CN200975792Y

CN200975792Y - 向日追踪装置

Info

Publication number: CN200975792Y
Application number: CNU2006201662607U
Authority: CN
Inventors: 李晶; 王志远; 余四祥
Original assignee: BEIJING CO-CHANCE Co Ltd
Current assignee: Beijing Keqiang Technology Co., Ltd.
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2016-12-13

Abstract

本实用新型公开了一种向日追踪装置，其特征在于，包括支架(4)、支腿(3a)、用于设置太阳能电池板的支承装置(10)、用于使所述支承装置(10)转动的传动结构、电机和控制电路，所述传动结构采用包括相互啮合的齿轮(6)与销轮(8)的销齿传动机构。根据本实用新型的向日追踪装置便于维修、并能够节省运行功率。

Description

向日追踪装置

技术领域

本实用新型涉及一种向日追踪装置，尤其涉及一种低功耗且造价低廉易于维修的向日追踪装置。

背景技术

国外太阳能电站的建设非常普遍，基本上都是固定安装方式。一般利用空地、建筑物外墙、楼顶等可利用的空间安装太阳能太阳能电池板。

国内太阳能电站多数限于新疆、内蒙、黑龙江等普通电力不足的边远地区使用。此外，国内的太阳能电站基本上都是固定安装方式。

采用固定安装方式的太阳能电站，全天的有效日照时间约为5小时，在其余日照时间内，因太阳光光强不足以及阳光入射角小的原因而导致发电量大幅度下降甚至停止发电。因此，人们开始研究并试图应用一种能够在有效日照时间内，使太阳能电池板跟随太阳运动的轨迹而旋转，以保持阳光与太阳能太阳能电池板相对垂直，从而提供有效日照时间的向日追踪装置。但迄今为止，始终没有形成实用的产品，其主要原因是现有的向日追踪装置本身电能消耗很大(如：仅电机耗能最低就达90瓦，用于控制电机的控制电路也需几十瓦)，因此，向日追踪装置的太阳能电池板因采用追踪太阳技术而多发的电能，很大部分被向日追踪装置本身消耗了，因此失去了实用价值。例如在目前研发出的向日追踪装置中，向日追踪装置消耗的电能一般约占增加的发电量的41.74％以上。因此这种向日追踪装置不具有实用性。

另外，在现有技术的向日追踪装置中，采用的是通用的齿轮、丝杠和谐波减速机等传动结构。因此，在齿轮等传动部件受到损坏或需要更新时，不得不更换整个齿轮箱、丝杠副或减速机，从而增加了人力和物力成本。

因此，需要一种价格低廉并能够节省运行功率的向日追踪装置。

实用新型内容

实用新型的目的在于解决现有技术中的上述不足，进而提供一种便于维修、并能够节省运行功率的向日追踪装置。

为此，本实用新型提供了这样一种向日追踪装置，该向日追踪装置可包括支架、支腿、用于设置太阳能电池板的支承装置、用于使所述支承装置转动的传动结构、超低能耗电机和控制电路，所述传动结构采用包括相互啮合的齿轮与销轮的销齿传动机构。

优选地，所述齿轮设置于蜗轮蜗杆减速机上，在所述蜗轮蜗杆减速机的主动轴与所述蜗轮蜗杆减速机相接合的部位设置有由聚四氟乙烯、或聚甲醛制成的油封部件。

优选地，所述向日追踪装置具有的控制电路包括追踪电路、驱动电路和电机，其中，所述控制电路还包括：小信号切除电路，用于从所述追踪电路接收输入，将所述输入与预设值进行比较，并根据比较的结果输出不同电平的信号；以及联锁电路，接收所述不同电平的信号，并根据所接收的不同电平的信号使所述驱动电路上电或断电。在所述联锁电路和所述驱动电路之间具有用于控制所述驱动电路上电或断电的第一开关电路。

在本实用新型中，与现有技术的普通齿轮传动机构相比，销齿传动机构的传动比大(单级最大可达1∶87，本装置中传动比为1∶204)，传动效率高(0.92～0.97)，并能工作于恶劣环境下，造价低廉，易于加工制造，特别是当长期摩擦等原因造成销子磨损或损坏时，只需更换销子即可，不必更换整个销轮，在偏僻地区应用时这是齿轮传动无法相比的。

另外，由于采用了与蜗轮蜗杆主动轴之间产生较小阻力的材料用作油封部件，与现有技术的常采用的橡胶油封部件相比，可以极大地降低油封部件在蜗轮蜗杆主动轴上产生的阻力。也就是说，需要电机输入的扭矩显著减少，因此，可以采用小功率和小扭矩电机，以及低功耗控制电路，整个向日追踪装置的总功耗也极大降低。

