CN1114738A - 自动跟踪太阳的太阳能设备 - Google Patents

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Abstract

一种自动跟踪太阳的太阳能设备，包括支撑结构、太阳能转换部件、安装框架、弹簧、盛有液体的平衡箱和自动控制系统；所述的弹簧一端联接所述的支撑结构，另一端联接所述的安装框架；所述的平衡箱安装在所述的安装框架上。这种太阳能设备，能自动复位，实现了跟踪的完全自动化，同时，跟踪精度高、结构简单、造价低，适合各种规模的太阳能设备。

Description

自动跟踪太阳的太阳能设备
本发明属于太阳能利用技术领域。
太阳能设备在使用时，必须使其聚光器的光轴始终指向太阳，这就是跟踪。传统的太阳跟踪，一般是根据太阳的方向信号或者是根据固定的转速，由一台电动机带动太阳能设备转动来实现的。这些跟踪方式，有的自动化程度不够高，并且易产生累积误差；有的需要微机控制，跟踪系统设备十分庞大复杂，造价昂贵，不适合中小规模太阳能设备的跟踪。《太阳能》杂志1991年第3期报道了一种控放式自动跟踪装置，其技术方案为：在太阳灶镜面西侧安放一偏重袋，在镜面东侧设置一带绕线盘的控制盒，绕线盘弦线的外端点联接在灶体基架底脚上，使用时，绕线盘根据一定的转速放线，镜面就随之向西偏转从而达到对太阳的跟踪。这种跟踪方式实际上是利用力矩平衡原理实现的。这种跟踪装置需要每天调整初始状态，并开启跟踪设备，自动化程度不高。
本发明的目的是：提供一种结构简单、自动化程度高、跟踪精度高、适合各种规模的自动跟踪太阳的太阳能设备。
本发明的技术方案是：一种自动跟踪太阳的太阳能设备，包括支撑结构、太阳能转换部件和安装框架，所述的太阳能转换部件安装在所述的安装框架上，所述的安装框架通过转轴与所述的支撑结构相联接，其特征在于：所述的自动跟踪太阳的太阳能设备还包括弹簧、盛有液体的平衡箱和自动控制系统；所述的弹簧一端联接所述的支撑结构上离开所述转轴的轴线一定距离处；另一端联接所述的安装框架上离开所述转轴的轴线一定距离处；所述的平衡箱安装在所述的安装框架上。
上述设备对太阳的跟踪是通过弹簧与平衡箱的力矩平衡状态变化而实现的，由于弹簧可伸可缩，能自动复位，因此实现了跟踪的完全自动化，可实行无人看管，同时，这种方案跟踪精度高、结构简单、造价低，适合各种规模的太阳能设备。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的第一实施例，采用水平跟踪方式的太阳能设备示意图；
图2为本发明的第二实施例，采用极轴跟踪方式的太阳能设备示意图；
图3为本发明控制部分中所采用的液体循环图的一个典型实施方式；
图4为光电探头9示意图；
图5为弹簧2采用扭转弹簧的示意图；
图6为本发明的控制电路图的一个具体方案。
根据图1所示的本发明的第一实施例，一种自动跟踪太阳的太阳能设备，包括支撑结构5、太阳能转换部件7和安装框架6，所述的太阳能转换部件7安装在所述的安装框架6上，所述的安装框架6通过转轴10与所述的支撑结构5相联接；所述的自动跟踪太阳的太阳能设备还包括自动控制系统，该自动控制系统包括光电探头9、液体循环系统和控制电路；所述的弹簧2一端联接所述的支撑结构5上离开所述转轴10的轴线一定距离处；另一端联接所述的安装框架6上离开所述转轴10的轴线一定距离处；所述的光电探头9安装在所述的安装框架6的上方；所述的液体循环系统包括储液箱3和使液体在所述平衡箱1与储液箱3之间循环的结构；所述的平衡箱1安装在所述的安装框架6上，其安装位置在与所述弹簧2与所述框架6的联接点相对的另一侧；所述的光电探头9将其接收的反映太阳方向的光信号转化为电信号后输入所述的控制电路，经所述控制电路处理后，通过所述液体循环系统调节所述平衡箱1中的液体重量，该液体重量与所述弹簧2的回复力相对于所述转轴10形成的力矩平衡状态随液体重量改变而改变，使太阳能转换部件7始终正对太阳方向。本实施例中，所述的转轴10的轴线处于水平位置。
上面所述的储液箱3可以安装在所述的支撑结构5上，也可以安装在地基上，还可以安装在设置在所述太阳能设备附近的其它固定物体上，图1和图2所示的两个实施例将储液箱3安装在支撑结构5上。
所述的液体循环系统所用的液体可以为水或其它常温下呈液态的液体，在天气寒冷的地区使用的最好采用防冻液体。
所述的光电探头9可以设计为图4所示的结构，包括外壳23、天窗玻璃22、光敏电阻24和挡板25，所述的外壳23的顶部有一个天窗，天窗玻璃22将此天窗封住；所述挡板25位于所述天窗正下部的底板上并垂直于所述底板，所述光敏电阻24位于所述挡板25的两侧对称分布。阳光通过光电探头顶部的天窗窄缝照在光敏电阻上，当太阳没有正对光电探头时，由于天窗及挡板的作用，照在两光敏电阻上的光强不同，两者的阻值也会不同，因此产生太阳方向信号。
