CN109698669A - 用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构 - Google Patents

用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构 Download PDF

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Abstract

一种太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其向方位角转动支撑件(6)提供了围绕竖直基座(2)的方位角转动，太阳能电池板的支撑结构(1)以具有围绕附接到方位角转动支撑件(6)的水平轴的仰角转动能力安装在方位角转动支撑件(6)上。方位角转动是通过单个方位角直线致动器(4)实现的，仰角转动时通过单个仰角直线致动器(5)实现的，因此仅需要两个直线致动器(4，5)来获得完全太阳追踪所需的太阳能电池板的所有位置。

Description

用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构
技术领域
本发明涉及太阳追踪器的技术领域，更具体地涉及由竖直基座构成的T形太阳追踪器，在竖直基座上安装有具有围绕该基座转动的能力的方位角转动支撑件，在方位角转动支撑件上又安装有太阳能电池板的支撑结构，该支撑结构具有围绕连接到方位角转动支撑件的水平轴的仰角转动能力。方位角转动和仰角转动是通过直线致动器(linearactuator)实现的，太阳能电池板可以是光伏太阳能电池板或定日镜。本发明尤其涉及一种用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其具有提供方位角转动的单个方位角直线致动器以及提供仰角转动的单个仰角直线致动器，使得仅通过两个直线致动器可以获得实施完全太阳追踪所需的太阳能电池板的支撑结构的所有位置。
背景技术
太阳追踪器使用一些机构来使太阳能电池板的支撑机构定位在合适的方位中以捕获太阳能。该方位取决于追踪器的地理位置、时间选择(一年中的哪天以及一天中的哪个时段)以及所涉及的太阳能技术(太阳热能或光伏)。
为了向太阳能电池板的支撑结构提供这种方位，需要根据两个自由度来致动所述机构，在太阳追踪器的大多数机构中这两个自由度是方位角(azimuth)和仰角(elevation)。
目前，存在许多提供方位角和仰角致动的太阳追踪器的机构，可以根据致动器的类型(转动型的或直线型的)、致动类型(机电的或电液的)、它们提供的角行程、它们在保持和致动中的负载能力以及根据它们在追踪太阳时的精度来进行分类。所有这些的清晰目标是减少某些特征的制造、组装和维护成本。
文献US6123067、WO2013/178850和ES2495590B1披露了基于通过液压直线致动器的方位角和仰角致动的用于太阳追踪器的机构。
文献US6123067中描述的机构包括由用于方位角运动的两个液压缸致动的围绕追踪器的基座转动的转动框架，这两个液压缸提供了360°的方位角运动。该机构具有在大约90°的范围内致动仰角运动的第三液压缸，使得其可以将太阳能电池板的支撑结构定位在包括在0°(水平位置)到90°(竖直位置)之间的任何仰角位置中。
文献WO2013/178850A1披露了一种方位角液压致动机构，该机构具体体现为两个直线缸体，这两个直线缸体附接到同一共用轴不同的高度处以便于它们不会交叉，能够实现太阳能电池板的支撑结构关于支撑基座完全360°的转动。此外，与之前的机构一样，该机构还包括第三直线致动器以实施大约90°范围内的仰角运动。
文献ES2495590B1披露了一种方位角液压致动机构，该机构具体体现为位于相同水平面上的至少三个液压缸，它们附接到同一共用轴上，能够实现太阳能电池板的支撑结构关于支撑基座的完全360°的转动。此外，与之前的机构一样，该机构具有额外的液压缸以实施大约90°范围内的仰角运动。
所有这些机构具有大约90°范围的仰角转动，并且能够根据全年一直需要的不同方位定位太阳能电池板的支撑结构，这是由于其方位角致动能够允许关于基座实现大约360°的转动。
现在，在方位角轴上的这种大约360°的转动需要必须伴随着施加或保持所需载荷的能力以一直保持所需的方位以及所需的刚度来确保任何方位上的精度，这需要使用至少两个直线致动器来致动方位角轴，从而使得该机构更昂贵。
