环控制：在光跟踪法中，光传感器发出的是模拟信号，不能用于控制步进电机作定量传动，因而系统不能进行“目标运算、定比传动、定量到位” 的开环控制，只能用常规电机进行“开关”控制，并经由被控设备带动的传感器，使之逐步逼近、并最终抵达目标而完成一次闭环控制；具体的工作过程是：由光传感器发出的纠偏信号经放大后，控制电机工作，电机经减速后推动机械构架转动进行纠偏；光传感器安装在机械构架中与其随动，逐步逼近目标，设备角度越接近目标，光传感器的纠偏信号越小，直至与目标完全重合后纠偏信号消失，完成一次闭环控制。这种闭环控制系统的缺点是：无法预先得到目标的准确位置并发出定量的目标坐标指令；其优点是：设备简单，对电机、减速机和传动系统没什么要求，机械传动中偶发的“打滑”、“跳齿”不会影响系统的准确跟踪，因此，跟踪设备水平方向的方位角调整可用简单的“滚轮/路轨”方式实现，垂直方向的高度角调整可用更简单的连杆、皮带传动等方法实现。取材方便、经济实惠，设备的造价低。

2、开环控制：在天文跟踪法中，常规的做法是采用开环控制，即：由计算机给出即时的目标座标，并根据机械定比传动的匹配数据算出步进电机所需的“步数”，进而向步进电机发出定量的工作指令，只要电机完成工作指令、转过一定的“步数”，系统即默认为“已对准目标”。在此过程中，没有位置信号传感器反馈设备在纠偏过程和纠偏结束时的姿态信息，设备的运行精确度依赖于机械传动中各环节的传动精度。

当然，系统若采用伺服电机（步进电机＋旋转编码器），能有利于监控电机对指令执行的结果，能避免步进电机的电气“失步”，但设备整体还是属于开环控制的范畴，无法防止机械传输系统的打滑、跳齿带来的永久性传动误差。

此外，还有《华中科技大学》的陈应天教授提出的《用简单编码器提高普通直流电机驱动精度和可靠性的方法》（中国专利号200610200317.5），其方法的优势是：用普通直流电机搭成“准步进电机”，优点是a、可省去价格昂贵的步进电机；b、直流电机的供电方式与太阳能接收设备易于匹配；但其缺点是易“失步”，无法保证受控设备准确的定量纠偏，还需要一套精确的机械定比传动系统与其匹配；此例也属于开环控制纠偏法。

开环控制纠偏法虽在许多天文跟踪设备（如大型天文望远镜、太阳跟踪器）、卫星接收设备中广为采用，但其需要一套精密可靠的定比传动的机械设备与其匹配运行，它控制的是“过程”而不是“目标” ，是用精确的传动过程来保证目标的实现；因此，其机械设备相当昂贵并且难以伺候，每个环节均需使用齿轮、链轮或同步带轮传动，这在小型设备上易于实现，在大至数米至数十米的大型设备上就很难实施；若在户外环境中用于大型太阳跟踪器，一旦传动过程中由于风载或“热胀冷缩”等外界原因产生“跳齿”、“打滑”都会产生永久性的误差，使其偏离预定方向。

总结：在户外大型太阳跟踪器中，现有技术常用的有以下二种控制方法：

1、闭环控制：是一种目标控制，有反馈环节，通过反馈系统使系统的精确度提高，它能保证不达目标绝不罢休，并且设备成本低，易于实现，是大型太阳跟踪器理想的控制方式。

2、开环控制：是一种过程控制，无反馈环节，系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力它只管工作流程而不管产生效果，“官僚”且高成本，用于大型太阳跟踪器太过奢侈，一旦发生偏差无法感知。

