TW201346198A - 追日裝置 - Google Patents

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Abstract

一種追日裝置，包括基座、設於該基座上之第一傳動器、第二傳動器與支柱、樞接於該支柱以承載太陽能發電模組之承載座、樞接該第一傳動器與該承載座之第一支撐桿以及樞接該第二傳動器與該承載座之第二支撐桿。本發明具有高結構剛性及高承載能力，除可抗強風外，尚具有高追蹤精度及較大的旋轉角度，使太陽能板能準確且長時間地對準太陽，因此可大幅提升太陽能發電模組之效能。

Description

追日裝置
本發明係關於一種追日裝置，尤其是關於一種用於太陽能設備之追日裝置。
隨著人類文明之發展，能源之消耗量與日俱增，然而，目前廣為使用之化石能源(例如，石油、天然氣、煤等等)在地球上的蘊含量有限，且大量使用化石能源會加劇溫室效應而造成地球氣候異常。因此，對於替代能源之發展與研究實刻不容緩。
太陽能為目前備受重視的替代能源之一，伴隨半導體技術之進步，使太陽能發電模組之能源轉換效率大幅提升，但一般太陽能板於太陽日照角度變換後，即無法有效擷取太陽光能，致使發電效能降低。因此，目前已發展出以追日裝置搭配太陽能發電模組的設備，俾使太陽能板可追蹤太陽方位以吸收較多光能，如台灣專利I340226與M346679以及美國專利US 6,005,236所揭露者。
惟，習知的追日裝置皆係由一支柱連結太陽能發電模組和地面，致使整組太陽能發電模組之重量俱由該支柱所承受，由於其組態屬於串聯機構，故機構剛性低，不適用於強風頻繁地區，且串聯機構易產生較大之累積誤差，導致太陽能板之追蹤精度不足而降低能量轉換效率。
又，習知的追日裝置設計亦容易具有旋轉角度過小之問題，致使太陽能板對準太陽之時間過短，因而影響太陽 能發電模組之效能。
因此，如何對追日裝置進行改良以增加追日裝置之結構剛性、追蹤精度以及旋轉角度，遂成為目前本領域中亟待解決的課題。
為解決前述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種追日裝置，包括基座；第一傳動器，係設於該基座上；第二傳動器，係設於該基座上，且該第二傳動器的傳動方向垂直於該第一傳動器的傳動方向；支柱，係設於該基座上之該第一傳動器的傳動方向延伸線與該第二傳動器的傳動方向延伸線交會處；第一支撐桿，係具有相對之第一端與第二端，且該第一端係樞接於該第一傳動器；第二支撐桿，係具有相對之第三端與第四端，且該第三端係樞接於該第二傳動器；以及承載座，係樞接於該支柱，具有面對該第一傳動器之傳動方向且鄰近該第一支撐桿之第一端的第一邊與遠離該第一支撐桿之第一端之相對的第二邊，以及面對該第二傳動器之傳動方向且鄰近該第二支撐桿之第三端的第三邊與遠離該第二支撐桿之第三端之相對的第四邊，其中，該第二邊樞接於該第一支撐桿之第二端，且該第三邊藉由一位移元件樞接於該第二支撐桿之第四端。
前述之追日裝置中，該第一傳動器復包括第一動力單元且該第二傳動器復包括第二動力單元，該第一動力單元及第二動力單元係用以分別驅動該第一傳動器及第二傳動器。
又，前述之追日裝置中，可包括電性連接該第一動力單元與該第二動力單元之控制單元，係用以控制該第一傳動器及該第二傳動器分別帶動該第一支撐桿與該第二支撐桿，俾進一步帶動該承載座以達成自動追日之效果。
相較於習知技術，本發明之追日裝置藉由平行機構之設計，提供具有高結構剛性及高承載能力而可抗強風之追日裝置，且本發明之追日裝置復可提升追蹤精度及增加旋轉角度，以使太陽能板準確且長時間地對準太陽，因此可大幅提升太陽能發電模組之效能。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，本領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
第1圖係為本發明之追日裝置之實施例之架構示意圖。如圖所示，本發明之追日裝置1包括基座10、第一傳動器11、第二傳動器12、支柱13、第一支撐桿14、第二支撐桿15以及承載座16。
該第一傳動器11及第二傳動器12係設於該基座10上，且該第二傳動器12的傳動方向係垂直於該第一傳動器11的傳動方向。
於一較佳態樣中，該第一傳動器11復包括第一動力單元111，且該第二傳動器12復包括第二動力單元121，其中，該第一動力單元111及該第二動力單元121可為伺 服馬達、步進馬達或線性馬達，用以分別驅動第一傳動器11及第二傳動器12。
於另一態樣中，該第一傳動器11之傳動方向係為東西向，且該第二傳動器12之傳動方向係為南北向(東西向及南北向係以太陽起落的東西方向作為標準)。
於又一態樣中，該第一傳動器11及該第二傳動器12係為導螺桿與滑塊之組合、導螺桿與滑套之組合或皮帶、齒盤與滑塊之組合。
該支柱13係設於該基座10上之該第一傳動器11的傳動方向延伸線與該第二傳動器12的傳動方向延伸線交會處。
該第一支撐桿14係具有相對之第一端141與第二端142，且該第一端141係樞接於該第一傳動器11。
該第二支撐桿15係具有相對之第三端151與第四端152，且該第三端151係樞接於該第二傳動器12。
該承載座16係樞接於該支柱13，具有面對該第一傳動器11之傳動方向且鄰近該第一支撐桿14之第一端141的第一邊161與遠離該第一支撐桿14之第一端141之相對的第二邊162，以及面對該第二傳動器12之傳動方向且鄰近該第二支撐桿15之第三端151的第三邊163與遠離該第二支撐桿15之第三端151之相對的第四邊164，其中，該第二邊162樞接於該第一支撐桿14之第二端142，且該第三邊163藉由一位移元件165樞接於該第二支撐桿15之第四端152。
於一較佳態樣中，該支柱13可具有開口130，以令該第一支撐桿14穿過該開口130與承載座16的第二邊162樞接。
於另一態樣中，該樞接之方式可為球型接頭、萬用接頭、旋轉接頭、組合接頭或其組合。
