TWI537535B

TWI537535B - 追日機構

Info

Publication number: TWI537535B
Application number: TW102140640A
Authority: TW
Inventors: 張翼; 成維華; 鄭時龍; 鄭泗東; 呂秉翰; 許元銘; 吳至強; 施境瑋
Original assignee: 國立交通大學
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2016-06-11
Also published as: TW201518663A; US20150128930A1

Description

追日機構

本發明係有關一種追日機構，尤指一種用於太陽能發電之追日機構。

隨著人類科技之進步，對於能源之需求與日俱增，太陽能發電已成為不可或缺的替代能源之一。隨著太陽能發電技術的進步，目前太陽能發電模組之能源轉換效率已大幅提昇。然在一天中太陽的位置及照射角度並非固定不變，因此，裝設太陽能發電模組之機構亦從固定式演變成可調式，使其能透過馬達對傾斜角或偏向角進行調整，而能一直追蹤太陽運行的軌跡及方位，有助於太陽能發電模組在最佳的光線入射角度下吸收最大量的太陽光，來取得更佳的能源轉換效率。

然而，目前所發展出的可調式追日機構，不僅結構非常複雜，製造組裝上非常不容易，除了高成本外，亦容易因單一零件損壞而造成整體追日機構無法運作。此外，現有之可調式追日機構多以板狀太陽能發電模組搭配單軸式之支撐柱所組成，在此種搭配組合之下，板狀之太陽能發電模組因迎風面較大，且僅有一隻單軸式之支撐柱來支撐整體重量之情況下，容易受到強風吹拂而產生激烈晃動，更甚者會因所受之風力太大而變形，導致追日機構追蹤太陽之精確度降低。另單軸式之支撐柱因旋轉角度之限制，亦有輸出角度過小之問題。

因此，如何設計一種用於太陽能發電之追日機構，能以較少的構件來增加抗風強度，並具有大角度輸出及高精確度，並降低製造成本，為目前急迫解決課題之一。

鑑於上述問題，本發明之目的在於提供一種用於太陽能發電之追日機構，能以較少的構件來增加抗風強度，並增加大角度之輸出，且多自由度接頭使整體作動更為靈活、所達之精度亦越高，除了可降低製造成本外，更可使太陽能發電模組在最佳的光線入射角度下吸收最大量的太陽光，以取得更佳的發電效率。

為達前述目的或其他目的，本發明係提供一種追日機構，包含：基座；第一萬向接頭；第二萬向接頭；支柱，具有一固設於該基座的固定端及一連接於該第一萬向接頭的連接端；動力單元，係設於該支柱的連接端上，以提供傳動力予該第一萬向接頭；電動推桿，具有一連接該第二萬向接頭的第一端及一連接該基座的第二端，且該電動推桿係在一伸展狀態及一收合狀態之間變換；以及承載座，具有一分別樞接該第一萬向接頭與該第二萬向接頭的第一面及一設有太陽能發電模組的第二面，其中，該第一萬向接頭係供該承載座繞著第一軸向及/或第二軸向旋轉；其中，當該動力單元提供傳動力予該第一萬向接頭時，使該承載座以該第一萬向接頭為支點而繞著該第一軸向旋轉，並於該電動推桿於該伸展狀態及該收合狀態之間變換時，使該承載座以該第一萬向接頭為支點而繞著該第二軸向旋轉。

本發明所提供之追日機構，分別藉由動力單元及電動推桿搭配第一萬向接頭所提供的第一軸向及第二軸向之旋轉方向，可達大角度輸出，而第一萬向接頭及第二萬向接頭等多自由度接頭能夠讓該追日機構之作動更為靈活、所達到之精確度亦越高，有助於裝設在追日機構上的太陽能發電模組，能持續在最佳的光線入射角度下吸收最大量的太陽光，而有更佳的能源轉換效率。此外，本發明之追日機構除原本支柱所提供的支撐力外，更增加了電動推桿所提供的輔助支撐力，在追日機構受強風吹拂時不至於產生激烈晃動，進而導致整體機構變形而降低追日之精確度，即具有更佳的抗風強度。

