CN203350723U - 太阳和卫星跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能满足太阳能工程和卫星极轴天线设使用要求的太阳和卫星跟踪装置，包括负载支架、跟踪传动机构及跟踪传动机构的基座，所述跟踪传动机构包括两根运动轴，一根是平行于地球自转轴的极轴，实现东西向运动，恒速连续跟踪时角的变化，另一根是与极轴相垂直的赤纬轴，实现南北向运动，以改变赤纬角；极轴和赤纬轴分别由极轴跟踪传动机构和赤纬轴跟踪传动机构驱动。本实用新型结构简单，成本较低，运行可靠，自身功耗小，可广泛应用于太阳能工程和卫星极轴天线设备中。

Description

太阳和卫星跟踪装置

技术领域

本实用新型涉及天体跟踪装置，尤其涉及一种主要应用于太阳能工程和卫星极轴天线设备中的太阳或卫星的跟踪装置。

背景技术

现代科学技术对天体（如太阳、星星）和人造空间移动体（如卫星、导弹和飞船）的跟踪已相当成熟，但是在特定的领域中，我们还必须考虑到它的制造成本，才能获得更好的应用价值。例如在太阳能光发电和热发电中，必需与常规能源比较其发电成本，并且逐步地缩小二者之间的差距，才得获得又环保又廉价的清洁能源，推动太阳能发电的应用。

要降低太阳能发电成本，降低跟踪仪器的成本至关重要。国内外的研究和试验表明：双轴跟踪与固定太阳电池板比较，可以提高35～40%的转换效率；在采用塔式太阳能热发电中，跟踪仪器（即定日镜）的成本要占整个发电系统成本的80%。因此，降低跟踪仪器的成本是减小太阳能总体发电成本的最有效途径。

现有跟踪系统主要由三大部分组成：机械传动部分、底座支架部分和控制器部分。在高端跟踪设备中，例如用于天文观察测量的一类仪器，它们的跟踪系统虽然能满足太阳能应用要求，但其结构复杂、价格昂贵，无法套用。在一些为应用于太阳能跟踪的专利文献中，如中国专利文献200510094900.8；200780050920.2中，大多采用地平式运动装置，其要求必须在方位角和高度角两个方向进行连续跟踪，而且机械传动机构都采用传统的减速方法，即用齿轮、蜗轮蜗杆付、凸轮、行星齿轮、平行四连杆机构等，所以其仪器结构仍然复杂，制造成本下降不大，总体成本还是较高；此外，也有专利文献如中国专利201010589870.9、201120174363.9等，提出使用电动推杆来实现对太阳跟踪和卫星极轴天线的驱动，但是由于受本身结构和使用方法的限制，此类技术方案只能适用于驱动小角度范围，不超过100度，对于高度角（0～90°）或者赤纬角（－23.5°～+23.5°）能满足要求，但对于方位角（±99°）和时角（±75°）不能满足，而且它们没有解决这类机构的一个致命弱点，就是运动部件裸露在外，封装麻烦，在雨雪天会导致生锈而无法工作。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能满足太阳能工程和卫星极轴天线设使用要求的太阳和卫星跟踪装置，其结构简单，成本较低，运行可靠，自身功耗小，可以应用于太阳能工程和卫星极轴天线设备中。

本实用新型的跟踪运动方式采用赤道式，它具有两根运动轴：一根是平行于地球自转轴的轴，即极轴，或称时角轴，实现东西向运动，跟踪时角的变化，以15角分/分钟的恒速运动连续跟踪太阳：另一根是与极轴相垂直的轴，即赤纬轴，实现南北向运动，以改变赤纬角，体现一年中太阳随季节的变化。

本实用新型与现有的地平式运动跟踪装置相比较，具有两大优点：一是跟踪的角度范围小，在同一时间跟踪条件下，如从早上8点关到下午5点，这有利于传动机构的应用；二是本实用新型只需对极轴进行连续跟踪，而对赤纬轴可间隔较长时间变动一次，由计算可知每天只需运动一次，即可满足精度要求，而在夏至及冬至季节甚至可以几天跟踪一次。而地平式装置必须对方位轴和高度轴进行连续驱动，才能保证跟踪太阳的精度要求。本实用新型的这两项优点，有利于传动机构简易化，並使相应的跟踪控制器能进一步精简。