另一方面，使用这两个或更多个致动器来致动相同的自由度引起该机构在方位角上过度致动，这样使该机构的控制更复杂到不同致动器的命令必须在方位角上良好协调以避免不理想的内部工作量以及复杂组装的程度，因为所有的致动器必须具有待安装在共用轴上处于正确位置中的活塞。
因此，需要有一种用于太阳追踪器的机构，其能够一直提供太阳能电池板的支撑结构的所需方位并且具有施加或保持必要的载荷和刚度以确保精度的能力、需要更少的致动器、能够更容易地控制、更容易组装且需要更少的维护，所有这些将会导致成本的降低。
发明内容
本发明通过正如权利要求1中所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构解决了现有技术中存在的这些问题。
用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构配置成支撑太阳能电池板的支撑结构并且通过方位角转动设施提供了所述支撑结构围绕布置在太阳追踪器的竖直基座上的固定竖直轴的方位角转动，还通过仰角转动设施提供了支撑结构在大于90°的范围内的仰角转动，使得太阳能电池板的支撑结构能够围绕可动的水平仰角轴向前(根据图1b)和向后(根据图1c)倾斜。
当太阳追踪器处于图1a和1b的位置之间的中间位置时，太阳能电池板的支撑结构向前倾斜，而当太阳追踪器处于图1a和1c的位置之间的中间位置时，太阳能电池板的支撑结构向后倾斜。
方位角转动设施是由刚性附接到竖直基座的固定部件和通过转动元件附接到该固定部件的方位角转动支撑件构成的。
方位角转动支撑件配置成围绕基座的轴转动。此外，可动的水平仰角轴布置在所述方位角转动支撑件上，支撑结构围绕所述可动的水平仰角轴进行仰角转动。
所述固定部件可以结合到太阳追踪器的竖直基座，或者其可以是独立部件。至于转动元件，其优选地由通过内圈和外圈形成的回转轴承形成。
此外，方位角转动设施具有单个水平的方位角直线致动器，其优选地是液压缸，其缸筒通过第一竖直关节(joint)铰接到方位角转动支撑件，并且其活塞通过第二竖直关节附接，第一铰接组件可以围绕第二竖直关节转动。该第一铰接组件包括第一铰接杆和第二铰接杆，第一铰接杆通过第三固定竖直关节附接到固定部件，第二铰接杆通过一竖直关节附接到第一铰接杆并且通过第四竖直关节附接到方位角转动支撑件。由单个直线致动器和铰接组件构成的这些方位角转动设施提供了围绕竖直轴大约180°的转动。
根据本发明的不同实施方式，方位角直线致动器以及第一和第二铰接杆可以布置在同一平面上或者布置在不同平面上。
根据本发明的一个特定实施方式，方位角直线致动器通过所述竖直关节直接附接到第一铰接组件的第一铰接杆和第二铰接。替代性地，方位角直线致动器通过竖直关节附接到第一铰接组件的第一铰接杆或第二铰接杆，这两个铰接杆通过不同于第二、第三和第四竖直关节的另外的第五竖直关节彼此附接。通过使其适应不同的机构尺寸和/或更简单的制造工艺，这可以使其简化这两个杆与直线致动器之间的附接。
仰角转动设施具有仰角直线致动器，其优选地是液压缸且与可动的水平仰角轴垂直，根据本发明的优选实施方式，其通过与仰角轴平行的相应关节铰接到方位角转动支撑件和太阳能电池板的支撑结构。这些仰角转动设施提供了大于90°的转动范围，即它们还可以使太阳能电池板的支撑表面向后倾斜。因此，这些仰角转动设施通过将太阳能电池板的支撑结构向前和向后倾斜定位而允许其转动。大于90°的这种转动是利用仰角直线致动器的合适的配置和长度获得的。
根据本发明的另一个特定实施方式，作为对上述实施方式的替代，该仰角直线致动器通过第一水平关节铰接到方位角转动支撑件，所述仰角直线致动器的活塞通过第二水平关节附接，第二铰接组件可以围绕第二水平关节转动。该第二铰接组件包括第三铰接杆和第四铰接杆，第三铰接杆通过第三水平关节附接到支撑结构，第四铰接杆通过一水平关节附接到第三铰接杆并且通过第四水平关节附接到方位角转动支撑件。
根据本发明的不同实施方式，仰角直线致动器以及第三和第四铰接杆可以布置在同一平面上或者布置在不同平面上。
根据本发明的一个特定实施方式，仰角直线致动器通过所述水平关节直接附接到第二铰接组件的第三铰接杆和第四铰接杆，所述水平关节将这些杆彼此附接。替代性地，仰角直线致动器通过所述水平关节附接到第二铰接组件的第三铰接杆或第四铰接杆，这两个铰接杆通过不同于第二、第三和第四水平关节的另外的第五水平关节彼此附接。
