弹簧平衡组件和包括弹簧平衡组件的太阳能跟踪器的制作方法

相关申请

本申请要求2017年3月2日提交的序列号为62/466,235的美国专利申请的优先权和权益，该申请通过引用整体并入本文。

本公开涉及弹簧平衡组件。本公开还涉及用于平衡太阳能跟踪器和太阳能电池阵列的旋转的弹簧组件。

背景技术：

太阳能跟踪系统用于光伏和太阳能热应用中，通过在太阳在天空中的日常运动中将光伏板或收集器瞄准太阳来增加太阳光的收集。在这样做时，跟踪系统包括在其上旋转的枢轴点或轴承。这些轴承可以放置在跟踪系统的重心处，或者可以位于光伏或收集器阵列的下方。

阵列平衡方法，即将轴承壳体放置在阵列的重心处或附近的技术，具有减轻定位驱动装置上的应力的益处，因为很小或没有悬臂重量来产生定位系统上固有的力矩载荷。此外，使机械系统围绕重心平衡还减少或消除了支撑结构的扭转偏转，这可以允许较少的结构材料要求。

为了与位于跟踪系统的重心处或附近的枢轴点平衡，大多数设计必须将枢轴点定位在光伏板模块或集热器的表面上方。这在结构、轴承枢轴点中产生复杂性，并且由于在轴承所在的收集表面中必须存在空间，因此产生密度低效。重心轴承所在的空间通常被称为系统中的死区，因为在系统的这些区域不可能进行太阳能收集。当在大型光伏板太阳能发电场或集热器中使用时，跟踪器排的北/南长度中的这些死区乘以跟踪器之间所需的东/西间距，并导致整个场中的密度降低得相当大。

因此，需要一种用于平衡跟踪系统的旋转的改进系统。还需要一种改进的平衡系统，其消除系统中死区。还需要一种改进的平衡系统，其不太复杂、需要较少的结构材料、并且引起系统中较低的扭转偏转。

技术实现要素：

本公开的示例性实施例在很大程度上减轻了用于太阳能跟踪器的已知平衡系统的缺点，其通过在太阳能跟踪器中结合弹簧元件来抵消机械旋转而不是重心枢轴点。这提供了保持枢轴轴承和结构不复杂并且在系统中不需要死区的优点，这产生了平衡结构的所有益处而没有死区和场密度低效的损失。这些益处包括低复杂性、机械驱动系统上的应力更小、结构材料更少和系统的扭转偏转更小以及轴承本身的应力更小，因为它们位于扭矩传递结构组件的圆周周围。更具体地，益处包括相对于平衡重心轴承系统的轴承和结构的较低复杂性加上平衡cg系统的属性，例如机械驱动系统上的应力较小、结构材料较少、系统的扭转偏转较小以及消除收集器死区以实现高密度。

太阳能跟踪器组件的示例性实施例包括支撑柱、连接到支撑柱的扭矩管或扭力梁、附接到扭矩管或扭力梁的安装机构、连接到扭矩管或扭力梁的驱动系统、以及连接到扭矩管或扭力梁的弹簧平衡组件。一种或多种类型的弹簧平衡组件可以结合到太阳能跟踪器组件中以平衡其旋转。

弹簧平衡组件的示例性实施例包括至少一个顶部支架和至少一个底部支架、至少一个弹簧、阻尼器和支架。弹簧具有第一端和第二端。弹簧的第一端附接到顶部支架，弹簧的第二端附接到底部支架。阻尼器具有第一端和第二端。阻尼器的第一端附接到顶部支架，阻尼器的第二端附接到底部支架，使得阻尼器基本上平行于弹簧定位。支架附接到顶部支架上，其尺寸和形状适于扭矩管或扭力梁插入穿过支架，使得弹簧平衡组件可以结合到太阳能跟踪器中。

在示例性实施例中，弹簧选自：拉杆弹簧、拉伸弹簧和片簧。弹簧可以结合到阻尼器、阻尼器支架组件或轴承壳体中。在示例性实施例中，太阳能跟踪器组件结合到一排太阳能跟踪器中，其中弹簧平衡组件包括第一弹簧平衡组件和第二弹簧平衡组件，该第一弹簧平衡组件在该排的第一端处或附近连接到扭矩管或扭力梁并且结合第一弹簧，该第二弹簧平衡组件在该排的第二端处或附近连接到扭矩管或扭力梁并且结合第二弹簧。

在示例性实施例中，太阳能跟踪器组件包括支撑柱、连接到支撑柱的扭矩管或扭力梁、附接到扭矩管或扭力梁的安装机构、连接到扭矩管或扭力梁的驱动系统、以及连接到扭矩管或扭力梁的弹簧。一个或多个太阳能模块可以安装在安装机构上。弹簧可以是拉杆弹簧、拉伸弹簧和/或片簧。

在示例性实施例中，太阳能跟踪器组件还包括附接到扭矩管或扭力梁的阻尼器支架组件，并且弹簧结合到阻尼器支架组件中。在示例性实施例中，太阳能跟踪器组件还包括附接到扭矩管或扭力梁的至少一个阻尼器，并且弹簧结合到阻尼器中。太阳能跟踪器组件可以具有至少一个轴承壳体，该轴承壳体将扭矩管或扭力梁附接到支撑柱，并且弹簧可以位于轴承壳体处。在示例性实施例中，弹簧结合到轴承壳体中。太阳能跟踪器组件还可包括扭矩限制器组件。