由于根据本实用新型的控制电路包括小信号切除电路和第一开关电路，所以只有在需要追踪太阳太阳时，才对驱动器供电使其工作，这样降低了控制电路的功耗，从而将低了整个向日追踪装置的功耗。

附图说明

图1所示为根据本实用新型的一个优选实施方式向日追踪装置的系统结构框图；

图2所示为根据本实用新型的一个优选实施方式的向日追踪装置的机械结构部分的截面图，以及部分I和部分II的放大示意图；

图3为用于示意性地示出本实用新型的向日追踪装置的销齿传动结构和油封部件的安装示意图，其中，为了清楚的目的，省略了一些部件；

图4为示意性地示出根据本实用新型的优选实施方式的控制电路的方框图；

图5为图4中所示的联锁电路的一个实施例的局部示意图；以及

图6为图4中所示的第一开关电路与其它各部件的相互连接的示意图，其中，为了简化省略了一些元件。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本实用新型的优选实施方式。

如图1所示，根据本实用新型的向日追踪装置1000包括机械结构部分100和控制电路200。其中，控制电路200通过其包括的电机207驱动机械结构部分100根据太阳的位置进行旋转。电机207采用超低功耗的电机，由于其为公知的技术，因此在下面不再赘述。

如图1所示，机械部分100包括底架1和丝杠2。与底架1和丝杠2相连的分别是支腿3a和3b。底架1的作用和结构与现有技术相同。丝杠2可以通过手动或电动的方式在水平方向(用附图标号A表示)移动，从而带动支腿3b移动。支腿3b的移动使支腿3a相应移动，这样就使得支腿3a与底架1之间的夹角β发生改变，以使机械部分100上载有的太阳电池板40与太阳方向基本保持垂直，从而获得最大光能。仰角β可以根据需要固定设置，例如可以随季节的不同可以将仰角β调整为不同的角度，例如，根据冬至、春分/秋分、夏至三个不同的季节将仰角β设置为三个固定的角度，或者根据需要将仰角β设置为一个固定的角度后不再改变。在本实用新型的优选实施方式中，仰角β被固定设置为45度后不再改变，而只改变太阳电池板40与太阳之间的方位角(这将在下面详细描述)。由于改变夹角β为公知的技术，所以在此不再赘述。

支架4的一端固定于支腿3a，而另一端通过上轴承接合部分14与主轴9的一端接合。主轴9的另一端固定于支腿3a的端部。在主轴9邻近于支腿3a的端部位置设置有下轴承接合部分15。销轮8通过紧配合压入的方式与下轴承接合部分15相接合。其中上轴承接合部分14和下轴承接合部分15分别包含有常规的上轴承部件25和下轴承部件26。由于上轴承部件25和下轴承部件26与其相关联的部件可以采用任意常规的技术来接合，所以不再赘述。

用于设置太阳能电池板40的支承装置10的一端通过支承连接架13以紧配合压入的方式与上轴承接合部分14接合，而支承装置10的另一端直接与销轮8相接触。主轴9是上、下轴承部件旋转的轴线，并同时也是C形架4对太阳能电池板支撑的联接件。此外，在支承装置10设置太阳能电池板40的周围设置还可以具有抗风用的过风孔(未示出)。

支架4的形状可以根据需要来定制，但优选为如图2所示的“C”形结构，以提高抗风和抗震能力。

在支腿3a上设置有常规的减速机5。减速机5具有的齿轮6通过设置在销轮8上的销子7而与销轮8啮合。这样销轮8和齿轮6就构成了协调配合工作的销齿传动机构。应该理解的是，销轮8的形状可以根据需要制造成各种形状，例如为了美观将其制造为半圆形状。

减速机5由常规的蜗轮蜗杆主动轴30(参见图3)驱动，并因此带动通过键联接设置在减速机5上的齿轮6旋转。齿轮6的旋转通过销轮8上的销子7，而使销轮8以方向B或相反方向(即，垂直于纸面的方向)转动。这样，通过上轴承部件25和下轴承部件26，支承装置10以与销轮8相同的旋转方向旋转。换言之，通过调整支承装置10的旋转，相应调整了设置在其上的太阳能电池板40相对于太阳的方位角，即，使太阳能电池板40与太阳基本保持垂直，以获得最大发电量。

蜗轮蜗杆主动轴30穿过减速机5的油封部件20的中心开口。由于油封部件20的中心开口的直径略小于蜗轮蜗杆主动轴30的直径，因此油封部件20以紧接触的方式包覆在蜗轮蜗杆主动轴30上，以将减速机5和外界密封隔开。在该实施方式中，油封部件20由与蜗轮蜗杆主动轴30产生很小阻力的自润滑材料制成，这种材料优选地为聚四氟乙烯、或聚甲醛。

