一种计时转向方法、计时转向装置及追日系统与流程

本发明属于机械式计时控制方法及系统领域，具体涉及一种计时转向方法、计时转向装置及追日系统。

背景技术：

太阳能是地球分布最广的可再生能源，针对太阳能的光伏发电、光热利用等光能利用装置目前已广泛得到应用。保持光能利用装置正对太阳，保持太阳光的光线垂直照射，对提高光能利用效率至关重要。自动转向追日装置是调节光能利用装置的方位角和俯仰角变化以保证太阳光直射的一类追踪装置，目前已有多种追日装置的技术出现。

申请公布号为cn105429574a的专利公开了一种自调节光伏组件支架及其调节方法，该自调节光伏组件支架包括支架立柱(基座)以及与支架立柱连接，可沿自身轴向方向转动的支架主梁，支架主梁上设置向外延伸的延伸支架(支撑架)，还包括设置在延伸支架上的配重结构，用于使所述延伸支架的重心与所述支架主梁不重合；延伸支架上还设有动力水箱，动力水箱设置有排水管道和流量控制阀门，通过控制动力水箱定量排水使动力水箱的重量变化，所述延伸支架转动到相应能够实现延伸支架力矩平衡的倾斜角度。该自调节光伏组件支架降低了传统追日系统的控制难度，但配重结构及水箱排水管路的设置较为复杂；其通过流量控制阀门的开闭进行调节，调节精度较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种计时转向方法，从而解决现有追日装置的转向调节结构复杂的问题。本发明同时提供一种计时转向装置和追日系统。

为实现上述目的，本发明的计时转向方法的技术方案是：

一种计时转向方法，包括以下步骤：在与支撑件转动连接的转向杠杆上，连续或间断改变位于转向杠杆上的配重物的配重大小，位于转向杠杆上的弹性部件产生的弹性力与配重物的配重变化实现力矩平衡，进而使转向杠杆的转向发生变化。

所述配重物为固体配重物或液体配重物。

转向杠杆的转向追踪太阳的经度和/或纬度变化，在转向杠杆的朝阳侧上连接光能利用装置。

本发明提供的计时转向方法，通过改变转向杠杆上配重物的大小使转向杠杆的平衡发生变化，从而实现计时调整转向杠杆位置的功能；该计时转向方法与现有电机调节追日装置的转向方法相比，转向结构简单，成本和维护难度低，运行可靠性好。

本发明的计时转向装置的技术方案是：

一种计时转向装置，包括支撑件和与支撑件转动连接的转向杠杆，所述转向杠杆上设有用于使转向杠杆向沿重力方向转动的配重结构，还设有用于平衡所述配重结构的配重变化的弹性部件。

所述转向杠杆包括转向支架，在转向支架的朝阳侧上设置光能利用装置。

本发明的计时转向装置利用配重结构和弹性部件在转向杠杆上产生方向相反的力矩，随配重结构的配重变化实现力矩动态平衡。弹性部件的种类可根据转向轴、弹簧、配重结构的相对位置灵活设置，例如，可选择以下设置方式：

所述弹性部件为拉力弹簧，转向支架通过转向轴与支撑件转动连接，所述转向轴位于转向支架的中部，在转向支架上位于转向轴的两侧分别设置所述配重结构和所述拉力弹簧。

所述弹性部件为压力弹簧，转向支架通过转向轴与支撑件转动连接，所述转向轴位于转向支架的一端，在转向支架上远离转向轴的端部分别设置所述配重结构和所述压力弹簧。

所述转向轴沿南北方向延伸，转向支架随配重结构的配重变化在东西方向转动，形成追踪太阳经度变化的方位角追踪装置；或者所述转向轴沿东西方向延伸，转向支架随配重结构的配重变化在在南北方向转动，形成追踪太阳纬度变化的俯仰角追踪装置。

所述配重结构为固体配重物或液体配重物。可通过间歇或连续改变配重结构的配重变化，实现转向杠杆的间歇或连续调节。

优选的，液体配重物可采用以下方案：

所述配重结构包括设于转向支架上的上液箱和设于上液箱下方的下液箱，上液箱、下液箱之间连接有连通管和双向计量泵。

支撑件上设有用于将转向支架限制在最大转向角度处的限位器；限位器可以选择弹性部件，其可有效减小大风天气情况下转向杠杆受到的冲击力。

本发明的计时转向装置，转向调节结构简单，利用弹簧、水箱形式的动态力矩平衡，可增加系统对外界恶劣环境的适应性，降低控制系统难度，增加转向调节精度。

本发明的追日系统所采用的技术方案是：

一种追日系统，其特征在于，包括多个计时转向装置，各计时转向装置均包括支撑件和与支撑件转动连接的转向杠杆，所述转向杠杆上设有用于使转向杠杆向沿重力方向转动的配重结构，还设有用于平衡所述配重结构的配重变化的弹性部件；所述转向杠杆包括转向支架，在转向支架的朝阳侧上设置光能利用装置；