在示例性实施例中，太阳能跟踪器组件还包括弹簧平衡组件，弹簧平衡组件包括至少一个顶部支架和至少一个底部支架、至少一个弹簧、阻尼器和支架安装装置。弹簧具有第一端和第二端。弹簧的第一端附接到顶部支架，弹簧的第二端附接到底部支架。阻尼器具有第一端和第二端。阻尼器的第一端附接到顶部支架，阻尼器的第二端附接到底部支架，使得阻尼器基本上平行于弹簧定位。支架附接到顶部支架并且使得扭矩管或扭力梁插入穿过支架插入以将弹簧平衡组件连接到扭矩管或扭力梁。

太阳能电池阵列的示例性实施例包括至少一排跟踪器。每排跟踪器包括至少一个支撑柱、连接到支撑柱的至少一个扭矩管或扭力梁、附接到扭矩管或扭力梁的安装机构、连接到扭矩管或扭力梁的驱动系统、在该排的第一端处或附近连接到扭矩管或扭力梁的第一弹簧、以及在该排的第二端处或附近连接到扭矩管或扭力梁的第二弹簧，其中第二端和第一端相对。一个或多个太阳能模块可以安装在太阳能电池阵列的安装机构上。弹簧可以是拉杆弹簧、拉伸弹簧和/或片簧。

在示例性实施例中，太阳能阵列还包括附接到扭矩管或扭力梁的阻尼器支架组件，并且弹簧结合到阻尼器支架组件中。在示例性实施例中，太阳能阵列还包括附接到扭矩管或扭力梁的至少一个阻尼器，并且弹簧结合到阻尼器中。太阳能阵列可以具有至少一个轴承壳体，该轴承壳体将扭矩管或扭力梁附接到支撑柱，并且弹簧可以位于轴承壳体处。在示例性实施例中，弹簧结合到轴承壳体中。太阳能阵列还可包括扭矩限制器组件。

太阳能阵列可以具有第一弹簧平衡组件和第二弹簧平衡组件，该第一弹簧平衡组件在该排的第一端处或附近连接到扭矩管或扭力梁并且结合第一弹簧，该第二弹簧平衡组件在该排的第二端处或附近连接到扭矩管或扭力梁并且结合第二弹簧。每个弹簧平衡组件包括至少一个顶部支架和至少一个底部支架、至少一个弹簧、阻尼器和支架。弹簧具有第一端和第二端。弹簧的第一端附接到顶部支架，弹簧的第二端附接到底部支架。阻尼器具有第一端和第二端。阻尼器的第一端附接到顶部支架，阻尼器的第二端附接到底部支架，使得阻尼器基本上平行于弹簧定位。支架附接到顶部支架并且使得扭矩管或扭力梁插入穿过支架插入以将弹簧平衡组件连接到扭矩管或扭力梁。

在示例性实施例中，弹簧平衡组件包括：偏心压缩套管，其构造成可滑动地安装在扭矩管或扭力梁上；成形的外轴承壳体，其构造成安装在偏心压缩套管上方；和/或由弹性材料构成的多个可压缩帘线。偏心压缩套筒和成形的外轴承壳体可以在太阳能跟踪器组件的旋转运动期间提供阻尼。可压缩帘线的柔性材料可以是橡胶或其他弹性体。在示例性实施例中，套筒具有八边形内表面，该八边形内表面具有一个或多个基本上平坦的表面，并且轴承壳体具有一个或多个突起，使得在基本平坦的表面和突起之间限定一个或多个空间。可压缩帘线可设置在基本平坦的表面和突起之间的空间中。

在示例性实施例中，套筒具有八边形内横截面和带有四个突起的基本上圆形的外横截面。轴承壳体可以是大致方形的，并且弹簧平衡组件允许扭矩管或扭力梁的多达至少正或负45度的旋转。在示例性实施例中，套筒具有八边形内横截面和带有三个突起的大致三角形的外横截面，并且弹簧平衡组件允许扭矩管或扭力梁的多达至少正或负60度的旋转。外轴承壳体是以下之一：基本上为方形、基本上为六边形和具有三个突起的基本上为圆形。

弹簧平衡组件的示例性实施例包括：具有一个或多个突起的轴承壳体；设置在轴承壳体内的套筒，其使得在套筒和突起之间限定一个或多个空间；以及由一个或多个由弹性材料构成的可压缩帘线。可压缩帘线设置在套筒和突起之间的空间中。

在示例性实施例中，弹簧平衡组件包括轴承壳体和套筒，套筒设置在轴承壳体内并且构造成可滑动地安装在扭矩管或扭力梁上。弹簧平衡组件还可包括至少一个螺旋弹簧和旋转止动件。套筒可以由弹性材料制成并限定一个或多个空气空间。在示例性实施例中，弹簧平衡组件还包括至少一个旋转止动件。轴承壳体可以由弹性材料制成，并且还包括至少一个旋转止动件。

因此，可以看出，提供了用于太阳能跟踪器和太阳能阵列的弹簧平衡组件和平衡系统。所公开的组件、系统和方法提供改进的平衡系统，其消除死区、降低复杂性、需要较少的结构材料、最小化驱动力、并且导致较低的扭转偏转。通过阅读以下详细描述以及附图，将理解这些和其他特征和优点，其中相同的附图标记全文表示相同的部件。