由此可见，在现有技术中，无论是光跟踪法还是天文跟踪法，都有其不可避免的技术缺陷：光跟踪法信号来源不稳定，但易于实现闭环控制；天文跟踪法能给出准确的目标坐标，但没有合适的姿态传感器，系统仅能采用开环控制。若能择二者之优点而弃其缺点，用闭环控制法实现太阳能设备的天文跟踪，也即：用天文法的跟踪数据作为目标指令，指挥闭环跟踪设备无限逼近目标，则以上问题就能得以完美解决。但问题是闭环控制中还需要一组姿态传感器，系统用其感知的当前设备姿态数据与目标数据进行比较，以达到“不达目标绝不罢休”之效。

此外，传统的三维跟踪器用的是“单柱撑板式”（有如“金鸡独立”）的机械结构，采用“枢轴式驱动”方案，其力学上的承重节点与动力节点重合在一起，造成节点的应力大，需配用笨重的电机、减速机和机械支承和驱动执行器，这种结构的唯一优点是设备造型美观，而缺点多多：1、抗风能力差，需浇灌大型水泥基座；2、所需驱动机构和驱动功率大；3、传动间隙大、跟踪精度低；4、安装不便，需动用吊车；5、承载能力差，仅能用于较轻的光伏设备的跟踪；6、无法在高台、楼顶安装使用 ；7、构件大而笨重，用材多，造价昂贵；8、维护不便、维护成本高。

由于现有技术中以上诸多问题的存在，严重影响了太阳跟踪器在太阳能应用领域的推广和使用，成为一个有待突破的技术障碍；当今，在国际上无论是光伏还是光热采集设备，绝大部份还是采取低效的固定式安装，便是实例。

发明内容

本发明目的：克服现有技术中“光跟踪法”与“天文跟踪法”中的不足，集“开环控制”和“闭环控制”之优点，在控制方法上，用一对“方位角传感器”和“高度角传感器”作为设备的姿态信息反馈给控制器，以达到用“闭环控制”方式实现“天文跟踪法”的目的；在机械构架上，使用一台离轴驱动式三维机械旋转平台作为执行器，使得太阳跟踪器准确可靠、简单易行、经济实惠，便于在太阳能应用领域广泛使用。

 

技术方案：本发明的目的是通过如下措施予以实现：一种天文式太阳跟踪器，由控制器、两自由度三维机械旋转平台、电机、减速机构成，其特征在于：还包含一个方位角传感器（6）、一个高度角传感器（3）、一台能自行计算太阳方位角和高度角并能与方位角传感器和高度角传感器一起构成闭环控制的控制器（7）、一组牵拉式非定比传动的高度角调整牵引装置（9）、一个钢丝绳收紧装置（4）、一对非定比传动的驱动轮（11）、一个水平机械旋转平台（16）、一个由高度角调整牵引装置（9）驱动的可自由调整倾角的机械承物平台（2）、一组固接在水平机械旋转平台之上并能支承机械承物平台的支承脚架（8），构成一个闭环控制的天文式太阳跟踪器。

所谓“定比传动”系指从原动件（电机）通过减速环节再到终端驱动机构所构成的整个传动“链”的各个环节中，每一级的传动比都是确定的、恒定的，比如齿轮、链轮传动；而“非定比传动”系指上述的各个环节中，至少有一级或多于一级以上的环节的传动比是不恒定的、无法确定的，比如靠摩擦力传递的皮带传动、光滑滚轮对地面或轨道的传动。上述牵引装置（9）对钢丝绳（5）的牵拉、以及驱动轮（11）之滚轮对光滑地面或轨道的滚动就是靠摩擦力的传动，即为非定比传动。在户外的大型太阳跟踪器中采用非定比传动最为简单、经济，但传动的准确性需靠下述的方位角传感器（6）和高度角传感器（3）与控制器（7）构成闭环控制系统予以保证。