具体来说，本实用新型包括负载支架、跟踪传动机构及固定安装跟踪传动机构的基座，所述跟踪传动机构包括跟踪时角变化的极轴，及与极轴相垂直的改变赤纬角的赤纬轴，极轴和赤纬轴分别由极轴跟踪传动机构和赤纬轴跟踪传动机构驱动，其中：

所述极轴跟踪传动机构包括极轴推杆、极轴连杆及极轴电机，极轴连杆的一端固定在极轴上，另一端通过一个轴承与极轴推杆的活动杆顶端相连，在极轴推杆的套筒处安装极轴万向轮，所述极轴万向轮的轴心线和极轴连杆端的轴承轴心线，均与极轴轴心线平行，并与极轴推杆轴心线垂直且相交；当极轴电机启动时，极轴推杆的活动杆在伸长或缩短的同时，绕极轴万向轮的轴心线作旋转运动，同时推动极轴连杆绕极轴轴心线作旋转运动，从而推动极轴运动。

所述赤纬轴跟踪传动机构与上述极轴跟踪传动机构基本相同，包括赤纬轴推杆、赤纬轴连杆，赤纬轴连杆的一端与赤纬轴紧固相连，另一端与赤纬轴推杆的活动杆顶端通过轴螺钉和轴承连在一起，赤纬轴连杆及赤纬轴推杆均绕轴承轴心线旋转，并与赤纬轴推杆轴线垂直相；将赤纬轴推杆紧固在赤纬轴万向轮上，赤纬轴万向轮的轴线与赤纬轴推杆的轴线垂直且相交，同时赤纬轴万向轮的轴线与赤纬轴轴线和轴螺钉轴线平行；当赤纬轴电机启动时，赤纬轴推杆的伸缩运动带动赤纬轴连杆绕赤纬轴轴线转动，继而带动赤纬轴运动。

本实用新型所述基座采用三腿式桁架式结构，即由前腿、后腿、侧杆及横杆构成支承架，在该支承架上装设前柱及后柱，前柱与后柱平行。极轴的两端的轴承座分别装设在前柱和后柱上；所述负载支架安装在赤纬轴上，赤纬轴通过一个连接支架安装在极轴上。所述基座如果使用角钢，可用螺钉连接；如果采用钢管，可用建筑用脚手架铰链连接，不需要焊接和加工，安装、运输方便。

此外，为了提高仪器的整体使用性能，本实用新型还进行了以下改进：

第一，在极轴一端的轴承座下设置极轴倾角的微调机构。极轴与地平面的夹角等于当地的纬度。由于安装误差和其它各种原因而产生的极轴倾角误差，会影响跟踪太阳及跟踪同步卫星的精度，所以，必须要有微调机构来消除。传统的方法是将微调机构装在底部或支架的脚上，需要安装三套。而本实用新型将微调机构设置在极轴一端的轴承座下,轴承座与微调顶紧固连接，微调顶置于微调杆上面，微调顶与微调杆之间平面接触，并用螺钉连接。所述微调杆与微调座的关系就相当于一个千斤顶，微调座固定于前柱上，当转动微调杆时，就能使它沿螺纹的轴向作上下运动，推动微调顶和轴承座也上下运动，极轴相对于另一端的轴承座，产生一个微小角度的旋转运动，使极轴达到正确的位置，在微调结束后，再将微调杆与微调顶之间用螺钉固紧。该微调机构不仅可防雨雪，而且机构数量只需要一套，结构简单、成本低、使用寿命长。

第二，所述推杆机构上套设折叠式防护罩。电动推杆是跟踪传动机构的关键部件，它在实现推动极轴及赤纬轴的运动过程中，不仅自身要随极轴和赤纬轴一起转动，而且还要沿本身轴线方向伸缩运动，它的伸缩杆是一个裸露在外，全天都在运动的移动体，要想封装，非常麻烦，这给室外使用带来困难。针对此问题，本实用新型在所述赤纬轴推杆及极轴推杆上均分别套设有折叠式防护罩，该折叠式防护罩为筒状伸缩节，其结构形式就像一只手风琴，其一端固定在推杆的套筒端口，另一端固定在推杆的活动杆顶端口，整体随推杆的伸缩动作而拉长或收缩。折叠式防护罩的最大长度和最小长度就是仪器在早晨起点位置和晚上终点位置时的两个极限位置状态，使推杆的活动杆完全置于折叠罩内，免遭雨水浸入，保护推杆内轴承、螺杆等零件不会生锈，折叠罩由橡胶模压而成，耐折叠、使用寿命长。