因此，根据本发明，所述机构仅包括两个直线致动器，这两个致动器可以是液压的或者机电的，其中一个致动器负责实施方位角运动，另一个致动器负责实施仰角运动。本发明的主要优点在于其避免了方位角运动需要使用至少两个直线致动器，这是因为由于该机构具有大于90°的仰角运动范围(即，其具有使太阳能电池板的支撑结构向前和向后倾斜的能力)所以方位角运动的必要范围减小到大约180°的值。这是可行的，因为例如180°的方位角转动和后续的30°的向前仰角转动的合成相当于30°的向后仰角转动，正如可以通过将图1的向前和向后位置考虑在内来进行确认那样。
仰角运动范围可以根据需要、追踪器的位置的地理坐标、安装太阳追踪器的太阳能发电场的大小等等进行调整。最平常的仰角运动在关于水平位置大约90°的向前倾斜与关于水平位置大约45°的向后倾斜之间。
从在方位角转动运动中使用单个致动器获得的其他优点是比如其不是过度致动的致动器、其比现有机构更容易控制和组装。
此外，每个自由度仅使用一个致动器简化了机构并减少了其维护需求。
所有上面的优点转化为该机构更低的制造、组装和维护成本。
附图说明
接下来，为了便于理解本发明，将通过非限定性的说明描述涉及一系列附图的本发明的实施方式。
图1示意性地示出了一种太阳追踪器，其包括处于不同位置中的本发明的方位角和仰角转动机构。图1a示出了其中追踪器处于水平位置中的位置1。图1b示出了其中追踪器处于最向前倾斜的位置(即90°或竖直位置)中的位置2。图1c示出了其中追踪器处于具有向后倾斜(即-30°)的位置中的位置3。
图2示出了本发明的太阳追踪器的方位角和仰角转动机构的一个实施方式的透视图。
图3和4分别示出了图2的机构的正视图和侧视图。
图5是所述机构的方位角转动设施的一个实施方式的关键元件的分解透视图。
图6是所述机构的仰角转动设施的一个实施方式的关键元件的分解透视图。
图7到10示出了图5的方位角转动设施的不同连续位置的平面视图。
图11是方位角转动设施的替代结构。
图12是仰角转动设施的替代结构。
在这些图中，对下面的元件做出了参考标记：
1.太阳追踪器的支撑结构
2.太阳追踪器的基座
3.方位角和仰角转动机构
4.方位角直线致动器
5.仰角直线致动器
6.方位角转动支撑件
7.直线致动器的支撑件
8.将方位角直线致动器附接到方位角转动支撑件的第一竖直关节
9.方位角转动设施的第一铰接杆
10.方位角转动设施的第二铰接杆
11.方位角转动设施的第二竖直关节
12.将第一杆附接到固定部件的第三固定竖直关节
13.转动元件
14.方位角转动设施的固定部件
15.方位角转动设施的第四竖直关节
16.将仰角直线致动器附接到方位角转动支撑件的第一竖直关节
17.布置在方位角转动支撑件上的可动的水平仰角轴
18.仰角直线致动器的第二水平关节
19.转动元件的内圈
20.转动元件的外圈
21.方位角转动设施的第五竖直关节
22.仰角转动设施的第四铰接杆
23.仰角转动设施的第五水平关节
24.仰角转动设施的第三铰接杆
25.仰角转动设施的第三水平关节
26.仰角转动设施的第四水平关节
具体实施方式
本发明的目标是一种用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构。
如图所示，用于太阳追踪器的转动机构3配置成支撑太阳能电池板的支撑结构1并且通过方位角转动设施为所述支撑结构1提供围绕布置在太阳追踪器的竖直基座2上的固定竖直轴的方位角转动以及通过仰角转动设施为所述支撑结构1提供围绕可动的水平仰角轴17在两个方向(即“向前”和“向后”)上的仰角转动。图1示出了由本发明的方位角和仰角转动机构允许的太阳追踪器的不同位置。
方位角转动设施由刚性附接到基座2的固定部件14和通过转动元件13附接到固定部件14的方位角转动支撑件6构成。
方位角转动支撑件6尤其由圆柱形壁壳构成，其中设有一用于方位角直线致动器4通过的开口，其配置成围绕基座2的轴转动。此外，可动的水平仰角轴17布置在所述方位角转动支撑件6上，支撑结构1围绕可动的水平仰角轴17进行仰角转动。
固定部件14可以结合到太阳追踪器的竖直基座2，或者其可以是独立部件，如图5中所示。
至于转动元件13，其优选地由包括内圈19和外圈20的回转轴承形成，如图5和图7到10中所示。根据本发明的一个特定实施方式，回转轴承的内圈19固定到固定部件14，而外圈20固定到方位角转动支撑件6。根据本发明的一个替代实施方式，回转轴承的内圈19固定到方位角转动支撑件6，而外圈20固定到固定部件14。作为对回转轴承的替代，可以使用任何其他已知的转动支撑系统。
此外，方位角转动设施具有单个水平的方位角直线致动器4，其优选地是液压缸，其通过第一竖直关节8铰接到方位角转动支撑件6。使用刚性附接到方位角转动支撑件6的直线致动器的支撑件7以便于该第一竖直关节8的组装，如图5中所示。
