CN2554561Y - 用同步电机自动跟踪太阳的太阳能装置 - Google Patents

Abstract

一种用同步电机自动跟踪太阳的太阳能装置，包括太阳能收集装置〔1〕，纬度设置基座〔2〕，自动跟踪平台〔3〕，交流同步电机〔4〕，减速齿轮箱〔5〕以及通过自动跟踪平台的主轴〔6〕和副轴〔7〕。其中纬度设置基座〔2〕的南北倾角与当地的地理纬度相等；自动跟踪平台〔3〕上有互相垂直的两根旋转轴：与基座〔2〕机械连接的主轴〔6〕(它在同步电机的驱动和控制下带动太阳能收集装置〔1〕作东西方向与太阳同步的转动)和与太阳能收集装置机械连接的副轴〔7〕，以及在聚焦型太阳能装置中为平衡抛物面反射镜的力矩而设置的重垂(8)。

Description

用同步电机自动跟踪太阳的太阳能装置

本实用新型涉及一种用微型交流同步电机自动跟踪太阳的太阳能装置。

太阳能的利用由来已久。太阳能电池、太阳能热水箱、太阳灶等都是成功的应用项目。在现有的太阳能设备中，大多缺乏对太阳的自动跟踪功能，以至随着太阳每天、每季节位置的变化，太阳光投射到太阳能设备受光面的角度发生变化，太阳能利用的效率大受影响。为解决这一问题，科学家们研究了许多以电子技术为基础的闭环控制的自动跟踪系统。但是这些系统的成本很高，主要应用于一些高技术领域(如人造卫星的太阳能电池板)，而难于在大量的民用设备中应用。为此，我们曾经开发了一种用时钟控制的《自动跟踪太阳的太阳能装置》(见实用新型专利ZL 99 2 41141.6)。该装置用很简单的办法，低廉的成本，实现了太阳能装置对太阳的自动跟踪，从而大幅度地提高了太阳能的利用效率。对于在无电的农村和海岛、边防哨所等地方，它是解决对太阳自动跟踪的有效办法。但是，它的缺点是使用比较麻烦：它转动太阳能装置的动力来自于重锤，因此需要每天早晨用人工的办法把重锤再提起来，为太阳能装置的自动跟踪提供动力；而且，每天早晨还必须用人工办法对太阳能装置进行复位，使它从新对准太阳。

本实用新型针对上述情况，发展了一种用微型交流同步电机经过减速齿轮来带动太阳能收集装置并实现对太阳的全自动跟踪。在有交流电供应的地方，本实用新型能更方便、更廉价地实现对太阳的自动跟踪。

本实用新型的设计原理如下：

由于地球围绕太阳运动(或者直观地说太阳的运动)是一个三维立体运动模型，因此，要解决对太阳的跟踪，必须解决三个方面的问题：

1.太阳每天从东方升起，到西方落下的东西方向的跟踪；

2.不同纬度地区太阳南北方向高度的设置；

3.同一地区，不同季节太阳南北方向高度变化的相应调整。

对于第一个问题，本技术是采用一个微型(3瓦-4瓦)交流同步电机来解决。把同步电机的转速(每分钟2.5-5转)用减速齿轮箱减到与地球自转速度同步的15度/小时。用它来带动太阳能装置从东向西旋转。由于太阳能装置的旋转轴设计得与地球的自转轴平行，其旋转速度又与地球旋转速度(或者直观地说与太阳转动的速度)同步，因而受它控制的太阳能装置将始终正对着太阳，实现了对太阳的跟踪。由于交流电的频率非常稳定，同步电机的旋转速度也就非常稳定。因此，不论太阳转到什么方向(包括晚上转到了地平线以下)，同步电机都将带动太阳能装置，使它永远对准太阳。太阳能装置自动跟踪太阳的动力也由同步电机提供，不再需要人工每天去拉动重锤。由于减速齿轮箱的变速比很大(对每分钟旋转5转的4瓦TYJ50-8A22F型同步电机而言，变速比达7200)，所以，4瓦的同步电机对太阳能装置提供的扭力也就是电机输出扭力(4.5kgf·cm)的7200倍，达32400kgf·cm，足以带动太阳能装置的转动。而且，在同步电机的带动下，太阳能装置总是对准太阳的，不需要每天用人工去搬动它来从新对准太阳(参看实用新型专利ZL 99 2 41141.6)。从而实现无需人工介入的对太阳的自动跟踪。由于同步电机的功率很小(仅4瓦)，耗电很少，(要250小时，即10天多才消耗一度电！)基本上不增加它的运行成本。

对于第二个问题，好在每一个地方的纬度是不变的。只需要在太阳能装置安装时，把当地的纬度作为南北倾角的初始值设置就行了。

对于第三个问题，它是由地球围绕太阳旋转的轨道(黄道)与地球的赤道之间有23.5度的夹角造成的，致使每年的春分(3月20日左右)和秋分(9与23日左右)时，太阳光线直射赤道，它在南北方向上与各地地平面法线的夹角(即太阳在南北方向上与天顶之间的倾角)正好等于当地的纬度；而在夏至(6月21日左右)时，太阳光线直射北回归线(北纬23.5度)；在冬至(12月22日左右)时，太阳光线又直射南回归线(南纬23.5度)。它在南北方向上与各地地平面法线之间的夹角(即太阳在南北方向上与天顶之间的倾角)也将在当地纬度上减(或加)23.5度(对于北半球而言。南半球则相反)。对于每天来说，这个变化很小(三个月才23.5度，平均每月约8度，每周不过2度)。可以人工每周或者半月对太阳能装置作一次南北倾角的微调，以补偿太阳高度随季节的变化。当然也可以用同步电机来自动控制太阳能装置的南北方向的微调，但那要增加许多成本。