机械结构部分100上还具有用来加固销轮8的加长杆12，用来提高销轮8的抗风和抗震能力。在支架4上可以设置用于指示支腿3a相对于地平面的夹角β的刻度指示盘16。虽然在图2中将刻度指示盘16设置于支架4相对于支承装置10的一侧，但是可以根据需要将刻度指示盘16设置在机械结构部分100的其他任意位置。

此外，机械结构部分100还包括本领域中公知的配重(图中未示出)以及用于限制支承装置10东西旋转的极限位置的行程开关等部件。

下面将参照图4详细描述控制电路200的结构及其工作原理。控制电路200包括追踪电路201、联锁电路202、小信号切除电路203、驱动电路204和第一开关电路205。

控制电路200可以从太阳方位角探测器(图中未示出)接收多路信号，但为了描述简便，在图示的实施方式中以四路信号，即方位角信号Xs-1和Xs-2以及追赶信号Xs-4为例来对控制电路200进行说明。

追踪电路201包括电流/电压转换单元2011、运算单元2012和比较单元2013。

电流/电压转换单元2011从太阳方位角探测器的方位角探测单元(未示出)接收表示太阳方位角的电流信号Xs-1和Xs-2，并把输入的电流信号Xs-1和Xs-2转换为两个电压信号A和B。运算单元2012首先对电压信号A和B进行减法和加法操作，并接着对相减和相加的结果进行除法操作后输出信号C。运算单元2012执行的操作可用下式表示：

C＝(B-A)/(B+A)

接着，在比较单元2013中将信号C与预先设定的值进行比较。例如，当信号C的电平值大于20％时，比较单元2013的第一输出D为低电平，第二输出E为高电平。当信号C的电平值小于-20％时，第一输出D为高电平，第二输出E为低电平。当信号C的电平值在-20％至20％之间时，第一输出D和第二输出E都为低电平。

联锁电路202接收第一输出D和第二输出E，并向驱动电路204输出控制电机90旋转的控制信号。联锁电路202还根据第一输出D和第二输出控制第一开关电路205的开(ON)和断(OFF)，从而控制驱动电路204的上电和断电。

如图5所示为联锁电路202的一个实施例。联锁电路202包括四RS触发单元芯片CD4043(即，IC7)、四与门芯片CD4081(即，IC8)和其他相关电路。当第二输出E为高电平(第一输出D为低电平)时，联锁电路202向第一开关电路205输出高电平。相反，当第一输出D为高电平(第二输出E为低电平)时，联锁电路202向第一开关电路205输出低电平信号。由于CD4043和CD4081都是属于公知的技术，因此，在本文中对其结构和原理不再赘述。本领域的技术人员应该理解，还可以使用其他的公知芯片(如74HC系列)和元件来实现联锁电路202。

优选地，第一开关电路205包括晶体管T3和继电器K1，如图6所示。晶体管T3的发射极与第二开关电路209相连；晶体管T3的基极与联锁电路202相连；晶体管T3的集电极与继电器K1相连。在第二开关电路209(参见图6)导通的情况下(即晶体管T3与外部工作电源相连)，当第一开关电路205从联锁电路202接收到高电平信号时，继电器K1导通，驱动电路204上电，同时，驱动电路204与和其相连的脉冲发生电路208导通。这样，驱动电路204从脉冲发生电路208接收驱动脉冲，并根据从联锁电路202接收的控制信号使步进电机207旋转。电机207旋转则驱使蜗轮蜗杆主动轴30(参见图3)转动，以使得设置在减速机5上的齿轮6转动，从而带动销轮8转动。

当联锁电路202向第一开关电路205的输出为低电平时(即不需要进行追踪太阳时)，晶体管T3为断开状态，这样就切断了提供至驱动电路204的电源和脉冲。因此，只有在需要追踪太阳太阳时，才对驱动电路204供电使其工作，从而节约了电功率，降低了整个控制电路200的功耗。由于晶体管T3和继电器K1都为公知的技术，因此对其工作原理不再赘述。所有导通电流大于100毫安的NPN晶体管、以及集成电路中的输出灌电流大于100毫安的任何非门电路来代替上述的晶体管T3和继电器K1。