附图说明

参考以下结合附图的描述，本公开的上述特征和目的将变得更加明显，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是根据本公开的太阳能跟踪器组件的示例性实施例的透视图；

图2a是根据本公开的弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；

图2b是图2a的弹簧平衡组件的侧视图；

图3是根据本公开的安装在扭矩管或扭力梁上的弹簧平衡组件的示例性实施例的侧视图；

图4是根据本公开的安装在太阳能跟踪器组件上的弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；

图5a是根据本公开的拉伸弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；

图5b是图5a的拉伸弹簧平衡组件的侧视图；

图6是根据本公开的安装在扭矩管或扭力梁上的拉伸弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；

图7是根据本公开的安装在扭矩管或扭力梁上的拉伸弹簧平衡组件的示例性实施例的侧视图；

图8是根据本公开的安装在太阳能跟踪器组件上的拉伸弹簧平衡组件的示例性实施例的侧视图；

图9是根据本公开的安装在太阳能跟踪器组件上的拉伸弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；

图10是根据本公开的集成弹簧平衡轴承组件的示例性实施例的剖视图；

图11是根据本公开的集成弹簧平衡轴承组件的示例性实施例的横截面图；

图12是根据本公开的集成扭转弹簧平衡轴承组件的示例性实施例的侧视图；

图13a是根据本公开的弹簧平衡组件的轴承壳体的示例性实施例的俯视图；

图13b是根据本公开的图13a的扭转弹簧轴承插入件的示例性实施例的侧视图；

图14a是根据本公开的集成弹簧平衡轴承组件的示例性实施例的透视图；

图14b是图14a的集成弹簧平衡轴承组件的正面剖视图；

图14c是图14a的集成弹簧平衡轴承组件的弹性体空间的角部的细节图；

图15a是根据本公开的弹簧平衡组件的轴承壳体的示例性实施例的透视图；

图15b是图15a的轴承壳体的前视图；

图15c是图15a的轴承壳体的侧视图；

图15d是图14a的轴承组件的套筒的俯视图；

图16a是根据本公开的弹簧平衡组件的套筒的示例性实施例的透视图；

图16b是图16a的套筒的正面剖视图；

图17a是根据本公开的弹簧平衡组件的可压缩帘线的示例性实施例的透视图；

图17b是图17a的可压缩帘线的正面剖视图；

图17c是图17a的可压缩帘线的侧视图；

图17d是图17a的可压缩帘线的俯视图；

图18a是根据本公开的没有可压缩帘线的弹簧平衡组件的示例性实施例的正面剖视图；

图18b是图18a的弹簧平衡组件的正面剖视图；

图18c是旋转的图18a的弹簧平衡组件的正面剖视图；

图19是根据本公开的弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；

图20a是根据本公开的弹簧平衡组件的示例性实施例的正面剖视图；

图20b是在旋转30度的状态中的图20a的弹簧平衡组件的正面剖视图；

图20c是在旋转52度的状态中的图20a的弹簧平衡组件的正面剖视图；

图21是根据本公开的安装在扭矩管或扭力梁上的弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；

图22是根据本公开的安装在太阳能跟踪器组件上的弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；

图23a是根据本公开的弹簧平衡组件的示例性实施例的正面剖视图；

图23b是旋转中的图23a的弹簧平衡组件的正面剖视图；

图23c是旋转中的图23a的弹簧平衡组件的正面剖视图；

图24是根据本公开的安装在扭矩管或扭力梁上的弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图；和

图25是根据本公开的安装在太阳能跟踪器组件上的弹簧平衡组件的示例性实施例的透视图。

具体实施方式

在以下段落中，将参照附图通过示例详细描述实施例，附图未按比例绘制，并且所示出的部件不一定彼此成比例地绘制。在整个说明书中，所示的实施例和示例应被视为示例，而不是作为本公开的限制。如本文所用，“本公开”是指本文描述的任何一个实施方案，以及任何等同物。此外，贯穿本文件参考本公开的各个方面并不意味着所有要求保护的实施例或方法必须包括所引用的方面。

现在将描述包含一个或多个弹簧平衡组件的太阳能跟踪器。本文描述的弹簧平衡组件设计成允许大程度的旋转并抵消安装在扭矩管或扭力梁组件上的收集器的悬臂重量。如图1所示，示例性太阳能跟踪器组件12包括至少一个支撑柱32，支撑柱32可以是任何形状并且由任何材料构成，只要它能够支撑安装在其上的pv模块或收集器即可。太阳能跟踪器组件12的示例性实施例包括两个间隔开的支撑柱32。扭矩管或扭力梁34或其他跟踪器结构是连接到支撑柱的。更具体地，扭力梁34桥接两个支撑柱并且可以通过轴承壳体36和包括任何合适的紧固件的轴承壳体装置附接到支撑柱32。

包括多个连接的梁的扭矩管或扭力梁34可以是适于支撑安装架或其他安装机构的任何形状或构造，并且在示例性实施例中，它具有圆形、方形或六边形的横截面。应该注意的是，扭矩管或扭力梁34可以是任何横截面形状，包括但不限于圆形、圆形状、卵形、正方形、矩形、三角形、五边形、六边形和八边形。在具有悬臂重量的系统中，悬臂负载扭矩随着系统旋转而变化。