第2圖係為本發明之追日裝置之另一實施例之架構示意圖。如圖所示，本發明之追日裝置2與前述之追日裝置1相似，差別在於追日裝置2復包括控制單元17，係電性連接該第一動力單元111與該第二動力單元121，以控制該第一傳動器11及該第二傳動器12分別帶動該第一支撐桿14與該第二支撐桿15，俾進一步帶動該承載座16以達成自動追日之效果。
於一較佳態樣中，該控制單元17可為微處理器。
第3A圖係為本發明之追日裝置之運作方式之示意圖。如圖所示，將追日裝置2之第一傳動器11之傳動方向設為東西向，且將第二傳動器12之傳動方向設為南北向，分別以y軸及x軸表示。裝置高度h是由直角座標原點O點起算直到承載座16與支柱13之樞接點G為止，樞接點u1和u2分別為承載座16與第一支撐桿14樞接處及位移元件165與承載座16接置處，u’2則為位移元件165與第二支撐桿15樞接處。又，第一支撐桿14與第二支撐桿15之長度係為l1與l2。最後，於本實施例中，第一傳動器11與第二傳動器12係為導螺桿與滑塊之組合，因此，第一支撐桿14係樞接於第一傳動器11中的滑塊P1上，且第二支 撐桿15係樞接於第二傳動器12中的滑塊P2上。本發明之追日裝置藉由控制滑塊P1和P2之位置決定接置於承載座16上的太陽能發電模組(未圖示)所朝向之方向。
令向量n為承載座16之法向量，其方向為指向太陽，並假設向量Gu1只在y-z平面上移動，而當滑塊P1向正y軸方向移動時會推動承載座16，使其以G點為中心點逆時針方向旋轉，俾可控制承載座16作東西方向之轉動，其中α角為向量Gu1與裝置高度h之間的夾角。依據畢氏定理可得如下之滑塊P1的控制方程式(1)。
| l 1 |2=h' 2 +(p'+P 1 )2 (1)
其中，h'=h-| Gu 1 |．cos(α) (2)
p'=| Gu 1 |．sin(α) (3)
之後，先求出向量Gu1在y-z平面上的方向，因限制向量Gu1只在y-z平面上移動，故承載座16之法向量n和y-z平面法向量外積可得向量Gu1在y-z平面的方向，除以其長度變成單位向量eGu1，再乘以向量Gu1的長度，即為向量Gu1，如以下公式：
再求出向量Gu2，因承載座16之法向量n、向量Gu1與向量Gu2倆倆相互垂直，故可再藉由向量Gu1與承載座16之法向量n外積求出向量Gu2的方向，除以其長度變成單位向量eGu2，再乘以向量Gu2的長度，即為向量Gu2，如 以下公式：
又，第二支撐桿15係樞接於位移元件165上，故向量Gu2需再加上一段位移的長度，如以下公式： Gu' 2 = Gu 2 + u 2 u' 2 (6)
再將上述之方程式(6)結合分別如下列方程式(7)與方程式(8)的滑塊P2位置向量與第二支撐桿15位置向量可分別由以下公式表示： OP 2 =P 2 (1 0 0) (7)
l 2 = Ou' 2 - OP 2 (8)
再根據餘弦定理可得：h 2+P 2 2=| Gu' 2 |2+| l 2 |2-2 Gu' 2 ．l 2 (9)
整理方程式(9)又可得：P 2 2+BP 2 +C=0 (10)
其中，B=-2(Gu' 2,x )，且C=h 2-| Gu' 2 |2-| l 2 |2+2(Gu' 2,x ．Ou' 2,x +Gu' 2,y ．Ou' 2,y +Gu' 2,z ．Ou' 2,z )故可求得如下列之滑塊P2的控制方程式(11)。
於本實施例中，位移元件165係用以使承載座16在南北方向之轉動角度增加，避免本發明之追日裝置位於奇異點而鎖死，以使承載座16在冬至時仍能正對太陽。如第 3B圖所示，係為追日裝置位於奇異點時的情形，此狀態為機構轉動角度的極限，對應的仰角角度約為67.03度，但實際上所要求的角度依照冬至正午太陽所在位置須為41.77度，因此，本發明所設置之位移元件165可增加承載座16之轉動角度，以延長太陽能發電模組接收日照之時間(如第3C圖所示)。
綜上所述，本發明之追日裝置利用平行機構之設計，使追日裝置具有較高剛性及承載能力，用以增加抗風強度。又，本發明之追日裝置具有較小之誤差累積，故可提升追蹤精度及能量轉換效率。
此外，本發明之追日裝置設置有位移元件，以增加承載座之旋轉角度，避免習知追日裝置旋轉角度過小，致使太陽能板對準太陽之時間過短的缺失。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何本領域中具有通常知識者均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。
1、2‧‧‧追日裝置
10‧‧‧基座
11‧‧‧第一傳動器
111‧‧‧第一動力單元
12‧‧‧第二傳動器
121‧‧‧第二動力單元
13‧‧‧支柱
130‧‧‧開口
14‧‧‧第一支撐桿
141‧‧‧第一端
142‧‧‧第二端
15‧‧‧第二支撐桿
151‧‧‧第三端
152‧‧‧第四端
16‧‧‧承載座
161‧‧‧第一邊
162‧‧‧第二邊
163‧‧‧第三邊
164‧‧‧第四邊
165‧‧‧位移元件
17‧‧‧控制單元
h‧‧‧裝置高度
O‧‧‧直角座標原點
G‧‧‧承載座16與支柱13之樞接點
u1‧‧‧承載座16與第一支撐桿14樞接處
u2‧‧‧位移元件165與承載座16接置處
u’2‧‧‧位移元件165與第二支撐桿15樞接處
l1‧‧‧第一支撐桿14之長度
l2‧‧‧第二支撐桿15之長度
P1、P2‧‧‧滑塊
n‧‧‧承載座16之法向量
第1圖係為本發明之追日裝置之實施例之架構示意圖；第2圖係為本發明之追日裝置之另一實施例之架構示意圖；以及第3A至3C圖係為本發明之追日裝置之運作方式之示意圖。
1‧‧‧追日裝置
10‧‧‧基座
11‧‧‧第一傳動器
111‧‧‧第一動力單元
12‧‧‧第二傳動器
121‧‧‧第二動力單元
13‧‧‧支柱
130‧‧‧開口
14‧‧‧第一支撐桿
141‧‧‧第一端
142‧‧‧第二端
15‧‧‧第二支撐桿
151‧‧‧第三端
152‧‧‧第四端
16‧‧‧承載座
161‧‧‧第一邊
162‧‧‧第二邊
163‧‧‧第三邊
164‧‧‧第四邊
165‧‧‧位移元件