如图3所示，所述的使液体在平衡箱1与储液箱3之间循环的结构包括导管4、电磁阀17、微型泵18和蓄电池，导管4联接于所述的平衡箱1和储液箱3之间，电磁阀17和微型泵18分别串接于两根导管4之间并与所述的控制电路和蓄电池相联接；所述的储液箱3包括上下两个部分，上部为储液室，下部为控制室，所述的电磁阀17、微型泵18、控制电路和蓄电池均安装在此控制室内。平衡箱1和储液箱3各有一进液端20及出液端21。平衡箱1的进液端20经导管4、微型泵18与储液箱3的出液端21相通；平衡箱1的出液端经导管4、电磁阀17与储液箱的进液端20相通；平衡箱1液面以上的空间与储液箱3液面以上的空间以导气管19相连通。所述蓄电池一方面接受太阳能转换部件或外部电源对其充电，一方面为控制电路及电磁阀和微型泵提供稳定的电源。
图2所示的本发明的第二实施例，为采用极轴跟踪方式的太阳能设备，其与第一实施例的区别在于，所述的转轴10的轴线处于南北方向与水平面呈一定角度的倾斜位置。
在如上所述的两个实施例中，所述的弹簧2均可设计为拉伸弹簧或压缩弹簧，也可以为扭转弹簧。如图5所示，若设计为扭转弹簧，则应将弹簧2的主体套在所述转轴10上，将一个端点联接在安装框架6上，另一个端点联接在支撑结构5上或者联接在与所述支撑结构5紧固联接的轴承架13上。若弹簧2为拉伸弹簧，则平衡箱1的安装位置在所述弹簧2与所述框架6的联接点相对的另一侧；若为压缩弹簧，则平衡箱1的安装位置与所述弹簧2与所述框架6的联接点同侧。
根据本发明，所述的转轴10的最佳位置应位于该设备安装框架6及其安装物之集合的重心位置。
图1装置的工作过程如下：框架6在弹簧2的拉力及平衡箱1的重力作用下，达到力矩平衡状态，保持稳定，当太阳高度相对于光电探头9偏高时，光电探头产生信号，放大后驱动电磁阀17开启，平衡箱1中的液体流入储液箱3中，平衡箱1重量减轻，弹簧2回复力力矩大于平衡箱1的重力力矩，弹簧2拉动框架6转动，同时弹簧2缩短，回复力减小，弹簧2的回复力力矩与平衡箱1的重力力矩达到新的平衡，直到光电探头9重新对准太阳，信号消失，电磁阀17关闭。当太阳高度相对于光电探头9偏低时，光电探头9产生信号，放大后驱动微型泵18工作，将储液箱8中的液体抽入平衡箱1中，平衡箱1重量增加，重力力矩大于回复力力矩，平衡箱1的重力压迫框架6转动，弹簧2伸长，回复力增大，使回复力力矩与平衡箱1的重力力矩达到新的平衡，直到光电探头9重新对准太阳，信号消失，微型泵18停止工作。
根据本发明的设计构思，很容易设计出控制电路的电路图，而且实现该控制目标的具体电路方案有很多，图6给出了一个具体的电路设计方案，该方案适合极轴跟踪方式。它主要要四部分电路组成：稳压、光电信号放大、廷时及间歇定时电路。图中虚线方框I为555单稳态延时电路部分，虚线方框II为555无稳态间歇定时电路部分。稳压电路将来自太阳能转换部件或外部电源的电压转变为控制电路所需的稳定电压及蓄电池所需的浮充电压。光电信号放大电路将来自光电探头的信号进行放大，一方面控制廷时电路及间歇定时电路的工作，一方面直接控制电磁阀的动作，使太阳能转换部件精确跟踪太阳。延时电路在光电放大电路的控制下，每天清晨产生一延时信号，控制微型泵工作，使太阳能转换部件由西转向东，复位。间歇定时电路产生周期性方波信号，控制电磁阀周期性地开启、关闭，使太阳能转换部件自动由东转向西，以一定的精度跟踪太阳。
图2装置及其控制电路的工作过程如下：在夜晚或早、晚光照较暗时，位于光电探头中的光敏电阻Rλ1、Rλ2阻值非常大，U1输入电平V+＜V-，U1输入低电平。I、II路555电路均复位，Q1截止，系统不工作。当早上光照渐强，Rλ1、Rλ2阻值逐渐减小到某一值时，U1输入端电平V+＞V-，U1输出高电平，I、II路555复位信号消失，Q1导通，系统开始工作。对于I路555单稳态延时电路，由于U1输出电平从低电平转变为高电平，有一个过程，因此在4脚复位电平上升到失去复位作用时，2脚触发电平仍低于1/3Vcc，从而触发I路555输出高电平，继电器J1吸合，接通微型泵工作，将液体从储液箱抽入到平衡箱中，平衡箱重量增加，压迫框架由西转向东，复位。同时，C3开始充电，当充到2/3Vcc时，I路555翻转，输出低电平，J1断开，微型泵停止工作，此时，平衡箱已充满液体，太阳能转换部件已完全复位到面向东。在U1输出高电平后，II路555也开始工作，输出周期性方波信号，继电器J1周期性吸合、释放，控制电磁阀定时定量将液体从平衡箱排入储液箱中，平衡箱的重量逐渐减轻，弹簧拉动框架由东转向西，跟随太阳转动。当光电探头取向相对于太阳方位偏西时，进入光电探头的光线主要落在光敏电阻Rλ2上，使Rλ2＜＜Rλ1，U2输出低电平，Q3截止。当光电探头取向相对于太阳方位偏东时，进入光电探头的光线主要落在光敏电阻Rλ1上，Rλ1＜＜Rλ2＜R3，U2输出高电平，Q3导通，J2吸合，接通电磁阀开启，平衡箱中的液体排到储液箱中，平衡箱重量减轻，弹簧在回复力作用下牵动框架向西转动，直到光电探头重新对准太阳为止，电磁阀关闭。
电阻R3与Rλ2并联，在阴雨或多云天气时，其并联阻值低于Rλ1的阻值，U2输出低电平，此时太阳能转换部件对太阳的跟踪由II路555间歇定时电路自动控制。调节R3，可以调节控制电路在怎样的光照强度下开始或停止工作。