小信号切除电路203从追踪电路201的电流/电压转换单元2011接收经过转换的电压信号A和B。加法单元2031对接收的电压信号A和B进行加法操作，并将相加的结果输入到比较单元2032中与预先设置的值(例如，0.15)进行比较，以确定是否超过该设先的值。如超过，比较单元2032向联锁电路202输出高电平，否则向联锁电路202输出低电平。如果比较单元2032的输出为低电平，则联锁电路202将追踪电路201的输出E屏蔽掉，这样联锁电路202向第一开关电路205的输出为低电平。相应地，不对驱动电路204上电。这样，可以避免当例如在太阳光强不足(如阴天)的情况下，太阳方位角探测器对周围的其它干扰光源(如灯光、照明弹等)敏感而将其误认为是太阳，而使向日追踪电路201接收到错误的方位信号，以使向日追踪装置误追踪干扰光源。

控制电路200还可包括追赶电路206。如上所述，小信号切除电路203使得当光强没有达到设定值(例如阴天或太阳被云彩挡住)时，使驱动电路204不工作，即向日追踪装置1000不实施向日追踪。如果在太阳方位角探测器的探测范围(即“失的角度”)之外光强再次达到追赶设定值(例如，30％)时，表示太阳方位的平面超前太阳能电池板40的法线之间的角度不超过最大追踪范围(例如在该实施方是为160°)，但已超过失的角度时，追赶电路206强制向日追踪装置1000正转去追赶太阳。在本文中，“失的角度”指太阳方位角探测器失去目标的角度。例如，阴天无太阳时向日追踪装置不追踪，待太阳出来后，如太阳超前太阳能电池板40的法线的角度超过此失的角度，则向日追踪装置因太阳方位角探测器失去目标，而不能根据太阳方位角探测器的信号正确追踪太阳。这时，太阳方位角探测器探测到太阳后，通过追赶电路206使电机207正转驱动向日追踪装置1000去追赶太阳。当追赶到失的角度之内后，控制电路200恢复正常的向日追踪。优选地，失的角度不小于45°。

具体地说，追赶电路206从太阳方位角探测器的追赶探测单元(未示出)接收表示追赶的电流信号Xs-4。追赶电路206的电流/电压转换单元2061将所接收的电流信号Xs-4转换为电压信号后，输入到比较单元2062中与预先设定的值(30％)进行比较，以确定是否需要追赶。如果比较的结果是大于预先设定的值，则比较单元2062向联锁电路202输出表示“追赶”信号的电平(例如，高电平)。联锁电路202在接收到该高电平信号后向第一开关电路205输出表示“正转”的高电平，以使第一开关电路205导通从而使驱动电路204上电工作，从而驱动电机207使向日追踪装置1000追赶太阳。当追赶到失的角度之内后(即，经过转换为电压的信号Xs-4小于预定的值)，控制电路200停止追赶功能。

此外，控制电路200还可包括第二开关电路209。第二开关电路209可根据需要包括东侧行程开关、西侧行程开关、反转启动手动开关、反转停止手动开关、开机手动开关和正转手动开关中的一个或多个。

东侧行程开关和西侧行程开关用来限制向日追踪装置的东西旋转极限位置。当太阳接近落山时，向日追踪装置转到西侧极限位置，向日追踪装置的西侧挡板碰上西侧行程开关，西侧行程开关断开使向日追踪装置自西向东反转，直至向日追踪装置的东侧挡板碰上东侧行程开关，东侧行程开关断开使向日追踪装置停止反转，恢复追踪状态，迎接次日太阳的升起。

在这里需要说明的是“反转”表示自西向东的旋转，其运行和停止分别用反转启动手动开关和反转停止手动开关来控制，以保证向日追踪装置转到东侧极限时可以自动停止。“正转”表示自东向西的旋转，用正转手动开关控制，按下即运行，抬起即停止。其中，在所有的启动开关或停止开关中，用于“反转”的开关的优先级最高。当需要维修等特殊情况时，还可以通过反转手动启动开关和反转停止手动开关使向日追踪装置的太阳能电池板处于特定位置，以便于维修操作。

控制电路200正常工作时，如有特殊原因(如突然阴天，或需要维修系统等)需要进入“关机”状态时，可以先按下反转手动开关，然后再搬动东侧行程开关，则控制电路200即关机。

以上虽然例举了多个手动操作开关，但是本领域的普通技术人员应该理解，可以根据实际的需要而选择使用这些开关中的一个或多个。

此外，根据本实用新型的控制电路200还可以包括输出转矩扩展单元(未示出)。输出转矩扩展单元从驱动电路204接收控制输入，并根据接收到的控制输入驱动与之相连的电机207的操作。输出转矩扩展单元的作用是在某种特定条件下(如非标设计)需要增加系统的输出转矩时使用，以改变配制的电机以增加输出力矩。在这里需要注意的是，当与输出转矩扩展单元相连的电机改变时，可能需要同时对控制电路的供电电压做相应调整。