所述配重结构包括设于转向支架上的上液箱，还包括供各计时转向装置上的上液箱共用的下液箱，各上液箱之间相互连通，其中一个上液箱和下液箱之间连接有连通管和双向计量泵；

各计时转向装置的转向支架之间固定连接实现一致转动。

可通过上述追日系统实现方位角追踪或俯仰角追踪。如，各转向支架的转向轴线沿南北方向延伸，转向支架随配重结构的配重变化在东西方向转动，形成追踪太阳经度变化的方位角追日系统；或者各转向支架的转向轴线沿东西方向延伸，转向支架随配重结构的配重变化在在南北方向转动，形成追踪太阳纬度变化的俯仰角追日系统。

进一步的，可通过上述追日系统同时实现方位角追踪和俯仰角追踪。可采用以下方案：

各计时转向装置的转向支架均包括上下设置的方位角支架、俯仰角支架，或者上下设置的俯仰角支架、方位角支架，方位角支架的转向轴线沿南北方向延伸，俯仰角支架的转向轴线沿东西方向延伸；各方位角支架一致转动，各俯仰角支架一致转动，形成追踪太阳经度和纬度变化的双轴追日装置。

各方位角支架上设有方位角上水箱和弹性部件，各俯仰角支架上设有俯仰角上水箱和弹性部件，各方位角上水箱相互连通，各俯仰角上水箱相互连通，位于方位角上水箱、俯仰角上水箱的下方设有下水箱，其中一个方位角上水箱、其中一个俯仰角上水箱和下水箱之间均通过连通管和双向计量泵连接，实现各方位角支架的一致转动和各俯仰角支架的一致转动。

本发明的追日系统，结构简单，运行稳定性好，维护成本低，适于推广应用。

附图说明

图1为本发明的计时转向装置实施例1的结构示意图；

图2为图1的计时转向装置在冬至日、夏至日的转向示意图；

图3为本发明的计时转向装置实施例2的结构示意图；

图4为图3的计时转向装置在冬至日、夏至日的转向示意图；

图5为本发明的计时转向装置实施例3的结构示意图；

图6为实施例3的计时转向装置的系统控制框图；

图7为本发明的计时转向装置实施例4的结构示意图；

图8为实施例4的计时转向装置的系统控制框图；

图9为本发明的追日系统实施例5的结构示意图；

图10为图9由东向西看的结构示意图；

图11为图9由西向东看的结构示意图；

图12为图9由南向北看的结构示意图；

图13为本发明的追日系统实施例6的结构示意图；

图14为图13由北向南看的结构示意图；

图15为本发明的追日系统实施例7的结构示意图；

图16为本发明的追日系统实施例8的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的计时转向装置的实施例1，如图1至图2所示，包括支撑件1和通过转向轴2与支撑件1转动连接的转向支架3，转向支架3的朝阳侧上设有光伏组件4，转向轴2位于转向支架3的中部，在转向支架3上位于转向轴2的两侧分别连接有拉力弹簧50和配重结构6，拉力弹簧的另一端固定于支撑件1上，配重结构6包括配重挂架和位于配重挂架内的配重物。

实施例1中，太阳从冬至日到夏至日期间，其光线和水面垂线的夹角变化范围为47°，换算后每日变化角度为0.26°，由于日变化量过小，可采用根据设定的时间间隔增减配重块的形式进行间歇调节；如图2所示，配重挂架内清空时，转向支架与水平面的夹角最大，满足冬至日正午时，入射光线基本垂直光伏组件(或光热组件)；当配重挂架内配重物增添到最多时，转向支架和水平面之间夹角最小，满足夏至日正午时，入射光线基本垂直于光伏组件。

配重物若选择固体配重块，配重块选择等重物，每个配重挂架配置的配重块数量确定的情况下，增减配重块的时间间隔根据力矩平衡关系事先设定好。配重块数量越多，增减配重块的间隔时间越短，追踪精度越高。

弹簧的倔强系数等参数选择，和转向支架的重量、光伏组件的重量以及转向支架的尺寸相关，弹簧的倔强系数还应满足在给定风力条件下，计时转向装置不发生明显的震颤；此外弹簧还可有效减轻光伏组件受到的风压影响，当风力较大时，弹簧可以有效地消能，减轻对光伏组件及转向支架的破坏作用。