因此，在本发明中，还有一个方位角传感器（6）和一个高度角传感器（3）；方位角传感器（6）安装在水平机械旋转平台（16）或支承脚架（8）之上，与设备的水平方向旋转运动相关联，与之随动；其核心由一组三坐标地球磁场方向矢量感知器（图16）和一组A/D转换器构成，分布在X轴、Y轴、Z轴上的地球磁场方向矢量感知器感知的微弱磁场信号经“磁/电”转换后再经内部放大器放大，再由A/D转换器转换成数字信号后传输给控制器（7），由控制器（7）内部计算出此时设备的实际方位角。高度角传感器（3）安装在机械承物平台（2）之上，与设备的垂直方向旋转运动相关联，与之随动；其核心由一组三坐标地球重力方向矢量感知器（图17）和一组A/D转换器构成；分布在X轴、Y轴、Z轴上的地球重力方向矢量感知器感知的微弱重力场信号经内部放大器放大，再经A/D转换器转换成数字信号后传输给控制器（7），由控制器（7）内部计算出此时设备的实际高度角。

控制器（7）内部由电源、计算器、传感器接口、比较器、电机驱动电路构成；计算器根据设备所在的位置和时间计算出即时的太阳方位角与高度角的理论数据，同时将由传感器接口输入的方位角传感器（6）和高度角传感器（3）感知的设备姿态数据进行计算，计算结果与理论数据进行比较，比较后，定时或定差向电机驱动电路发出姿态调整信号；所谓“定时调整”是指设备按一定的时间间隔（比如每隔30秒或60秒一次）对数据进行比较后发出姿态调整指令；所谓“定差调整”是指当设备姿态与理论值相差一定数值（比如0.5°或1°）时，设备自动进行一次姿态调整。设备的姿态改变后，与设备随动的方位角传感器和高度角传感器感知的新的数据再行与理论数据进行比较，直至分别相同为止，以此实现设备的方位角和高度角的闭环控制，其逻辑构架如图20所示。

水平机械旋转平台（16）是一个能在水平平面上或圆形轨道上作360°圆周旋转运动装置；其下方至少安装有一对驱动轮（11）和一对随动轮（17），驱动轮（11）和随动轮（17）安装在远离设备回转中心的最外缘位置（离轴位置），当电机得电时，驱动轮（11）将推动整个设备在水平面或圆形轨道上作360°的旋转，以实现对太阳方位角的跟踪；这种布局较之于传统的枢轴式传动方式，获得了以下极积效果：其一、只需用很小的动力就能获得很大的转动力矩，使得设备的功耗小；其二、力学上的承重节点和动力节点相对分离并分散分布，为外缘多点式承重结构，使得设备更加稳定，抗风能力强，不需浇灌水泥基础；其三、传动间隙极小、跟踪精度高，运行极其稳定；其四、全拼装式结构，安装方便，不需动用吊车；其五、承载能力强，能用于较重的光热采集设备；其六、方便在高台、楼顶安装使用 ；其七、构件用材少，自重轻，造价低廉；其八、维护方便。

两个支承脚架（8）分别固接在水平机械旋转平台（16）的左右两侧边之上，并与其随动；在两副支承脚架（8）的上部，分别装有一个轴承座（13），水平芯轴（12）一端插入轴承座（13）内的轴承内孔之中，另一端与机械承物平台（2）中部的横向重心连线固接；在平衡状态下，机械承物平台（2）在牵引装置（9）和钢丝绳（5）的牵引下，可绕其横向重心连线所固接的水平芯轴（12）作立面方向上的旋转，以实现对太阳高度角的跟踪。

 

本发明的优点：

本发明的优点体现在：在跟踪方法上，集传统跟踪器的诸多优势，如天文跟踪法中数据的准确性、光跟踪法中闭环控制的可靠性，用一组方位角传感器、一组高度角传感器构成本设备的姿态传感器，用闭环控制法实现太阳能设备的天文跟踪，改变了传统技术中天文式跟踪器只能使用开环控制的状况，使得控制系统的构架更加严谨，对配套的电机和后续的机械执行设备的要求更低，省却了传统天文跟踪器必不可少的步进电机和精确的机械定比传动系统，并使得设备运行更加准确、可靠，造价更加低廉。在机械构架上，使用一台离轴驱动式三维机械旋转平台作为执行器，使得太阳跟踪器准确可靠、简单易行、经济实惠，便于在太阳能应用领域广泛使用。这无论对于太阳能的光电接收还是聚光光热接收，其推广和应用都具有极其重大的意义。