对于太阳能电池板，只需要按照上面三个方面对它进行跟踪、设置、微调，就可以使太阳能电池板的板面与太阳光保持垂直关系，使太阳能电池板的效率始终保持在最好状态。

对于太阳能灶，在使抛物面反射镜跟踪、设置、微调，使抛物面反射镜的法线与太阳光保持平行的前提下，还要保证在整个过程中，抛物面反射镜的焦点的空间位置保持稳定。这样才能使太阳光始终聚焦在受热器(锅、锅炉、水壶)的底部，从而获得稳定的、最高的热效率。

当没有自动跟踪时，太阳能装置的受光面只有在中午时分才正对太阳，效率最高。而在其他时间，其受光面的法线与太阳光之间都有一个夹角θ(负90度到正90度)。此时太阳能装置利用太阳能的效率是COSθ。每天平均下来，为 ${\∫}_{-\mathrm{\π}/2}^{\mathrm{\π}/2}\mathrm{COS\θd\θ}/\mathrm{\π}=0.6366.$

即每天平均只能利用太阳能的不到64％！

利用自动跟踪装置，使太阳能装置的受光面全天都对准太阳，效率始终是1，所以，全天平均效率提高36％！

本实用新型的基本技术方案包括太阳能收集装置〔1〕，纬度设置基座〔2〕，自动跟踪平台〔3〕，交流同步电机〔4〕，减速齿轮箱〔5〕以及通过自动跟踪平台的主轴〔6〕和副轴〔7〕，在使用聚焦型太阳能收集装置时，还有一对用于平衡太阳能收集装置〔1〕的重量的重锤〔8〕，聚焦型太阳能收集装置的焦点F设计在这个平台的中间。

使用本实用新型，不再需要每天用人工对太阳能收集装置进行复位，使其重新对准太阳；也不需要用人工方法每天提升重锤，以使太阳能收集装置获得转动的动力(见专利《自动跟踪太阳的太阳能装置》)，更加方便适用，成本更低。

以下通过一个实施例来具体描述本实用新型。

图1所示为本实用新型的一个实施例。

图中，〔1〕是太阳能收集装置。在本实施例中，它是一个抛物面反射镜。它被用三条钢筋连接到通过抛物面反射镜的焦点F的副轴〔7〕上。〔2〕是纬度设置基座，它的南北倾角与当地的地理纬度一致。〔3〕是自动跟踪平台。抛物面反射镜的焦点F就在这个平台上。〔4〕是交流同步电机。〔5〕是减速齿轮箱。用它们来带动并自动控制太阳能收集装置〔1〕的东西方向的转动，使之与太阳的转动同步，实现对太阳在东西方向上的自动跟踪。〔6〕是东西方向旋转的主轴。它在同步电机和减速齿轮箱的带动与控制下，带动自动跟踪平台〔3〕和太阳能收集装置〔1〕作东西方向与太阳转速同步的匀速旋转。〔7〕是南北方向旋转的副轴。通过它来微调太阳能收集装置〔1〕在南北方向上倾角，以适应不同季节太阳在南北方向上倾角的变化。主轴〔6〕和副轴〔7〕都通过太阳能收集装置〔1〕的焦点F(在自动跟踪平台〔3〕上)。因此，无论太阳能收集装置〔1〕是围绕主轴〔6〕作东西方向的旋转或者是围绕副轴〔7〕作南北方向上的微调，它都会聚焦在F上。由于太阳能收集装置〔1〕离主轴〔6〕和副轴〔7〕都有一定的距离，两条轴的转动都会需要克服一定的力矩(太阳能收集装置〔1〕的质量乘以它到轴的距离)。为了减小同步电机的功率，需要平衡这个力矩。它由平衡锤〔8〕来完成。由于有了这个平衡锤，同步电机在带动太阳能收集装置〔1〕旋转时，仅需要克服系统的摩擦力即可。因此，只需要3-4瓦的微电机即能满足要求。

Claims (2)

1.一种用同步电机自动跟踪太阳的太阳能装置，其特征在于它包括太阳能收集装置〔1〕，纬度设置基座〔2〕，自动跟踪平台〔3〕，微型交流同步电机〔4〕，减速齿轮箱〔5〕，通过自动跟踪平台、与基座〔2〕机械连接的主轴〔6〕，通过自动跟踪平台、与太阳能收集装置机械连接且与主轴〔6〕垂直的副轴〔7〕，以及在聚焦型太阳能装置中为平衡抛物面反射镜的力矩而设置的平衡锤〔8〕；其中纬度设置基座〔2〕的南北倾角与当地的地理纬度相等；太阳能收集装置〔1〕围绕主轴〔6〕作东西方向与太阳同步的旋转，跟踪太阳每天在东西方向上的转动；太阳能收集装置〔1〕又可以围绕副轴〔7〕作南北方向上的微调，以适应太阳各季度在南北方向上高度的变化。

2.如权利要求书1所述的一种用同步电机自动跟踪太阳的太阳能装置，其特征还在于所述的太阳能收集装置是用微型交流同步电机〔4〕作动力和控制部件来带动和控制的，通过减速齿轮箱〔5〕把同步电机〔4〕的转速减至15度/小时，使之与太阳的转动速度同步，减速齿轮箱〔5〕的末级齿轮安装在与基座〔2〕机械连接的主轴〔6〕，通过它带动并控制太阳能收集装置〔1〕对太阳进行自动跟踪。