本发明的计时转向装置的实施例2，如图3至图4所示，包括支撑件1和通过转向轴2与支撑件1转动连接的转向支架3，转向支架3的朝阳侧上设有光伏组件4，转向轴2位于转向支架3的一端，在转向支架3上沿远离转向轴2的一侧上分别设置压力弹簧51和配重结构6，压力弹簧的另一端固定于支撑件1上，配重结构6包括配重挂架和位于配重挂架内的若干配重块。

实施例2中，太阳从冬至日到夏至日期间，转向支架的转向变化如图4所示；具体设置时，压力弹簧和水平面垂线可有一定倾角，当春分或秋分日时，弹簧垂直于转向支架，配重结构的配重块调整方法可参照实施例1。

本发明的计时转向装置的实施例3，如图5所示，包括支撑件1和通过转向轴2与支撑件1转动连接的转向支架3，转向支架3的朝阳侧上设有光伏组件4，转向轴2位于转向支架3的中部，在转向支架3的西侧连接拉力弹簧50，拉力弹簧50的另一端固定于支撑件1水平伸出的横杆150上，在转向支架3的东侧设置配重结构，配重结构包括设于转向支架上的方位角上水箱70、设于方位角上水箱70下方的下水箱10，方位角上水箱70、下水箱10之间连接有连通管80和通气管82，连通管80上接有双向计量泵801；支撑件1上还设有斜向外伸出的限位器9，以将转向支架限制在最大转向角度处。

实施例3中，配重结构采用液体配重物，可以为水、油等；弹簧的形变量和所受力之间基本呈线性关系。方位角追踪的系统控制框图如图6所示，设定的控制方位角由当前时间计算得到，作为前馈；实测的方位角作为反馈，和控制方位角比较，修正双向计量水泵的流速值。日出之前，通过双向计量泵向方位角上水箱内上水，直至限位器处，追踪太阳方位角过程中，根据时间值计算出太阳方位角目标值，和实测转向支架的方位角值比较，根据差值，调整双向计量泵向下水箱泵水的流速、流向，进而控制方位角上水箱的流出水量，基于方位角上水箱内剩余水量和拉力弹簧之间产生的力矩平衡，从而实现计时调整转向支架的转向功能。

该实施例中，由于弹簧和上水箱属于分布式布置，转向支架的受力比较均匀，不致因受力不均而使装置损坏，提高了装置的可靠性。

本发明的计时转向装置的实施例4，如图7所示，包括支撑件1和通过转向轴2与支撑件1转动连接的转向支架3，转向支架3的朝阳侧上设有光伏组件4，转向轴2位于转向支架3的一端，在转向支架3上沿远离转向轴2的一侧上分别设置压力弹簧51和配重结构，压力弹簧51的另一端固定于支撑件1上，配重结构包括设于转向支架上的俯仰角上水箱71、设于俯仰角上水箱71下方的下水箱10，俯仰角上水箱71、下水箱10之间连接有连通管80和通气管82，连通管80上接有双向计量泵。

该实施例用于太阳的俯仰角追踪，系统控制框图如图8所示，设定的控制俯仰角由当前时间计算得到，作为前馈；实测的俯仰角作为反馈，和控制俯仰角比较，若使用连续调节方式，修正双向计量水泵的流速值；若使用间歇式调节，则当偏差达到设定值以上时，启动水泵，水泵按照预设的运转时间长度、运转方向进行一次泵水，保持俯仰角转向支架位置和太阳的纬度位置一致，从而实现自动追踪太阳纬度位置功能。

考虑到俯仰角的变化速度非常缓慢，优选地，采用间歇式调节，相应地，双向计量泵可以选择为双向泵即可，泵水的时间间隔、每次泵水的时间长度由控制装置调整。

上述计时转向装置是利用以下方法进行计时转向：在与支撑件转动连接的转向杠杆上，连续或间断改变位于转向杠杆上的配重物的配重大小，位于转向杠杆上的弹性部件产生的弹性力与配重物的配重变化实现力矩平衡，进而使转向杠杆的转向发生变化。

本发明的追日系统的实施例5，如图9～图12所示，包括多个沿南北方向排列的转动一致的计时转向装置(方位角追踪)，每个计时转向装置均包括支撑件1和通过沿南北方向延伸的转向轴2与支撑件1转动连接的转向支架3，在转向支架3的朝阳侧上连接光伏组件4，各转向支架之间固定连接；转向轴2位于转向支架3的中部，各计时转向装置的支撑件1上设有向外伸出的沿东西方向延伸的横杆150，各横杆150之间通过沿南北方向延伸的水平杆151连接，在每个转向支架3上位于转向轴2的西侧连接拉力弹簧50的一端，拉力弹簧50的另一端连接于水平杆151上，在每个转向支架3上位于转向轴2的东侧设置方位角上水箱70，各方位角上水箱70之间通过连通管700相互连通，在方位角上水箱70的下方设置供各方位角上水箱共用的下水箱10，其中一个方位角上水箱70、下水箱10通过连通管和双向计量泵相连接，方位角上水箱和下水箱的顶部之间还设有通气管以保证气压相等。