1‧‧‧追日機構

10‧‧‧基座

11‧‧‧第一萬向接頭

111‧‧‧第一軸向

112‧‧‧第二軸向

113‧‧‧第一套座

114‧‧‧第二套座

115、123、203‧‧‧開口

116、124、204‧‧‧十字軸

1161、1162、1163、1164、1241、1242、1243、1244、2041、2042、2043、2044‧‧‧軸端

12‧‧‧第二萬向接頭

121‧‧‧第三套座

122‧‧‧第四套座

125、205‧‧‧第四軸向

126、206‧‧‧第五軸向

13‧‧‧支柱

131‧‧‧連接端

132‧‧‧固定端

14‧‧‧動力單元

141‧‧‧第一齒輪

142‧‧‧第二齒輪

15‧‧‧電動推桿

151‧‧‧第一端

152‧‧‧第二端

16‧‧‧承載座

161‧‧‧第一面

162‧‧‧第二面

17‧‧‧太陽能發電模組

18‧‧‧第一樞接件

181‧‧‧第三軸向

19‧‧‧第二樞接件

191‧‧‧第六軸向

20‧‧‧第三萬向接頭

201‧‧‧第五套座

202‧‧‧第六套座

第1圖係為本發明追日機構之整體示意圖；第2圖係為本發明追日機構之局部放大示意圖；第3圖係為本發明第一萬向接頭及動力單元之連接示意圖；第4圖係為本發明第二萬向接頭、第三萬向接頭及電動推桿之連接示意圖；第5圖係為本發明追日機構於第一軸向之作動示意圖；以及第6圖係為本發明追日機構於第二軸向之作動示意圖。

以下藉由特定之具體實施例加以說明本發明之實施方式，而熟悉此技術之人士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和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

請參閱第1圖、第2圖所示，本發明之追日機構1包含基座10、第一萬向接頭11、第二萬向接頭12、支柱13、動力單元14、電動推桿15以及承載座16。該支柱13具有相對應之連接端131及固定端132，支柱13之固定端132係固定設置於該基座10上，該支柱13之連接端131係連接該第一萬向接頭11。動力單元14設於該支柱13上。於一實施例中，動力單元14係具體設於該支柱13的連接端131上，且設置的位置係在第一萬向接頭11之周圍，即動力單元14與第一萬向接頭11皆設於支柱13之連接端131上。如此一來，動力單元14可以很輕易的將傳動力提供給第一萬向接頭11。當然動力單元14亦可設於支柱13之其他位置，只要能提供動力單元14所產生的傳動力到第一萬向接頭11即可，本發明並不以此為限。而動力單元14具體可為伺服馬達、步進馬達或線性馬達。

電動推桿15具有相對應之第一端151及第二端152，電動推桿15之第二端152係連接該基座10，電動推桿15 之第一端151連接第二萬向接頭12。電動推桿15內通常設有驅動馬達、減速齒輪、推杆、螺杆、滑座、彈簧等組成元件，因此，電動推桿能藉由該些組成元件，將驅動馬達的旋轉運動轉變為推杆的直線運動，並利用驅動馬達的正反轉完成推杆於軸向之往返運動，例如能達到推杆延伸出電動推桿外之伸展狀態，及推杆縮回至電動推桿內之收合狀態。該伸展狀態及該收合狀態之間的變換，即為電動推桿與其內的推杆所能達成的直線往返運動。

承載座16具有相對應之第一面161及第二面162，承載座16之第一面161分別樞接該第一萬向接頭11與第二萬向接頭12，承載座16之第二面162設置有太陽能發電模組17。於一實施例中，該第一萬向接頭11係樞接在承載座16的第一面161的中心點位置，而該第二萬向接頭12係樞接在承載座16的第一面161偏離中心點一段距離的位置。

在本發明之一實施例中，第一萬向接頭11能夠提供繞著第一軸向及第二軸向旋轉之方向。詳言之，請一併參考第2圖及第3圖，該第一萬向接頭11包含第一套座113、第二套座114及十字軸116。第一套座113係連接在支柱13之連接端131，第二套座114則是樞接該承載座16的第一面161。第一套座113及第二套座114分別具有二個相對應的開口115，可供十字軸116的四個軸端1161、1162、1163、1164分別設於該些開口115中。例如十字軸116中二個相對之軸端1161、1162係設於第一套座113的二開口 115中，另外二個相對之軸端1163、1164則設於第二套座114的二開口115中。因此，第一套座113及第二套座114之間的相對運動，能以軸端1161、1162所形成的第一軸向111提供第一套座113繞著第一軸向111進行旋轉，或提供第二套座114與十字軸116之整體繞著第一軸向111進行旋轉，亦即第一萬向接頭11藉由十字軸116之軸端1161、1162於第一套座113之二開口115中轉動時，提供繞著第一軸向111旋轉之方向。此外，亦能以軸端1163、1164所形成的第二軸向112提供第二套座114繞著第二軸向112進行旋轉，或第一套座113與十字軸116之整體繞著第二軸向112進行旋轉，亦即第一萬向接頭11藉由十字軸116之軸端1163、1164於第二套座114之二開口115中轉動時，提供繞著第二軸向112旋轉之方向。