枢转轴40延伸穿过扭矩管或扭力梁34，扭矩管或扭力梁34可绕枢转轴40枢转或旋转。太阳能模块42可以安装到太阳能跟踪器12、使用夹具或安装支架35安装在扭矩管或扭力梁34上，或者通过模块安装支架组件或其他安装装置安装在安装架上。应该注意的是，太阳能跟踪器可以在双光束或多光束扭转结构布置中使用多于一个的扭矩管或扭力梁。在这样的实施例中，跟踪器将具有沿其长度延伸的两个或更多个扭力梁。一排多个跟踪器可以具有沿着该排的长度延伸的两个或更多个扭力梁。

安装架(未示出)附接到扭矩管或扭力梁34。在示例性实施例中，安装架包括前框架支撑件和后框架支撑件(未示出)。前框架支撑件设置在扭矩管或扭力梁的第一侧上，后框架支撑件设置在扭矩管或扭力梁的第二相对侧上。

太阳能跟踪器12可以具有齿轮驱动的机械系统，该机械系统包括齿轮齿条14。机械系统还可以包括齿轮驱动系统16，齿轮驱动系统16包括扭矩限制器18，例如扭矩限制离合器。可以提供电动机15以驱动齿轮驱动系统16，齿轮驱动系统16又直接旋转扭力梁或扭矩管34，或者驱动齿轮齿条14，齿轮齿条14又驱动扭矩管或扭力梁34或另一安装梁结构的模块。齿轮齿条14可以是直齿轮齿条或d形环链驱动器，其固定到跟踪器的可旋转的扭矩管或扭力梁。因此，当由齿轮驱动系统驱动时，跟踪器旋转。类似于跟踪组件12的第二、第三等机械单元可以通过单独且类似的蜗杆组件连接到驱动轴25。针对齿轮驱动的机械系统中的多个机械单元这可以重复进行。

示例性太阳能跟踪器组件12还可包括一个或多个阻尼器58，其结合在齿轮齿条上或齿轮齿条附近，以控制扭转力的释放并减缓太阳能跟踪器组件的运动。阻尼器58可以作为阵列末端的止动件起双重作用，或者可以设置在任何位置的阻尼器以帮助调节扭转释放反应速度并抵抗铰链力矩负载。在示例性实施例中，弹簧集成到至少一个阻尼器中。可以提供附加的支架，其允许阻尼器58连接在跟踪器12的扭矩管34和支撑柱32之间。阻尼器58可以结合在齿轮驱动器处，以控制在过转矩释放事件期间跟踪器旋转的速率。当通过允许系统旋转来释放扭转时，允许阵列移动的速度可以通过离合器的滑动摩擦或外部阻尼器或两者来控制。弹簧可以结合到一个或多个阻尼器支架中。

参照图2a-9，现在将描述弹簧平衡组件10和10a的示例性实施例。弹簧平衡组件的示例性实施例包括顶部支架62、底部支架64、阻尼器66、支架68和弹簧70，弹簧70可以是拉杆弹簧、拉伸弹簧、片簧或任何其他合适类型的弹簧。弹簧70位于顶部支架62和底部支架64之间。更具体地，弹簧70的第一端直接或间接地附接到顶部支架，并且弹簧70的第二端直接或间接地附接到底部支架64。如图2a和2b最佳所示，弹簧座72可用于将弹簧70连接到顶部支架62和底部支架64。或者，如图5a和5b最佳所示，弹簧平衡组件10a的弹簧70可以直接连接到顶部支架62和底部支架64。

在示例性实施例中，阻尼器66基本上平行于弹簧70定位。更具体地，阻尼器66的第一端附接到顶部支架62，并且阻尼器66的第二端附接到底部支架62。在示例性实施例中，支架68附接到顶部支架62，并且其尺寸和形状设计成使扭矩管或扭力梁34插入穿过支架。支架的这种配置提供了对扭矩管或扭力梁的快速且容易的附接以及弹簧平衡组件与太阳能跟踪器中的结合。应当注意，可以使用多于一个支架68，并且示例性实施例采用两个或更多个支架68，用于将弹簧平衡组件安装到扭矩管或扭力梁34。平衡弹簧和阻尼器也可以通过单独的支架安装在支撑柱(未示出)上的相同或不同的位置，而具有类似的效果。

如图3-4和6-9所示，通过将弹簧平衡组件连接到跟踪器的扭矩管或扭力梁，可以将拉伸弹簧平衡组件10或10a结合到太阳能跟踪器中。如上所述，弹簧平衡组件10通过组件顶部框架上的一个或多个支架68连接到太阳能跟踪器。更具体地说，因为支架的尺寸和形状适合安装在扭矩管或扭力梁上，所以它可以滑动到扭矩管或扭力梁(或通过支架的开口插入的管或梁)上以将弹簧平衡组件附接到跟踪器。如图4、6和9最佳所示，弹簧平衡组件也可以使用下部支架74在一个或多个位置处固定到支撑柱。更具体地，顶部框架可包括销、螺纹紧固件或其他类型的紧固件以将其附接到支撑柱的顶部部分，和/或底部框架可具有一个或多个额外的下部支架74，其配合在支撑件周围并在支撑柱底部或附近的位置处将其附接到支撑柱上。