该实施例中，各方位角追踪装置沿南北方向串列布置并保持在东西方向的转动一致，由于使用了共用的下水箱，降低了造价和控制系统的复杂性。

本发明的追日系统的实施例6，如图13～图14所示，包括多个沿东西方向排列的转动一致的计时转向装置(方位角追踪)，每个计时转向装置均包括支撑件1和通过沿南北方向延伸的转向轴2与支撑件1转动连接的转向支架3，在转向支架3的朝阳侧上连接光伏组件4；转向轴2位于转向支架的中部，在转向支架3上位于转向轴2的西侧连接拉力弹簧50的一端，拉力弹簧50的另一端连接于支撑件1向外伸出的沿东西方向延伸的横杆上，在转向支架3上位于转向轴2的东侧设置方位角上水箱70，各方位角上水箱70之间通过连通管700相互连通，在方位角上水箱70的下方设置供各方位角上水箱共用的下水箱10，方位角上水箱70、下水箱10之间的连接管路与追日系统的实施例1相同；各转向支架3上位于转向轴2的东侧设有向外伸出的连接杆170，各连接杆与沿东西方向延伸的联动连杆171通过联动连杆转向轴172转动连接，以实现各计时转向装置沿东西方向的一致转动。

本发明的追日系统的实施例7，如图15所示，包括多个沿东西方向排列的转动一致的计时转向装置(俯仰角追踪)，每个计时转向装置均包括支撑件1和通过沿东西方向延伸的转向轴2与支撑件1转动连接的转向支架3，在转向支架3的朝阳侧上连接光伏组件4；转向轴2位于转向支架3的南侧端部，在远离转向轴2的北侧依次设置压力弹簧51和俯仰角上水箱71，压力弹簧51的另一端连接于支撑件1上，各转向支架3之间固定连接，各计时转向装置的俯仰角上水箱、下水箱的设置与追日系统的实施例1中的方位角上水箱、下水箱的设置相同，在此不再详述。

本发明的追日系统的实施例8，如图16所示，包括多个转动一致的沿南北方向排列的计时转向装置(方位角和俯仰角追踪)，每个计时转向装置包括上下设置的俯仰角追踪装置和方位角追踪装置，俯仰角追踪装置包括俯仰角转向支架30和设于俯仰角转向支架30南侧端部的沿东西方向延伸的俯仰角转向轴20，俯仰角转向支架30上设有光伏组件4；各个俯仰角追踪装置沿南北方向顺序排列，各俯仰角追踪装置均设有向外伸出的连接杆170，各连接杆通过联动连杆转向轴172与沿南北方向延伸的联动连杆171转动连接，实现各俯仰角追踪装置沿南北方向的一致转动；

方位角追踪装置包括支撑件1和通过沿南北方向延伸的方位角转向轴21与支撑件1转动连接的方位角支架31，俯仰角转向轴20设于方位角支架31上，在俯仰角转向支架30上远离俯仰角转向轴20的北侧依次连接压力弹簧51的一端和俯仰角上水箱71，压力弹簧51的另一端连接于方位角支架31上；在各方位角支架31上位于方位角转向轴21的东侧设置方位角上水箱70，位于方位角转向轴21的西侧连接拉力弹簧的一端，拉力弹簧的另一端连接于支撑件1向外伸出的沿东西方向延伸的横杆上；各俯仰角上水箱71之间通过连通管相互连通，各方位角上水箱70之间通过连通管相互连通，位于方位角上水箱的下方设有供各俯仰角上水箱、各方位角上水箱共用的下水箱10，其中一个方位角上水箱、其中一个俯仰角上水箱与下水箱之间均连接有连通管和通气管，连通管上串联有双向计量泵；多个方位角追踪装置沿南北方向排列，各方位角支架31之间固定连接，实现各方位角追踪装置随方位角上水箱内水量的变化在东西方向的转动一致。

在本发明的追日系统的其他实施例中，弹性部件、配重结构的位置可以根据需要互换，满足力矩平衡条件即可；可以按照上述南北串列方式和东西串列方式设置成阵列分布的追日系统；液体配重物可选择油或其他液体。