 

附图说明

图1是天文式太阳跟踪器的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是高度角为90°时的天文式太阳跟踪器主视图；

图4是图3拆去机械承物平台后的俯视图；

图5是高度角为0°时的天文式太阳跟踪器主视图；

图6是图5的俯视图；

图7是牵引装置内部钢丝绳拖曳轮工作示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是钢丝绳收紧装置示意图；

图10是图9的侧视图。

图11是驱动轮内部结构示意图；

图12是随动轮示意图；

图13是上导轮或下导轮的主视图；

图14是上导轮或下导轮的剖视图；

图15是轴套与空心芯轴装配关系示意图；

图16是方位角传感器工作原理图；

图17是高度角传感器工作原理图；

图18是传统的光跟踪式太阳跟踪器的控制逻辑构架图；

图19是传统的天文式太阳跟踪器的控制逻辑构架图；

图20是本发明的天文式太阳跟踪器的控制逻辑构架图。

图中标号：1上导轮、1a导轮支架、1b导轮、1c滑动轴承、1d导轮轴、1e轴用挡圈、2机械承物平台、3高度角传感器、4钢丝绳收紧装置、4a 固定角钢、4b 穿心螺栓、4c 回转轴、4d 扭簧、4e 扭簧固定装置、4f 收紧盘、4g 钢丝绳头固定装置、4h 扳手、4i抱箍、5钢丝绳、6方位角传感器、7控制器、8支承脚架、9牵引装置、9a 拖曳轮压紧装置、9b 外壳、9c 压紧弹簧、9d 压力调整轮、9e 拖曳轮、9f 电机、9g 拖曳减速机、9h 同步链轮与链条、10下导轮、11驱动轮、11a驱动轮电机、11b 驱动轮减速机、11c 驱动齿轮、11d 走轮、11e 驱动轮支架、11f轮轴、11g轴承、12水平芯轴、13轴承座、14轴套、15芯轴组件、15a 上法兰、15b 空心芯轴、15c 地脚螺栓、15d下法兰、16水平机械旋转平台、17随动轮、18圆形轨道。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式做进一步的说明。

本发明的结构原理如图1所示。图1是太阳高度角在大于0°、小于90°之间的工作状态示意图，此时，机械承物平台（2）的上平面与地面之间成为一夹角。图3是太阳高度角等于90°时的工作状态示意图，此时，机械承物平台（2）的上平面与地面相平行。图5是太阳高度角等于0°时的工作状态示意图，此时，机械承物平台（2）的上平面垂直于地面。在实际工作中，当太阳初升之时，高度角为0°，是图5状态；当太阳在升起之后至12：00（真太阳时）之前，是图1状态；地球上南北回归线之间的不同地区，在一年中特定的时间里，在真太阳时的12：00之时，太阳的高度角等于90°，此时跟踪器的工作状态如图3所示。

在图1、图3、图5中，设：上导轮（1）至下导轮（10）之间的钢丝长度为L1、下导轮（10）至牵引装置（9）之间的钢丝长度为L2、牵引装置（9）至机械承物平台（2）下边钢丝头固定端的钢丝长度为L3；由于在图1、图3、图5中，机械承物平台（2）与地面之间处于不同倾角的工作状态下，其L1、L2、L3之和并非恒定值，是高度角“hs”的函数，称为“工作长度”；其“工作长度”图3最大、图1次之、图5最小；因此，跟踪器在对日跟踪工作过程中，钢丝绳（5）的“工作长度”时刻在变化着，日出时最短、午时最长，然后又逐渐变短，直至日落时又是最短。这样，就有必要为钢丝绳（5）的工作长度设置一个自动补偿装置，当“工作长度”变短时它能将多余部份自动收紧并保持足够预紧力、当“工作长度”变长时它也能将不足部份自动放出并保持足够预紧力，以使得机械承物平台（2）的倾角保持良好的受控状态；因此，本发明设计了一套钢丝绳收紧装置（4），以满足上述要求。