方位角直线致动器4的活塞通过第二竖直关节11附接，第一铰接组件可以围绕第二竖直关节11转动。该第一铰接组件又包括第一铰接杆9和第二铰接杆10，第一铰接杆9通过第三固定竖直关节12附接到固定部件14，第二铰接杆10通过一竖直关节附接到第一铰接杆9并且通过第四竖直关节15附接到方位角转动支撑件6。可以在图5和图7到10中详细观察到方位角转动设施的这种结构。
根据本发明的一个优选实施方式，方位角直线致动器4、第一铰接杆9和第二铰接杆10布置在同一平面上，如图5中所示。替代性地，方位角直线致动器4、第一铰接杆9和第二铰接杆10布置在不同平面上。
图5和图7到10示出了本发明的一个优选实施方式，其中方位角直线致动器4通过第二竖直关节11直接附接到第一铰接组件的第一铰接杆9和第二铰接杆10，第二竖直关节11还用于将第一铰接杆9和第二铰接杆10彼此附接。图11示出了一个替代性实施方式，其中方位角直线致动器4可以通过竖直关节11附接到第一铰接组件的第一铰接杆9或第二铰接杆10，而这两个铰接杆9、10通过不同于第二竖直关节11、第三竖直关节12和第四竖直关节15的另外的第五竖直关节21彼此附接。
对于仰角转动设施，它们通过仰角直线致动器5负责实施支撑结构1围绕布置在方位角转动支撑件6上的可动的水平仰角轴17的仰角转动，仰角直线致动器5优选地是与可动的水平轴17垂直的液压缸，根据本发明该优选实施方式，其通过与仰角轴17平行的相应的关节16和18铰接到方位角转动支撑件6和支撑结构1，且其不与仰角轴17交叉。因为水平仰角轴17在方位角转动支撑件6上，所以是可动的并且可以与方位角转动一起运动，控制仰角转动的所有元件和关节围绕方位角竖直轴转动。图6示出了该实施方式。
根据本发明的另一个特定实施方式，作为对上述实施方式的替代，该仰角直线致动器5通过第一水平关节16铰接到方位角转动支撑件6，所述仰角直线致动器5的活塞通过第二水平关节18附接，第二铰接组件可以围绕第二水平关节18转动。第一水平关节16和第二水平关节18与可动的水平仰角轴平行。
该第二铰接组件包括第三铰接杆24和第四铰接杆22，第三铰接杆24通过第三水平关节25附接到支撑结构1，第四铰接杆22通过一水平关节附接到第三铰接杆24并且通过第四水平关节26附接到方位角转动支撑件6。
根据本发明的不同实施方式，仰角直线致动器5以及第三铰接杆24和第四铰接杆22可以布置在同一平面上或者替代性地布置在不同平面上。
根据本发明的一个实施方式的一种变型，仰角直线致动器5通过所述水平关节18直接附接到第二铰接组件的第三铰接杆24和第四铰接杆22，所述水平关节18也用作将第三铰接杆24和第四铰接杆22附接的水平关节。替代性地，仰角直线致动器5通过第二水平关节18附接到第二铰接组件的第三铰接杆24或第四铰接杆22，而第三铰接杆24和第四铰接杆22通过不同于第二水平关节18、第三水平关节25和第四水平关节26的另外的第五水平关节23彼此附接。图12示出了该实施方式。
已经清楚地对本发明进行了描述，需要注意的是可以对上述具体实施方式做出细节上的改变，而它们不会改变本发明的基本原理和本质。

Claims (15)

1.一种用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，所述转动机构配置成支撑太阳能电池板的支撑结构(1)并且：
-通过方位角转动设施提供所述支撑结构(1)围绕布置在太阳追踪器的竖直基座(2)上的固定竖直轴的方位角转动，所述方位角转动设施包括：
-刚性附接到所述竖直基座(2)的固定部件(14)，以及
-通过转动元件(13)附接到所述固定部件(14)的方位角转动支撑件(6)，该方位角转动支撑件(6)配置成围绕所述基座(2)的轴转动，
-通过仰角转动设施提供所述支撑结构(1)围绕布置在所述方位角转动支撑件(6)上的可动的水平仰角轴(17)在两个方向上的仰角转动，所述仰角转动设施包括仰角直线致动器(5)，所述仰角直线致动器与所述可动的水平仰角轴(17)垂直并且铰接到所述方位角转动支撑件(6)和所述支撑结构(1)，
所述转动机构(3)的特征在于所述方位角转动设施包括：
-通过第一竖直关节(8)铰接到所述方位角转动支撑件(6)的单个水平的方位角直线致动器(4)，所述方位角直线致动器的活塞通过第二竖直关节(11)附接，第一铰接组件能围绕所述第二竖直关节转动，该第一铰接组件包括：
-第一铰接杆(9)，所述第一铰接杆通过第三固定竖直关节(12)附接到所述固定部件(14)，
-第二铰接杆(10)，所述第二铰接杆通过一竖直关节附接到所述第一铰接杆(9)且通过第四竖直关节(15)附接到所述方位角转动支撑件(6)。