第三，设置平衡机构，使仪器在运动到最大范围时也不会发生碰撞。仪器的负载，如电池板，通常置于极轴的上方，为了平衡负载的重力，以极轴轴线为对称线，在极轴的下部对应于负载安装位置加装平衡块。当极轴转动时，两边的重力接近相等，而作用力方向却相反，使运动处于动平衡状态。加设了平衡机构，可减少驱动力矩，既可加大负载，又能节省自身功耗。加了平衡机构，就可减少驱动力矩，既可加大负载，又可节省自身功耗。

第四，为抗大风，所述基座的三脚处加固地脚螺栓，如果是屋面或其它不便打孔的地方，可用角钢或钢管将所有仪器连成一体，以增加抗风力。

最后，本实用新型的控制部分，可设计成一台控制器可控制多台仪器运行，以大大降低综合成本。所述跟踪传动机构自动控制系统，包括一台控制器，一台赤纬轴电机驱动器和若干台极轴电机驱动器，所述各台极轴电机驱动器对应于各跟踪装置的极轴电机电连接，所述赤纬轴电机驱动器通过一个继电器切换开关分别与各跟踪装置的赤纬轴电机电连接。所述控制器的电源、主控板、机箱等都只需要一套，通过多只驱动器来实现分别控制对应的极轴电机运动，以驱动各对应仪器的极轴转动；而赤纬轴不需要连续跟踪，它可以在一个短时间内分别完成对赤纬轴的驱动，采取一只驱动器和继电器切换功能，实现对各个电机的顺序驱动，而又不影响各仪器的运行精度，这样使控制器的结构更精简，成本进一步下降。

附图说明

图1是本实用新型总体结构示意图；

图2是本实用新型所述极轴倾角微调机构结构示意图；

图3是本实用新型所述控制器电路原理框图；

图4是本实用新型所采用的折叠罩和防护罩的结构示意图。

图1中：1-太阳电池板，2-赤纬轴，3-支架，4-赤纬轴连杆，5-赤纬轴电动推杆，6-赤纬轴轴镙钉，7-极轴，8-极轴连杆，9-极轴轴镙钉，10-极轴推杆，11-折叠罩，12-极轴万向轮，13-极轴电机，14-后腿，15-横杆，16-后柱，17-侧杆，18-平衡锤，19-防护罩，20-赤纬轴万向轮，21-赤纬轴电机，22-前柱，23-极轴微调机构，24-前腿，25-地脚镙栓；

图2中：7-极轴，71-极轴轴承座，231-微调顶，232-微调杆，233-微调座，22-前柱。

具体实施方式：

如图1所示，作为本实用新型的一个实施例，这是一台由双轴驱动的赤道式运动装置，其负载为太阳能电池板1，它通过背架和支座安装在赤纬轴2上，而支撑赤纬轴2的支架3，安装在极轴7上，极轴7通过其两端轴承座分别固定在前柱22和后柱16上，极轴的安装倾角Φ，即为其与地平面的夹角为当地的纬度，在南京Φ=32°，太阳电池板的最佳倾角为β，两者关系如下式所示：

β=Φ-δ

此式表示是正午时的最佳倾角，此时的太阳能电池板1的法线与太阳光的入射线平行，而该式中的赤纬角δ可由下式得到近似值：

$\mathrm{\δ}=(23+\frac{27}{60})\·\mathrm{Sin}(360\·\frac{284+n}{365})$

此式的单位为度，最大偏差22′，式中n为一年中某一日的排序，如春分日n=81.由以上两式便可计算出任一天的太阳能电池板1的最佳倾角值。而β值的改变是由转动赤纬轴完成的。

如图1所示，由赤纬轴连杆4和赤纬轴电动推杆5组成的传动机构来实现对赤纬轴2的驱动。其具体结构是：赤纬轴连杆4一端与赤纬轴2相连，另一端与赤纬轴电动推杆5通过一个赤纬轴轴螺钉6连接在一起。赤纬轴轴螺钉6下面有一个轴承，使二者（赤纬轴连杆4和赤纬轴电动推杆5）都围绕此轴承轴线作旋转运动。赤纬轴电动推杆5装设在赤纬轴万向轮20上，赤纬轴万向轮20的底板固定不动。要保证赤纬轴万向轮20的轴线与赤纬轴轴螺钉6的轴线都与赤纬轴电动推杆5的轴线垂直且相交，而且还要求赤纬轴万向轮20和赤纬轴轴螺钉6的轴线与赤纬轴2的轴线相互平行，这样才能实现高效、灵活地在大角度范围内运行。当赤纬轴电机21从光电信号发生器得到驱动信号而开始转动时，使赤纬轴电动推杆5伸长或收缩，从而使赤纬轴连杆4在推力或拉力作用下，绕赤纬轴2中心线旋转，而同时也带动赤纬轴2转动，使装在赤纬轴2上面的太阳能电池板1转到所要求的位置，以保证太阳能电池板1的法线与太阳光入射线相平行，而获得最大的太阳光能量。