Claims (6)

1.  一种自动跟踪太阳的太阳能设备，包括支撑结构(5)、太阳能转换部件(7)和安装框架(6)，所述的太阳能转换部件(7)安装在所述的安装框架(6)上，所述的安装框架(6)通过转轴(10)与所述的支撑结构(5)相联接，其特征在于：所述的自动跟踪太阳的太阳能设备还包括弹簧(2)、盛有液体的平衡箱(1)和自动控制系统；所述的弹簧(2)一端联接所述的支撑结构(5)上离开所述转轴(10)的轴线一定距离处；另一端联接所述的安装框架(6)上离开所述转轴(10)的轴线一定距离处；所述的平衡箱(1)安装在所述的安装框架(6)上。
2.  如权利要求1所述的自动跟踪太阳的太阳能设备，其特征在于：所述的自动控制系统包括光电探头(9)、液体循环系统和控制电路；所述的光电探头(9)安装在所述的安装框架(6)的上方；所述的光电探头(9)将其接收的反映太阳方向的光信号转化为电信号后输入所述的控制电路，经所述控制电路处理后，通过所述液体循环系统调节所述平衡箱(1)中的液体重量，该液体重量与所述弹簧(2)的回复力相对于所述转轴(10)形成的力矩平衡状态随液体重量改变而改变，使太阳能转换部件(7)始终正对太阳方向；所述的液体循环系统包括储液箱(3)和使液体在所述平衡箱(1)与储液箱(3)之间循环的结构。
3.  如权利要求2所述的自动跟踪太阳的太阳能设备，其特征在于：所述的储液箱(3)安装在所述的支撑结构(5)上或地基上；所述的使液体在平衡箱(1)与储液箱(3)之间循环的结构包括导管(4)、电磁阀(17)、微型泵(18)和蓄电池，导管(4)联接于所述的平衡箱(1)和储液箱(3)之间，电磁阀(17)和微型泵(18)分别串接于两根导管(4)之间并与所述的控制电路和蓄电池相联接。
4.  如权利要求2或3所述的自动跟踪太阳的太阳能设备，其特征在于：所述的储液箱(3)包括上下两个部分，上部为储液室，下部为控制室，所述的电磁阀(17)、微型泵(18)、控制电路和蓄电池均安装在此控制室内。
5.  如权利要求1至4中的任意一项所述的自动跟踪太阳的太阳能设备，其特征在于：所述的弹簧(2)可以为拉伸弹簧或压缩弹簧，也可以为扭转弹簧。
6.  如权利要求1至4中的任意一项所述的自动跟踪太阳的太阳能设备，其特征在于：所述的转轴(10)位于该设备安装框架(6)及其安装物之集合的重心位置。
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