Claims (7)

  1. 一種追日裝置，包括：基座；第一傳動器，係設於該基座上；第二傳動器，係設於該基座上，且該第二傳動器的傳動方向垂直於該第一傳動器的傳動方向；支柱，係設於該基座上之該第一傳動器的傳動方向延伸線與該第二傳動器的傳動方向延伸線交會處；第一支撐桿，係具有相對之第一端與第二端，且該第一端係樞接於該第一傳動器；第二支撐桿，係具有相對之第三端與第四端，且該第三端係樞接於該第二傳動器；以及承載座，係樞接於該支柱，具有面對該第一傳動器之傳動方向且鄰近該第一支撐桿之第一端的第一邊與遠離該第一支撐桿之第一端之相對的第二邊，以及面對該第二傳動器之傳動方向且鄰近該第二支撐桿之第三端的第三邊與遠離該第二支撐桿之第三端之相對的第四邊，其中，該第二邊樞接於該第一支撐桿之第二端，且該第三邊藉由一位移元件樞接於該第二支撐桿之第四端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之追日裝置，其中，該第一傳動器之傳動方向係為東西向，且該第二傳動器之傳動方向係為南北向。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之追日裝置，其中，該第 一傳動器及該第二傳動器係為導螺桿與滑塊之組合、導螺桿與滑套之組合或皮帶、齒盤與滑塊之組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之追日裝置，其中，該第一傳動器復包括第一動力單元且該第二傳動器復包括第二動力單元，且該第一動力單元及第二動力單元係用以分別驅動該第一傳動器及第二傳動器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之追日裝置，其中，該第一動力單元及該第二動力單元係為伺服馬達、步進馬達或線性馬達。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之追日裝置，其中，該樞接之方式係為球型接頭、萬用接頭、旋轉接頭、組合接頭或其組合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之追日裝置，復包括控制單元，係電性連接該第一動力單元與該第二動力單元，以控制該第一傳動器及該第二傳動器分別帶動該第一支撐桿與該第二支撐桿，俾帶動該承載座以自動追日。
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