时角的改变是极轴电机13驱动实现的，由极轴连杆8和极轴推杆10组成的传动机构可以推动极轴7转动，其传动机构的动作原理同赤纬轴传动机构一样。极轴连杆8一端与极轴7相连，另一端通过轴承和极轴轴螺钉9与极轴推杆10相连，极轴推杆10装在极轴万向轮12上，极轴万向轮12装在后柱16上。要求极轴7轴线O₁O₁，极轴万向轮12轴线O₂O₂，极轴轴螺钉9轴线O₃O₃相互平行，且轴线O₂O₂和O₃O₃还要与极轴推杆10轴线O₄O₄垂直且相交。当光电信号发生器对极轴电机3发出转动指令时，极轴电机13的运动将使极轴推杆10在绕极轴万向轮12轴线O₂O₂旋转的同时，又进行沿极轴推杆10轴线O₄O₄的伸缩运动，推动极轴连杆8绕极轴7轴线O₁O₁旋转，带动极轴7以360°/24小时或15′/分钟的恒速驱动，实现120°～135°的大角度范围运行，冬天可连续跟踪8小时，夏天可长达9小时，跟踪精度可达0.1°～0.05°，全天累积跟踪误差在1.5°以内，完全能满足太阳能工程的使用要求。

如图1所示，本实用新型的底座部分采用三腿式桁架支撑机构，它由前腿24，后腿14，侧杆17，横杆15构成支承架，而前柱22及后柱16装在该支承架上，前柱22与后柱16平行，且其与地面的倾角粗装为（90°－φ），φ为当地纬度，极轴7的轴承座装设在前柱和后柱上，前、后柱的高度差就确定了极轴7的安装倾角，所以可以用来粗调极轴倾角φ。支承架可用角钢，也可以用钢管，这根据负载的大小确定，使用角钢时用螺钉固定，使用钢管时采用建筑用脚手架铰链连接，整个支承部分不需要焊接。

如图1所示，以极轴7轴线O₁O₁为对称线，在极轴7的下部对应于太阳能电池板1加装了平衡块18，这有利于运动平稳运行，并可加大负载，减小自身的功耗，提高综合性能。

为抗大风，在支承架的三脚处加固地脚螺栓25，如果是装在屋顶或其它不便打孔的地方，可用角钢将所有仪器连成一体，以增加抗风力。

如图1、2所示，极轴7的倾角微调机构的具体结构如下：在极轴7左端的轴承座71下面安装极轴微调机构23，该极轴微调机构23包括微调顶231、微调杆232及微调座233，微调顶231与轴承座71相连，微调顶231置于微调杆232上面，微调杆232与微调座233就相当于一付千斤顶，微调座233固定在前柱22上；当微调杆232旋转时，就会垂直上下移动，从而带动轴承座71也上下移动，由于在极轴处装的是可调心轴承，左端的轴承座就能相对于右端的轴承座产生一个微小角度的变化（≤±3°），使极轴7保持正确的位置，以利于对太阳的精确跟踪。由于该机构置于极轴的轴承座下，与传统的方法置于支架三脚下相比，不仅能防雨，增加使用寿命，而且数量只需要一套，成本也能降低，调节也方便。

本实用新型所采用的折叠罩11和防护罩19均为折叠式防雨罩，分别是为极轴推杆10和赤纬轴电动推杆5专门研制的防雨工具，其具体结构为如图4所示的筒状伸缩节，可随推杆的伸缩动作而拉长或收缩。该筒状伸缩节的一端固定在推杆的套筒端口，另一端固定在推杆的活动杆顶端口，将推杆内部零件密封起来，免遭雨雪渗入锈蚀，。该筒状伸缩节可由橡胶模压而成，左端其结构简单而实用，使用寿命也长。