本实施例中，钢丝绳收紧装置（4）如图9所示，主要由扭簧（4d）、回转轴（4c）、收紧盘（4f）等零件组成；其中，扭簧（4d）套在回转轴（4c）之外，扭簧钢丝一头插入回转轴（4c）之内（如图10）、另一头与收紧盘（4f）上的扭簧固定装置（4e）紧固并可随收紧盘（4f）旋转；收紧盘（4f）内圈与回转轴（4c）之间通过滚动轴承联接并可绕回转轴（4c）旋转；回转轴（4c）通过穿心螺栓（4b）、抱箍（4i）与固定角钢（4a）固接；回转轴（4c）上固接有一付，用于调整扭簧预紧力；钢丝绳（5）的一头在收紧盘（4f）外圈上缠绕数圈后，通过钢丝绳头固定装置（4g）与收紧盘（4f）的一侧面紧固。当拨出穿心螺栓（4b）并松开抱箍（4i）时，拉动扳手（4h）让回转轴（4c）旋转，就可调整钢丝绳的预紧力；调毕，插入穿心螺栓（4b）、旋紧抱箍（4i），设备作对日跟踪时钢丝绳（5）就能收、放自如。钢丝绳收紧装置（4）的设置，还能对设备内部偏转动力的传递和外力（如风载）的冲击起到一定的“消震”作用，使得设备工作得更加平稳。

图7、图8所示，高度角调整牵引装置（9）是一种牵拉式非定比传动的电动装置，由拖曳轮压紧装置（9a）、外壳（9b）、一组拖曳轮（9e）、一个压力调整轮（9d）、电机（9f）、减速机（9g）、同步链轮与链条（9h）构成；由至少两组导轮（1）与（10）、一条钢丝绳（5）构成牵引装置；牵引装置（9）固接在水平机械旋转平台（16）之上，收紧装置（4）固接在机械承物平台（2）腹部，一组导轮（1）固接在机械承物平台的一条边缘之下方，另一组导轮（10）固接在水平机械旋转平台（16）的外侧；钢丝绳（5）穿过牵引装置（9）内的拖曳轮（9e）和压紧轮（9d）之间的空间并受拖曳轮（9e）驱动，一头穿过上述所有导轮并与收紧装置（4）上的收紧盘（4f）固接，另一头与机械承物平台（2）的另一侧边相固接；当电机（9f）转动时，驱动减速机（9g）、拖曳轮（9e）并带动钢丝绳（5）向一侧运动，从而牵动机械承物平台（2）绕其水平轴心（12）作垂直方向上的倾角调整。

图11所示，驱动轮（11）由滚轮（11d）、支承架（11e）、轮轴（11f）、轴承（11g）、齿轮（11c）、电机（11a）、减速机（11b）构成；齿轮（11c）固接于滚轮（11d）之一侧或与滚轮（11d）同体，电机（11a）输出的转矩通过减速机（11b）减速后由其齿轮轴传递给齿轮（11c），再由齿轮（11c）带动滚轮（11d）转动；轮轴（11f）与支承架（11e）紧配合，相互之间不转动；滚轮（11d）为轮轨式刚性金属轮或轮胎式金属芯外包胶轮；当设备在不平地面上使用时，可采用图2所示使用圆形轨道（18）作为驱动轮（11）和随动轮（17）的共用轨道，此时滚轮（11d）和滚轮（17d）可采用轮轨式刚性金属轮；当设备在平坦的水泥地面上使用时，可省去圆形轨道（18），驱动轮（11）和随动轮（17）直接在水泥地面上滚动，此时滚轮（11d）和滚轮（17d）可采用轮胎式金属芯外包胶轮。