在示例性实施例中，平衡组件10或10a可以结合到包括一排或多排太阳能跟踪器的太阳能阵列中。太阳能电池阵列可以包括单独的电动跟踪器，而在排之间没有机械连接。该阵列可包括多排太阳能跟踪器，其由多排连接的太阳能跟踪器组成。更具体地，多个太阳能跟踪器可以以大阵列配置机械连接，使得它们可以由单个电动机和跟踪器控制器驱动一致地操作。在示例性实施例中，一个弹簧在跟踪器排的第一端处或附近连接到扭矩管或扭力梁，并且另一个弹簧在该排的第二端处或附近连接到扭矩管或扭力梁。如上所述，每个弹簧可以结合到弹簧平衡组件中或结合到阻尼器或轴承壳体组件中。

示例性实施例包括一种配置，其中两个拉杆弹簧朝向跟踪器排的端部放置。拉杆弹簧可以结合到阻尼器支架组件中或者通过单独的支架与阻尼器分开地设置。示例性实施例包括一种配置，其中两个压缩拉杆弹簧朝向跟踪器排的端部放置。压缩拉杆弹簧可以结合到阻尼器支架组件中或者通过单独的支架与阻尼器分开地设置。示例性实施例包括一种配置，其中两个片簧朝向跟踪器排的端部放置(未示出)。片簧可以结合到阻尼器支架组件中或者通过单独的支架与阻尼器分开地设置。在示例性实施例中，较小的拉杆、拉伸弹簧或片簧可位于每个轴承壳体处。弹簧也可以集成到轴承壳体的止动块中。示例性跟踪器可包括其与轴承壳体成一体的扭转弹簧枢转点和/或其不与轴承壳体成一体但是具有平衡运动的扭转弹簧枢转点。

结合上述非弹性弹簧平衡组件实施例的太阳能跟踪器通常具有固有的阻尼机构。在2017年2月28日授权的美国专利9,581,678中详细描述了阻尼器及其在太阳能跟踪器中的使用，该专利的全部内容通过引用结合于此。如图1最佳所示，示例性太阳能跟踪器可以包括结合在齿轮齿条上或附近的阻尼器，以控制扭转力的释放并减缓太阳能跟踪器组件的运动。阻尼器可以结合在齿轮驱动器上，以控制在过转矩事件期间跟踪器旋转的速率。然后，最大角度止动件不仅可以通过齿轮齿条抵抗，而且可以通过齿轮齿条处的阻尼器抵抗，或者通过在太阳能跟踪器12排的端部处的止动件抵抗，从而共享齿轮齿条60的扭转负载并通过扭矩管34上的多个点分配扭转负载。阻尼器58可以作为阵列末端的止动件起双重作用，或者可以设计设置在任何位置的阻尼器以帮助调节扭转释放反应速度并抵抗铰链力矩负载。

现在转向图10，现在将描述采用分立螺旋弹簧和旋转止动件的集成弹簧平衡组件的示例性实施例。弹簧平衡组件110不提供固有阻尼，并且可能需要额外的阻尼器来控制移动或振荡的速度。以横截面示出的弹簧平衡组件110具有壳体162，壳体162包括上圆形部分166以及下部168，该上部圆形部分166滑动到太阳能跟踪器的扭矩管或扭力梁上。铝或其他合适结构材料的内层174设置在壳体162的顶部166内，并且在顶部166和内层174之间存在圆形聚合物轴承材料层167。内层174的内表面的尺寸和形状设计成适配太阳能跟踪器的扭矩管或扭力梁。在示例性实施例中，内层174的内表面具有八边形横截面，并且外表面具有基本上圆形的横截面。

壳体162的下部168包括两个螺旋弹簧170、止动块164并且具有用于结合安装螺栓172或其他紧固机构的底表面。更具体地，止挡块164位于内层174的正下方的弹簧平衡组件110的中心。止动块164在每侧由螺旋弹簧170侧接，其中一个螺旋弹簧170邻近止动块164的右侧，另一个螺旋弹簧170邻近止动块164的左侧。弹簧平衡组件110的这种双弹簧和止动件的设计有利地以两种方式限制扭矩管或扭力梁沿其旋转角度176的旋转。每个螺旋弹簧170提供旋转阻力，并且取决于旋转方向，右侧的螺旋弹簧或左侧的螺旋弹簧可以压缩下降。而且，当扭矩管或扭力梁旋转时，当止动块164撞击弹簧平衡组件110的壳体162的下部168的侧面时，可以限制旋转。

图11示出了具有径向弹性套筒的弹簧平衡组件的示例性实施例。由于弹性体缺乏弹簧滞后，该实施例还可以提供固有阻尼。弹簧平衡组件210包括壳体262，壳体262具有止动件264，止动件264作为壳体本身的内部结构的一部分。在示例性实施例中，壳体262由铝、铸铁或其他合适的结构材料制成。设置在壳体262内的是由弹性聚合物材料构成的基本上圆形的中间层270。中间聚合物层270限定设置在其中的一个或多个空气空间272。在示例性实施例中，存在间隔开并围绕中间层270的圆周延伸的多个空气空间272。耦合器266设置在中间层270的内表面附近，该耦合器266可以是弹性体铸造的金属管。耦合器266的尺寸和形状设计成在太阳能跟踪器的扭矩管或扭力梁上滑动，并且在示例性实施例中，具有八边形横截面。