2.根据权利要求1所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述方位角直线致动器(4)、第一铰接杆(9)和第二铰接杆(10)布置在同一平面上。
3.根据权利要求1所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述方位角直线致动器(4)、第一铰接杆(9)和第二铰接杆(10)布置在不同平面上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述方位角直线致动器(4)通过所述第二竖直关节(11)直接附接到第一铰接组件的第一铰接杆(9)和第二铰接杆(10)，所述第二竖直关节(11)与将所述第一铰接杆(9)和第二铰接杆(10)彼此附接的关节一致。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述方位角直线致动器(4)通过所述第二竖直关节(11)附接到第一铰接组件的第一铰接杆(9)或第二铰接杆(10)，第一铰接杆(9)和第二铰接杆(10)通过不同于所述第二竖直关节(11)的另外的第五竖直关节(21)彼此附接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述转动元件(13)是包括内圈(19)和外圈(20)的回转轴承。
7.根据权利要求6所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述回转轴承的内圈(19)固定到所述固定部件(14)，所述外圈(20)固定到所述方位角转动支撑件(6)。
8.根据权利要求6所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述回转轴承的内圈(19)固定到所述方位角转动支撑件(6)，所述外圈(20)固定到所述固定部件(14)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述固定部件(14)与太阳追踪器的所述竖直基座(2)成一体。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述仰角直线致动器(5)通过第一水平关节(16)铰接到所述方位角转动支撑件(6)，所述仰角直线致动器(5)的活塞通过第二水平关节(18)附接，所述支撑结构(1)能围绕所述第二水平关节(18)转动。
11.根据权利要求1-9所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述仰角直线致动器(5)通过第一水平关节(16)铰接到所述方位角转动支撑件(6)，所述仰角直线致动器(5)的活塞通过第二水平关节(18)附接，第二铰接组件能围绕所述第二水平关节转动，所述第二铰接组件包括：
-第三铰接杆(24)，所述第三铰接杆通过第三水平关节(25)附接到所述支撑结构(1)，
-第四铰接杆(22)，所述第四铰接杆通过一水平关节附接到所述第三铰接杆(24)且通过第四水平关节(26)附接到所述方位角转动支撑件(6)。
12.根据权利要求11所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述仰角直线致动器(5)、第三铰接杆(24)和第四铰接杆(22)布置在同一平面上。
13.根据权利要求11所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述仰角直线致动器(5)、第三铰接杆(24)和第四铰接杆(22)布置在不同平面上。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述仰角直线致动器(5)通过附接所述第三铰接杆(24)和第四铰接杆(22)的相同水平关节直接附接到第二铰接组件的第三铰接杆(24)和第四铰接杆(22)。
15.根据权利要求10-13中任一项所述的用于太阳追踪器的方位角和仰角转动机构，其特征在于，所述仰角直线致动器(5)通过所述水平关节附接到第二铰接组件的第三铰接杆(24)或第四铰接杆(22)，第三铰接杆(24)和第四铰接杆(22)通过不同于所述第二水平关节(18)、第三水平关节(25)和第四水平关节(26)的另一第五水平关节(23)彼此附接。
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