图4、图15所示，水平机械旋转平台（16）与轴套（14）、驱动轮（11）、随动轮（17）、支承脚架（8）固接；空心芯轴（15b）与上法兰（15a）、下法兰（15d）、固接；下法兰（15d）通过地脚螺栓（15c）与基础固接；驱动轮（11）、随动轮（17）各自两两配对安装在水平机械旋转平台（16）下方，行走在同一圈圆形轨道（18）或基础平台面之上；上法兰（15a）限制了轴套（14）从空心芯轴（15b）中沿轴向滑出；轴套（14）之内圈套入空心芯轴（15b）并与之动配合，空心芯轴（15b）是设备的回转、定位中心，其中心孔又作为管线、电缆的外接通道。

机械承物平台（2）的立面中部有一承重横梁，横梁两端各有一根水平芯轴（12），水平芯轴（12）设在整个机械承物平台的重心位置，水平芯轴（12）的两个轴承座（13）分别固接在左右支承脚架（8）的顶部；在钢丝绳的牵引之下，机械承物平台绕其芯轴旋转以实现倾角调整；在机械承物平台的腹部固接有一套钢丝绳收紧装置。

空心芯轴（15b）与上法兰（15a）、下法兰（15d）、固接；下法兰（15d）通过地脚螺栓（15c）与基础固接；驱动轮（11）、随动轮（17）各自两两配对安装在水平机械旋转平台（16）下方，行走在同一圈圆形轨道（18）或基础平台面之上；上法兰（15a）限制了轴套（14）从空心芯轴（15b）中沿轴向滑出；轴套（14）之内圈套入空心芯轴（15b）并与之动配合，空心芯轴（15b）是设备的回转、定位中心，其中心孔又作为管线、电缆的外接通道。

图13是上导轮或下导轮的主视图、图14是上导轮或下导轮的剖视图；上导轮（1）是用于改变钢丝绳牵拉的方向，使得钢丝绳收紧装置（4）能装在空间较为充裕之处，并配合钢丝绳收紧装置（4）的工作，使得钢丝绳（1）便于收放。下导轮（10）也是用于改变钢丝绳牵拉的方向，但其更重要的作用是将牵引装置（9）对与机械承物平台（2）偏转的施力作用点从本设备的中部外移到设备的外缘，其原理如下：在图5中，钢丝绳收紧装置（4）、上导轮（1）的连线与上导轮（1）、下导轮（10）的连线之间的夹角，称之为“牵引角”；“牵引角”越大（如图3）则设备对机械承物平台（2）的偏转角（高度角）的调整越有利；“牵引角”越小（如图5）则设备对机械承物平台（2）的偏转角（高度角）的调整越不利；若“牵引角”为零，则设备无法对机械承物平台（2）的偏转角（高度角）进行调整，钢丝绳（5）对机械承物平台（2）的偏转作用将进入“死角”，此时不但设备的高度角无法调整，而且机械承物平台（2）绕水平芯轴（12）旋转的约束力将消失，设备的高度角调整进入失控状态；因此，设置下导轮（10）的目的，就是用于避开这种工作“死角”的产生；下导轮（10）离设备水平方向的回转中心芯轴（15）越远，则“牵引角”越大，对设备的正常工作越有利。

控制器（7）内部还设有远程通讯接口、自动获取地理位置坐标接口、手动输入地理位置坐标接口；远程通讯接口通过“RS485”总线式接口或“TPC/IP”接口或其它协议的通讯接口对本设备作 “避风”、“避雪”、“避尘”、“防冻”、“防系统热溢出”、“跟踪”、“休眠”远程姿态控制，通过服务器，还能将多个跟踪器组成跟踪器阵列，并对其作群控和各种数据采集以及设备的初始化和自动化管理。“自动获取地理位置坐标接口”可接入GPS等卫星定位信号，以自动获得设备固定安装位置的地理坐标信息、或设备安装在移动运载工具（如车辆、轮船）上的瞬时位置的地理坐标信息，以达到对日准确跟踪之目的。

其中，计算器内计算太阳方位角与高度角理论数据的太阳运行天文方程式，参考《用天文测量简历精确计算太阳位置的方法》，作者：杜春旭、王普、马重芳、吴玉庭，（刊登于《可再生能源》，第28卷第3期，2010年6月，第85页）提供的基础理论方程式，结合实际控制要求，得到以下理论方程式：