動力單元14提供所產生的傳動力到第一萬向接頭11的方式，可藉由齒輪之間的組合，或直接將動力單元14的傳動軸接合第一萬向接頭11中的十字軸116之任一軸端，以直接將傳動力輸出至十字軸116。於本發明之一實施例中，係採齒輪組的方式來傳送動力單元14之傳動力。動力單元14上設有第一齒輪141，十字軸116在第一軸向111上的軸端1161設有第二齒輪142，為了使動力單元14之傳動力能夠傳送到第一萬向接頭11，第一齒輪141與第二齒輪142必須彼此嚙合，如此一來動力單元14能夠藉由第一齒輪141及第二齒輪142之組合，將動力單元14產生的傳動力傳送到十字軸116，使得十字軸116能夠獲得繞著第一軸向111進行旋轉時所需之力。而第一齒輪141、第二齒輪142之間的齒輪比、齒距等可視動力單元14之輸出功率來作調整，且第一齒輪141、第二齒輪142之間的組合可為直齒輪、斜齒輪、人字斜齒輪、錐齒輪、蝸桿等組合，本實施例係以直齒輪來作說明，但本發明並不以此為限。

因此，當動力單元14提供傳動力至第一萬向接頭11時，位於第一套座113上的十字軸116能繞著第一軸向111進行旋轉，接連帶動第二套座114亦繞著第一軸向111進行旋轉，而樞接該第一萬向接頭11之第二套座114的承載座16亦會產生連動，即承載座16會以第一萬向接頭11中十字軸116之軸端1161、1162的軸心作為支點，直接繞著第一軸向111來進行旋轉，請一併參閱第5圖，第5圖即是承載座16繞著第一軸向111進行旋轉時之作動示意圖。而當電動推桿15在伸展狀態及收合狀態之間變換時，即電動推桿15與其內的推杆進行直線往返運動所產生的動力，以第二萬向接頭12樞接在承載座16的第一面161偏離中心點的一段距離作為力矩，且以第一萬向接頭11中十字軸116之軸端1163、1164的軸心作為支點，帶動承載座16繞著第二軸向112來進行旋轉，請一併參閱第6圖，即是承載座16以第二軸向112進行旋轉時之作動示意圖。

於一實施例中，第一萬向接頭11係透過第一樞接件18以樞接承載座16。具體來說，如第2圖所示，該第一樞接件18係穿設該第二套座114，使得第二套座114能抵接承載座16，而第一樞接件18具體可為圓柱體。第一樞接件18並不會將第二套座114固設於承載座16上，而是讓第二套座114能夠藉由第一樞接件18於承載座16上進行旋轉，即第一樞接件18能夠提供第二套座114相對於承載座16以繞著第三軸向181進行旋轉。因此，第一萬向接頭11具體可提供第一軸向111、第二軸向112及第三軸向181之三維自由度，且第一軸向111與第二軸向112互相垂直、第三軸向181與第一軸向111或第二軸向112互相垂直。

於一實施例中，第二萬向接頭能夠提供繞著第四軸向及第五軸向旋轉之方向，請一併參閱第1圖及第4圖，第二萬向接頭12復包含第三套座121、第四套座122及十字軸124。第三套座121係連接電動推桿15之第一端151，第四套座122則是樞接該承載座16的第一面161。第三套座121及第四套座122分別具有二相對應的開口123，可供十字軸124的四個軸端1241、1242、1243、1244分別設於該些開口123中。例如十字軸124中二相對之軸端1241、1242係設於第三套座121的二開口123中，另外兩個相對之軸端1243、1244則設於第四套座122的二開口123中。因此，第三套座121及第四套座122之間的相對運動，能以軸端1241、1242所形成的第四軸向125提供第三套座121繞著第四軸向125進行旋轉，或提供第四套座122與十字軸124之整體繞著第四軸向125進行旋轉，亦即第二萬向接頭12藉由十字軸124之軸端1241、1242於第三套座121之二開口123中轉動時，提供繞著第四軸向125旋轉之方向。此外，亦能以軸端1243、1244所形成的第五軸向126提供第四套座122繞著第五軸向126進行旋轉，或提供第三套座121與十字軸124之整體繞著第五軸向126進行旋轉，亦即第二萬向接頭12藉由十字軸124之軸端1243、1244於第四套座122之二開口123中轉動時，提供繞著第五軸向126的旋轉方向。