在示例性实施例中，壳体262基本上是圆形的，且具有延伸侧面和基本平坦的底座。它设计成在容纳中间层270和金属管266的圆形部分的底部具有止动件264。壳体262还在其底座部分中具有位于止动件264正下方的中挡边274。示例性实施例包括在耦合器266上的至少一个旋转止动件268。旋转止动件268可以位于耦合器266的每个横向侧的每个底角处。壳体262有利地旋转而没有任何滑动表面。而是，当扭矩管或扭力梁围绕其旋转角度276旋转时(如图1所示的54也是)，弹簧平衡组件210在中间弹性体层中弯曲并提供旋转弹簧力。当扭矩管或扭力梁旋转到其极限时，耦合器266上的旋转止动件268中的一个撞击壳体262的止动件264。金属止动件之间的弹性体对旋转起到软停止作用。

参照图12、13a和13b，现在将描述具有整体纵向弹性体扭转弹簧和提供固有阻尼的表面轴承的弹簧平衡组件。弹簧平衡组件310包括轴承壳体362和内弹性体管374，内弹性体管374在弹性体管374的每个端部处结合到两个八边形金属或塑料插入件上，其中弹性体管374在轴承壳体362内部的聚合物轴承层367上旋转。示例性轴承壳体362包括上圆形部分366和下部368，下部368具有底表面，以用于结合安装螺栓372或其他紧固机构。壳体362由铝、铸铁、工程聚合物或其他合适的结构材料制成。上部分366和下部368连接，并且整个壳体362形成圆形内部。圆形轴承层367设置在壳体362的内部的端部处并且由聚合物轴承材料制成。内弹性体扭矩管34具有外表面和内表面，该外表面具有与圆形聚合物轴承材料367配合的基本上圆形的横截面，并且内表面的尺寸使得结合到每个端部处的两个成形的插入件能够滑动到并且旋转地键合到扭矩管或扭力梁34。在示例性实施例中，内表面具有八边形横截面。

弹性体扭矩管层374具有至少一个整体形成的突起，该突起键合到轴承壳体362。在示例性实施例中，扭矩管34固定到轴承壳体362的中心处，而每个端部与扭矩管或扭力梁键合。在该实施例中，扭矩管使弹性体扭转弹簧374相对于轴承壳体扭转，从而在任一方向上转动时产生平衡旋转力。弹性体扭矩管374通过防旋转凸片376锚固到壳体362中，防旋转凸片376互锁到壳体362的上部分366中的孔中。当达到所需的旋转角度极限时，旋转止动件364在凹口365处接合轴承壳体362。弹簧平衡组件310的设计有利地通过将扭转弹簧层374平行于旋转轴的配置来最小化组件的直径。更具体地，止动件364和内部结构层374的表面的轴承端部位于壳体362的端部处并且在那些端部处键合成扭矩管或扭力梁的形状。键合端模制成弹性管，弹性管在中心处连接到壳体362。

现在转到图14a-17d，现在将描述提供平衡弹簧力和固有阻尼的弹簧平衡组件。如本文详细讨论的，弹簧平衡组件410包括一个或多个可压缩帘线478，以提供旋转平衡弹簧力和阻尼能力。在示例性实施例中，可压缩帘线478由柔性材料制成，该柔性材料可以是诸如橡胶的弹性材料。橡胶或其它弹性材料的滞后不足提供了自然阻尼，在某些情况下不需要使用阻尼器。可压缩帘线结合到具有大致方形的轴承壳体和基本圆形的套筒的组件中。组件410设计成允许很大程度的旋转并抵消如安装太阳能模块的太阳能跟踪器之类的重物。更具体地，方形设计允许旋转运动达到正或负大约48度的旋转。

组件410包括套筒470，套筒470的尺寸和形状使得其可以在扭矩管或扭力梁上滑动，或者使得扭矩管或扭力梁可以滑动穿过套筒470。套筒470的内表面472可以是任何合适的形状，以对应于扭矩管或扭力梁的横截面形状。在示例性实施例中，套筒470的内表面472具有八边形形状，并且外表面480基本上是圆形的且具有四个突起486，以在可压缩帘线478旋转时压缩可压缩帘线478。弹簧平衡组件410还包括轴承壳体476。套筒470设置在轴承壳体476内，并且可压缩帘线478位于套筒470和轴承壳体476之间。轴承壳体476可以是任何合适的形状，并且在示例性实施例中，基本上是方形的且具有四个圆角。

在示例性实施例中，套筒470与四个可压缩帘线478一起设置在轴承壳体476内，每个可压缩帘线位于轴承壳体476的角484附近。更具体地，如图14a和14b最佳所示，当套筒470设置有轴承壳体476时，在套筒的外表面480和轴承壳体的圆角484的内表面之间限定有四个空间482。每根可压缩帘线478位于空间482中，使得可压缩帘线牢固地设置在套筒470和轴承壳体476之间。套筒470的外表面480的大致圆形的四个突起可具有平坦部分488，其定位成与空间482对应，使得可压缩帘线478搁置在套筒的平坦部分上。

如图16b最佳所示，在示例性实施例中，套筒470在每个平坦部分488处具有比在套筒的更多突起486处的相对更厚的横截面处相对更薄的横截面，并且套筒的外表面480在平坦部分488和多个圆形部分或突起486之间交替。更薄的横截面设计成在套筒470的平坦部分488处容纳可压缩帘线478。如图16a和16b最佳所示，套筒470的每个平坦部分488可以限定从一个突起486到相邻突起486的过渡490。