一、太阳赤纬δ的计算式：

δ=0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ

式中：θ=2πt/365.242 ；t=n-n₀   n为积日

n₀=79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT[(年份-1985)/4]

二、太阳高度角hs的计算式：

hs=arcsin（sinδsinφ+cosδcosφcosω）

式中：φ为测点地理纬度，如福州φ=26°05′＝26.0833°；ω为太阳时角，

ω＝（时间－12）×15－（测点经度－15×时区）………（东经）

ω＝（时间－12）×15＋（测点经度－15×时区）………（西经）

ω以当地正午为0°，上午为负，每小时－15°，下午为正，每小时+15°，ω在赤道面上每小时变化为 =15°，ω所表示的是真太阳时，与时钟不同。

三、太阳方位角αs的计算式：

sin(αs)=sinωcosδ/cos(hs)

当sin(αs)的计算值大于1时，改用下式计算：

cos(αs)＝（sinhssinφ－sinδ）/coshscosφ

式中：ω、δ、hs、φ分别用上式中得到的结果代入，即可得出方位角。

本发明中，方位角传感器和高度角传感器可分别采用霍尼维尔传感器公司制造的99JP2磁场方向传感器芯片和A102K6重力加速度芯片；当然，还能采用其它公司生产的同类型芯片。

此外，在实际应用中，本设备的控制部份与动力部份的用电，可由太阳能光伏电池组件提供，以形成独立的、无需外电网供电的自动化跟踪设备。

本发明可广泛应用于太阳能的光伏接收设备、光热接收设备的对日跟踪，由于设备优异的稳定性，其单台设备的接收面积可大至数十至数百平方米，并可用多台设备组成大型太阳能接收器阵列，即方便于太阳能的分布式采集又有利于太阳能的集中采集。

根据本发明的原理及设计构思，能设计出多种不同形式的太阳跟踪器，因此，不局限于实施例所描述的内容。

Claims (10)

1.一种天文式太阳跟踪器，由控制器、两自由度三维机械旋转平台、电机、减速机构成，其特征在于：还包含一个方位角传感器（6）、一个高度角传感器（3）、一台能自行计算太阳方位角和高度角并能与方位角传感器和高度角传感器一起构成闭环控制的控制器（7）、一组牵拉式非定比传动的高度角调整牵引装置（9）、一个钢丝绳收紧装置（4）、一对非定比传动的驱动轮（11）、一个水平机械旋转平台（16）、一个由高度角调整牵引装置（9）驱动的可自由调整倾角的机械承物平台（2）、一组固接在水平机械旋转平台（16）之上并能支承机械承物平台（2）的支承脚架（8），构成一个闭环控制的天文式太阳跟踪器。

2.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：方位角传感器（6）安装在水平机械旋转平台（16）或支承脚架（8）之上，其核心由一组三坐标地球磁场方向矢量感知器和一组A/D转换器构成；分布在X轴、Y轴、Z轴上的地球磁场方向矢量感知器感知的微弱磁场信号经“磁/电”转换后再经内部放大器放大，再由A/D转换器转换成数字信号后传输给控制器（7），由控制器（7）内部计算出此时设备的实际方位角。

3.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：高度角传感器（3）安装在机械承物平台（2）之上，其核心由一组三坐标地球重力方向矢量感知器和一组A/D转换器构成；分布在X轴、Y轴、Z轴上的地球重力方向矢量感知器感知的微弱重力场信号经内部放大器放大，再经A/D转换器转换成数字信号后传输给控制器（7），由控制器（7）内部计算出此时设备的实际高度角。

4.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：控制器（7）内部由电源、计算器、传感器接口、比较器、电机驱动电路构成；计算器根据设备所在的地理位置和时间计算出即时的太阳方位角与高度角的理论数据，同时将由传感器接口输入的方位角传感器（6）和高度角传感器（3）感知的设备姿态数据进行计算，计算结果与理论数据进行比较，比较后，定时或定差向电机驱动电路发出姿态调整信号；设备的姿态改变后，与设备随动的方位角传感器和高度角传感器感知的新的数据再行与理论数据进行比较，直至分别相同为止，以此实现设备的方位角和高度角的闭环控制。