如图3所示，作为具体实施方式之一，本实用新型可采用一台控制器控制四台仪器运行，由主控部分分别发出改变时角和赤纬角的指令，再由驱动器A、B、C、D分别执行各装置的对应极轴电机转动到要求的位置，以实现极轴的连续驱动。由于赤纬轴不需要连续跟踪，它最多每天运行一次，在冬至和夏至季节甚至可以几天运行一次，所以只需要一个驱动器E，配合继电器进行切换，就能实现对赤纬轴，在每日的一个固定时刻，定期跟踪，这样使控制器的成本可以下降，而又能保证控制要求。

Claims (8)

1.一种太阳和卫星跟踪装置，包括负载支架、跟踪传动机构、固定安装跟踪传动机构的基座，以及跟踪传动机构自动控制系统，所述跟踪传动机构包括跟踪时角变化的极轴，及与极轴相垂直的改变赤纬角的赤纬轴，极轴和赤纬轴分别由极轴跟踪传动机构和赤纬轴跟踪传动机构驱动，其特征在于：

所述极轴跟踪传动机构包括极轴推杆、极轴连杆及极轴电机，极轴连杆的一端固定在极轴上，另一端通过一个轴承与极轴推杆的活动杆顶端相连，在极轴推杆的套筒处安装极轴万向轮，所述极轴万向轮的轴心线和极轴连杆端的轴承轴心线，均与极轴轴心线平行，并与极轴推杆轴心线垂直且相交；当极轴电机启动时，极轴推杆的活动杆在伸长或缩短的同时，绕极轴万向轮的轴心线作旋转运动，同时推动极轴连杆绕极轴轴心线作旋转运动，从而推动极轴运动；

所述赤纬轴跟踪传动机构包括赤纬轴推杆、赤纬轴连杆，赤纬轴连杆的一端与赤纬轴紧固相连，另一端与赤纬轴推杆的活动杆顶端通过轴螺钉和轴承连在一起，赤纬轴连杆及赤纬轴推杆均绕轴承轴心线旋转，并与赤纬轴推杆轴线垂直相；将赤纬轴推杆紧固在赤纬轴万向轮上，赤纬轴万向轮的轴线与赤纬轴推杆的轴线垂直且相交，同时赤纬轴万向轮的轴线与赤纬轴轴线和轴螺钉轴线平行；当赤纬轴电机启动时，赤纬轴推杆的伸缩运动带动赤纬轴连杆绕赤纬轴轴线转动，继而带动赤纬轴运动。

2.根据权利要求1所述的太阳和卫星跟踪装置，其特征在于：所述基座为三腿式桁架支撑机构，即由前腿、后腿、侧杆及横杆构成支承架，在该支承架上装设前柱及后柱，前柱与后柱平行；极轴的两端的轴承座分别装设在前柱和后柱上；所述负载支架安装在赤纬轴上，赤纬轴通过一连接支架安装在极轴上。

3.根据权利要求1所述的太阳和卫星跟踪装置，其特征在于：在极轴一端的轴承座下设置极轴倾角的微调机构。

4.根据权利要求3所述的太阳和卫星跟踪装置，其特征在于：所述极轴倾角的微调机构包括微调顶、微调杆及微调座；轴承座与微调顶紧固连接，微调顶置于微调杆上面，微调顶与微调杆之间平面接触；微调座固定于负载支架上；当转动微调杆时，所述微调杆沿其内螺纹轴向作上下运动，推动微调顶和轴承座上下运动，极轴相对于另一端的轴承座，产生一个微小角度的旋转运动。

5.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的太阳和卫星跟踪装置，其特征在于：所述赤纬轴推杆及极轴推杆上均分别套设有折叠式防护罩，该折叠式防护罩为筒状伸缩节，其一端固定在推杆的套筒端口，另一端固定在推杆的活动杆顶端口，整体随推杆的伸缩动作而拉长或收缩。

6.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的太阳和卫星跟踪装置，其特征在于：以极轴轴线为对称线，在极轴的下部对应于负载安装位置加装平衡块。

7.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的太阳和卫星跟踪装置，其特征在于：所述基座的三脚处加固地脚螺栓。

8.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的太阳和卫星跟踪装置，其特征在于：所述跟踪传动机构自动控制系统，包括一台控制器，一台赤纬轴电机驱动器和若干台极轴电机驱动器，所述各台极轴电机驱动器对应于各跟踪装置的极轴电机电连接，所述赤纬轴电机驱动器通过一个继电器切换开关分别与各跟踪装置的赤纬轴电机电连接。

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