当套筒470旋转时，可压缩帘线478既滚动又压缩以提供平衡旋转弹簧力。该力是弹性体的硬度(刚度)与套管470和夹带可压缩帘线478的轴承壳体476的形状关系的函数。在该实施例中，弹簧轴承设计成抵消安装在扭矩管或扭力梁上的装置的悬臂旋转重量。悬臂重量是旋转角度、重量和重量距旋转中心的距离的正弦函数。因此有利的是，设计弹性体弹簧轴承组件的弹簧力曲线，以提供接近旋转角度的正弦函数的阻力曲线，该旋转角度对应于由安装在扭矩管或扭力梁上的收集器产生的力矩产生的扭矩幅度。

弹簧平衡组件410有利地允许高达+或-48度的旋转并且受益于小的外部封套和四根可压缩帘线。需要+或-48度旋转的应用可能受益于这种设计，因为其距中心旋转点的半径小，这使得悬臂重量最小化，并且因为弹簧和阻尼器负载与四根可压缩帘线共用。

参照图18a-22，弹簧平衡组件510的另一示例性实施例通过将可压缩帘线576结合在圆形三叶轴承壳体和改进的鲁洛三角形套筒570中来提供固有阻尼。在一些应用中，需要高达+或-63度的旋转，组件510可以促进该旋转。

当太阳能跟踪器组件12的扭矩管或扭力梁34旋转时，阻尼线578随着套筒570绕旋转角度592旋转而压缩，并且轴承壳体576保持在固定位置。更具体地，当套筒570旋转并且套筒的三个突起部分586相对于静止轴承576移位时，每跟阻尼帘线578在轴承壳体576的内壁和套筒570的突起表面586之间压缩，由于每个突起部分586的位置改变，空间582的尺寸减小。当可压缩帘线578达到其最大可压缩性时，由于弹性体材料的滞后缺乏，它们在压缩释放时提供旋转弹簧力和阻尼。可压缩帘线578可以由柔性材料制成，其可以是弹性材料，例如橡胶。橡胶或其它弹性材料的固有的滞后缺乏提供了自然阻尼，从而避免了使用阻尼器的需要。组件510设计成允许很大程度的旋转并抵消来自诸如安装太阳能模块的太阳能跟踪器之类的物体的悬臂力矩负载。

弹簧平衡组件510包括套筒570，套筒570的尺寸和形状使得它可以在扭矩管或扭力梁上滑动，或者使得扭矩管或扭力梁可以滑动穿过它。在示例性实施例中，套筒570的内表面572具有八边形形状。套筒570具有基本上三角形的横截面，并且外表面580具有构成三角形的侧面的三个主要为平坦的部分588和构成三角形的角度的三个圆形部分或突起586。轴承壳体576具有大致六边形的横截面，其具有六个平坦的侧面部分574和六个成角度的角584。轴承壳体576可以设计成使得角的角度不完全相等。在示例性实施例中，底角具有比顶角小的角度。

在示例性实施例中，套筒570设置在轴承壳体576内，使得套筒570的每个突起586定位在轴承壳体576的三个交替的内部成角度的角584中的一个附近。如图18a最佳所示，在组件510的这种配置中，套筒570的每个平坦部分588位于面向轴承壳体576的另外三个交替的内部成角度的角584中的一个处，使得在每个平坦部分588和每个内部成角度的角548之间限定空间582。

套筒570可以与图23a-25中所示的轴承壳体676的另一个实施例一起使用。在弹簧平衡组件510a的这种变型中，轴承壳体676基本上是圆形的且具有三个突起686，并且套筒570设置在轴承壳体676内，使得套筒570的三个主要的平坦部分588中的每一个都位于面对其中一个突起686处，使得在每个平坦部分588和每个突起686之间限定空间582。在大的旋转角度下，结合具有三个突起的大致圆形的轴承壳体比六边形设计能够更好地夹紧可压缩帘线。

当套筒570旋转时，可压缩帘线578既滚动又压缩到较小的空间中，这产生平衡弹簧力。由于安装在扭矩管或扭力梁34上的设备的悬臂重量产生围绕旋转轴中心的力矩，将弹簧设计优选地构造成同等地抵消设备在旋转时产生的力矩。平衡力是围绕质心的力矩，因此是旋转角度的正弦函数。由装置的悬臂重量产生的力矩等于sin*角度*重量*距质心的距离。这描述了具有幅度的正弦函数。为了设计相应的相等的平衡力，所产生的旋转弹簧力的形状应该是正弦函数，并且导出所需的振幅是由于可压缩帘线在旋转期间的压缩和它们相应的抗压性或者以硬度计测量的称为它们的硬度的结果。弹性体的硬度，其压缩时的特性以及夹带可压缩帘线的套筒和轴承壳体的几何形状关系是相互关联的变量，以实现所需的平衡振幅以接近正弦函数力矩阻力曲线。

在示例性实施例中，可压缩帘线578位于套筒570和轴承壳体576之间。在示例性实施例中，存在三根可压缩帘线578，每根可压缩帘线位于轴承壳体576的内部成角度的角584附近。更具体地，如图20最佳所示，每根可压缩帘线578位于三个空间582中的一个中，该三个空间582限定在套筒570的三个平坦部分588和轴承壳体576的内部成角度的角584之间。每根可压缩帘线578位于空间582中，使得可压缩帘线牢固地设置在套筒570和轴承壳体576之间。