於一實施例中，第二萬向接頭12係透過第二樞接件19以樞接承載座16。具體而言，如第2圖所示，該第二樞接件19係穿設第四套座122，使得第四套座122能抵接承載座16，而第二樞接件19具體可為圓柱體。第二樞接件19並不會將第四套座122固設於承載座16上，而是讓第四套座122能夠藉由第二樞接件19於承載座16上進行旋轉，即第二樞接件19能夠提供第四套座122相對於承載座16以繞著第六軸向191進行旋轉。因此，第二萬向接頭12具體可提供第四軸向125、第五軸向126及第六軸向191之三維自由度，而第四軸向125、第五軸向126及第六軸向191係兩兩互相垂直。於一實施例中，第四軸向125、第五軸向126及第六軸向191可分別與第一軸向111、第二軸向112及第三軸向181為相同方向，亦可為不同方向，本發明並不以此為限。

本發明之第一萬向接頭11及第二萬向接頭12可分別採如前述之十字軸及樞接件的方式提供三維的自由度，該第一萬向接頭11或第二萬向接頭12亦可分別為球形接頭。在第一萬向接頭11繞著第一軸向111進行旋轉後、承載座16已傾斜一角度的情況下，此刻若電動推桿15推動承載座16繞著第二軸向112來進行旋轉，第二萬向接頭12亦必須繞著第四軸向125或第五軸向126進行旋轉，由於第一萬向接頭11及第二萬向接頭12更具備第三軸向181及第六軸向191之旋轉方向，因此能夠提供更大的角度輸出、高精確度的角度調整，即具備更高的自由度。

本發明之電動推桿15之第二端152連接該基座10之方式，除了將電動推桿15之第二端152直接固設於基座10上之外，亦可透過第三萬向接頭20來連接電動推桿15及基座10。該第三萬向接頭20包括第五套座201、第六套座202及十字軸204。第五套座201則是固設在電動推桿15之第二端152，第六套座202係固設在基座10上。第五套座201及第六套座202分別具有二相對應的開口203，可供十字軸204的四個軸端2041、2042、2043、2044分別設於該些開口203中。例如十字軸204中二相對之軸端2041、2042係設於第五套座201的二開口203中，另外兩個相對之軸端2043、2044則設於第六套座202的二開口203中。因此，第五套座201及第六套座202之間的相對運動，能以軸端2041、2042所形成的第四軸向205提供第五套座201繞著第四軸向205進行旋轉，或提供第六套座202與十字軸204之整體繞著第四軸向205進行旋轉，亦即第三萬向接頭20藉由十字軸204之軸端2041、2042於第五套座201之二開口203中轉動時，提供繞著第四軸向205的旋轉方向。此外，亦能以軸端2043、2044所形成的第五軸向206提供第六套座202繞著第五軸向206進行旋轉，或提供第五套座201與十字軸204之整體繞著第五軸向206進行旋轉，亦即第三萬向接頭20藉由十字軸204之軸端2043、2044於第六套座202之二開口203中轉動時，提供繞著第五軸向206的旋轉方向。

綜上所述，本發明所提供之追日機構，能藉由動力單元及電動推桿搭配具備多自由度的第一萬向接頭及第二萬向接頭，讓該追日機構之作動更為靈活、且能輸出大角度，角度所達之精確度亦可提高，有助於追日模組上的太陽能發電模組能夠持續以最佳光線入射角度吸收太陽光，而有更佳的太陽能發電效率。此外，本發明之追日機構亦藉由電動推桿所提供的輔助支撐力，能夠在強風吹拂時提供更佳的抗風強度，整體機構變形機率低且不致因強風影響追日的精確度，組成構件少能有效降低製作成本。

上述實施形態僅為例示性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。