根据本实用新型的控制电路200还可包括钟控单元(未示出)。钟控单元与第二开关电路209相连，并包括时钟反转接点和时钟开机接点，分别用于按照设定的时间为控制电路发出“反转”信号和“开机”信号。

钟控单元可设置开机时间和关机时间。控制电路200在夜间处于关机状态。当时钟到达开机时间时，钟控单元向控制电路200发出开机信号；而当太阳追踪装置由于某种原因，而没有在黄昏返回东侧(迎接次日太阳升起的位置)时，或钟控单元设置的时钟到达关机时间时，钟控单元通过反转接点向控制电路200发出反转信号，使向日追踪装置返回东侧实现自动关机。钟控单元由自带的2节1号电池供电。钟控单元早上的开机信号和晚上的关机信号，分别由两个不同的通道输出。

以上虽然根据本实用新型的优选实施方式进行了描述，但是本领域的技术人员应该理解，根据以上公开的内容及其教导，可以对本实用新型作出各种修改，这些修改均应视为落入本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种向日追踪装置，其特征在于，所述向日追踪装置包括支架(4)、支腿(3a)、用于设置太阳能电池板(40)的支承装置(10)、用于使所述支承装置(10)转动的传动结构、超低能耗的电机(207)和控制电路(200)，其中，所述传动结构采用包括相互啮合的齿轮(6)与销轮(8)的销齿传动机构。

2如权利要求1所述的向日追踪装置，其中，所述齿轮(6)设置于蜗轮蜗杆减速机(5)上，在所述蜗轮蜗杆减速机(5)的主动轴(30)与所述蜗轮蜗杆减速机(5)相接合的部位设置有由聚四氟乙烯、或聚甲醛制成的油封部件(20)。

3.如权利要求2所述的向日追踪装置，其中，所述销轮(8)和所述支架(4)分别与上轴承接合部分(14)和下轴承接合部分(15)接合，所述上轴承接合部分(14)与主轴(9)的一端接合，所述主轴(9)的另一端固定于所述支腿(3a)的端部。

4.如权利要求1所述的向日追踪装置，其中，在所述太阳能电池板(40)的周围设置有过风孔。

5.如权利要求1所述的向日追踪装置，其中，在所述支架(4)和支腿(3a)之间形成能够根据季节调整的夹角。

6.如权利要求1所述的向日追踪装置，其中，在每天的向日追踪过程中，所述支架(4)和支腿(3a)之间形成固定不变的夹角。

7.如权利要求1-6中任一项所述的向日追踪装置，其中，所述控制电路(200)包括追踪电路(201)、驱动电路(204)和电机(207)，其特征在于，所述控制电路(200)还包括：

小信号切除电路(203)，用于从所述追踪电路(201)接收输入，将所述输入与预设值进行比较，并根据比较的结果输出不同电平的信号；以及

联锁电路(202)，接收所述不同电平的信号，并根据所接收的不同电平的信号使所述驱动电路(204)上电或断电。

8.如权利要求7所述的控制电路，其中，在所述联锁电路(201)和所述驱动电路(204)之间具有用于控制所述驱动电路(204)上电或断电的第一开关电路(205)。

9.如权利要求8所述的控制电路，其中，所述第一开关电路(205)包括晶体管和继电器。

10.如权利要求9所述的控制电路，其中，所述晶体管的基极与所述联锁电路相连，所述晶体管的集电极与所述继电器相连，所述晶体管的发射极通过第二开关电路(209)与外部工作电源相连。

11.如权利要求10所述的控制电路，其中，所述第二开关电路(209)包括东侧行程开关、西侧行程开关、反转启动手动开关、反转停止手动开关、开机手动开关和正转手动开关中的一个或多个。

12.如权利要求10所述的控制电路，其中，所述驱动电路(204)通过所述继电器与脉冲发生电路(208)相连。

13.如权利要求10所述的控制电路，其中，所述第二开关电路(205)还连接有用于控制所述向日追踪装置的开关机时间的钟控单元。

14.如权利要求8所述的控制电路，其中，所述控制电路还包括追赶电路(206)，所述追赶电路从太阳方位角探测器接收信号，并将所接收的信号与预先设定的值进行比较，以向所述联锁电路(202)输出比较结果，所述联锁电路(202)根据所接收到的比较结果，导通或断开所述第一开关电路(205)。

15.如权利要求8所述的控制电路，其中，所述驱动电路(204)和所述电机(207)之间连接有扩展单元。