弹簧平衡组件510有利地允许太阳能跟踪器12的大程度旋转，其可以达到126度，或者加或减至少63度。当太阳能跟踪器组件12的扭矩管或扭力梁34旋转时，套筒570旋转，轴承壳体576保持在固定位置，并且阻尼帘线578压缩。更具体地，当套筒570围绕旋转轴592旋转并且套筒的突起部分586相对于静止轴承576移位时，每根阻尼帘线578在内壁和轴承576的每个成角度的角584之间压缩，作为空间582的套筒570的突起部分586的边缘由于每个圆形部分586的改变的位置而尺寸减小。当可压缩帘线578达到其最大可压缩性时，由于橡胶材料缺乏滞后，它们提供阻尼。此外，当可压缩帘线578达到其设计的旋转极限时，可以进一步旋转，但是旋转阻力可以设计成随着旋转超过极限值而显着增加，该极限值将为系统的旋转产生软停止。

当与太阳能跟踪器的扭转限制器设计结合使用时，本文所述的弹簧平衡组件的示例性实施例允许扭转限制器纯粹根据风引起的扭矩的函数而不是风加上系统中的悬臂引起的扭矩的函数来释放扭转。这允许更精确地控制扭转释放并使系统中所需的速度和阻尼最小化，因为系统的悬臂重量不再应用于扭转限制器并且不会增加扭矩力或产生的释放速度。

与扭转限制器一起使用的弹簧平衡组件的示例性实施例消除了对死区的需要并且增加了发电厂的密度和整体土地利用效率。当与扭矩限制器结合使用时，它们使扭矩限制器能够更精确地和可预测地作出反应，因为跟踪器的位置和悬臂重量的变量在施加到限制器的扭矩中不起作用。它们还在扭矩释放期间降低了跟踪器系统的速度，因为一旦启动扭转释放运动，附加的可变的悬臂重量不会增加动态负载。示例性设计通过平衡重量来减小冲击载荷，并且还可以在接合跟踪器轴承上的机械止动件时产生软停止。

在2017年2月28日授权的美国专利9,581,678中详细描述了扭转限制器、扭矩限制器、扭转限制离合器以及包含扭转和扭矩限制器的太阳能跟踪器，该专利的全部内容通过引用结合于此。示例性齿轮驱动系统包括扭矩限制离合器和包括至少一个齿轮的齿轮组件。在示例性实施例中，太阳能跟踪器的齿轮驱动系统在太阳能跟踪器的第一级齿轮上包括扭矩限制离合器。示例性实施例可包括单级齿轮驱动太阳能跟踪器，其中齿轮驱动系统是直接旋转太阳能收集器阵列的单级蜗轮驱动器。齿轮组件可包括单向齿轮箱，扭矩限制器可以是包含在齿轮箱内的扭矩限制离合器。以离合器形式的扭矩限制器可以位于蜗轮传动器的输出端和太阳能收集器阵列之间。示例性实施例还包括两级或多级太阳能跟踪器。齿轮组件包括至少一个齿轮，并且在示例性实施例中，齿轮是蜗轮。

在示例性实施例中，扭矩限制离合器位于第一级蜗轮的输出和第二级齿轮的连接之间。扭矩限制离合器可以位于齿轮组件的输出端、太阳能跟踪器的第一级齿轮的输出端上、并且位于齿轮驱动系统接合太阳能跟踪器的齿轮齿条的位置之前。离合器可位于蜗轮齿轮的两个锥形部分处。两个钢锥在弹簧张力下接合蜗轮齿轮，弹簧张力可通过螺母或其他调节机构调节。扭矩限制器可以是位于双向齿轮箱的输入端处的电动机制动器，而不是离合器。扭矩限制器可以是连接到非对称输入/输出双向齿轮箱的电动机，其中驱动齿轮箱输入的效率大于从输出驱动时齿轮箱的效率。太阳能跟踪器可以是推/拉链接跟踪器，并且扭矩限制器可以是线性滑动装置。太阳能跟踪器可包括液压系统，并且扭矩限制器可以是减压阀。在示例性实施例中，扭矩限制机构可以是双向齿轮驱动电动机组件，其以预定扭矩反向驱动。

在示例性实施例中，扭矩限制离合器可以结合到多个太阳能跟踪器中，所述太阳能跟踪器连接成由一排或多排太阳能跟踪器组成的阵列布局。在示例性实施例中，一个弹簧在跟踪器排的第一端处或第一端附近连接到扭矩管或扭力梁，并且另一个弹簧在该排的第二端处或第二端附近连接到扭矩管或扭力梁。如上所述，每个弹簧可以结合到弹簧平衡组件中或结合到阻尼器或轴承壳体组件中。上面讨论的实施例有利地包括对跟踪器的驱动系统的较小应力、扭矩管或太阳能结构中较少的偏转、在扭转偏转控制设计情况下扭矩管或扭力梁中所需的材料较少、以及能够使用不复杂的枢轴和结构。

因此，可以看出，提供了并入了诸如太阳能跟踪器之类的系统中的弹簧平衡组件、系统和方法。虽然已经根据示例性实施例描述了系统、设备和方法，但是应该理解，本公开不必限于所公开的实施例。尽管在上文中描述了说明性实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开的情况下，可以在其中进行各种改变和修改。

应当理解，任何前述构造和专用组分或化学化合物可与前述实施方案的任何系统互换使用。其旨在涵盖包括在权利要求的精神和范围内的各种修改和类似的布置，其范围应当被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改和类似的结构。本公开包括以下权利要求的任何和所有实施例。在所附权利要求中旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有这些变化和修改。