5.根据权利要求1或4所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：控制器（7）内部还设有远程通讯接口、自动获取地理位置坐标接口、手动输入地理位置坐标接口；远程通讯接口通过“RS485”总线式接口或“TPC/IP”接口或其它协议的通讯接口对本设备作 “避风”、“避雪”、“避尘”、“防冻”、“防系统热溢出”、“跟踪”、“休眠”远程姿态控制，通过服务器，还能将多个跟踪器组成跟踪器阵列，并对其作群控和各种数据采集以及设备的初始化和自动化管理。

6.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：高度角调整牵引装置（9）是一种牵拉式非定比传动的电动装置，由拖曳轮压紧装置（9a）、外壳（9b）、一组拖曳轮（9e）、一个压力调整轮（9d）、电机（9f）、减速机（9g）、同步链轮与链条（9h）构成；由至少两组导轮（1）与（10）、一条钢丝绳（5）构成牵引装置；由收紧盘（4f）、收紧扭簧（4d）、扭簧固定轴（4c）构成钢丝绳收紧装置；牵引装置（9）固接在水平机械旋转平台（16）之上，收紧装置（4）固接在机械承物平台（2）腹部；一组导轮（1）固接在机械承物平台的一条边缘之下方，另一组导轮（10）固接在水平机械旋转平台（16）的外侧；钢丝绳（5）穿过牵引装置（9）内的拖曳轮（9e）和压紧轮（9d）之间的空间并受拖曳轮（9e）驱动，一头穿过上述所有导轮并与收紧装置（4）上的收紧盘（4f）固接，另一头与机械承物平台（2）的另一侧边相固接；当电机（9f）转动时，驱动减速机（9g）、拖曳轮（9e）并带动钢丝绳（5）向一侧运动，从而牵动机械承物平台（2）绕其水平轴心（12）作垂直方向上的倾角调整。

7.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：驱动轮（11）由滚轮（11d）、支承架（11e）、轮轴（11f）、轴承（11g）、齿轮（11c）、电机（11a）、减速机（11b）构成；齿轮（11c）固接于滚轮（11d）之一侧或与滚轮（11d）同体，电机（11a）输出的转矩通过减速机（11b）减速后由其齿轮轴传递给齿轮（11c），再由齿轮（11c）带动滚轮（11d）转动；轮轴（11f）与支承架（11e）紧配合，相互之间不转动；滚轮（11d）为轮轨式刚性金属轮或轮胎式金属芯外包胶轮。

8.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：水平机械旋转平台（16）与轴套（14）、驱动轮（11）、随动轮（17）、支承脚架（8）固接；空心芯轴（15b）与上法兰（15a）、下法兰（15d）、固接；下法兰（15d）通过地脚螺栓（15c）与基础固接；驱动轮（11）、随动轮（17）各自两两配对安装在水平机械旋转平台（16）下方，行走在同一圈圆形轨道（18）或基础平台面之上；上法兰（15a）限制了轴套（14）从空心芯轴（15b）中沿轴向滑出；轴套（14）之内圈套入空心芯轴（15b）并与之动配合，空心芯轴（15b）是设备的回转、定位中心，其中心孔又作为管线、电缆的外接通道。

9.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：机械承物平台（2）的立面中部有一承重横梁，横梁两端各有一根水平芯轴（12），水平芯轴（12）设在整个机械承物平台的重心位置，水平芯轴（12）的两个轴承座（13）分别固接在左右支承脚架（8）的顶部；在钢丝绳的牵引之下，机械承物平台绕其芯轴旋转以实现倾角调整；在机械承物平台的腹部固接有一套钢丝绳收紧装置。

10. 根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：机械承物平台（2）上面至少安装有一片足以为本跟踪器供电的太阳能光伏电池组件，其余大面积可安装太阳能光热接收装置或太阳能光伏接收装置。