专利名称：一种三足固定式双轴全自动太阳能跟踪器装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于太阳能光伏发电和太阳能光热利用领域，特别涉及一种利用阳光 采集器固定架的固有长度作为力臂，有效降低了跟日能耗和太阳能利用成本，采用三点定 位提高了设备的稳定性，增加了抗风暴能力的混合式双轴全自动太阳能跟踪装置。
背景技术：
太阳能作为一种可持续利用的清洁能源，是理想的可再生能源。由于太阳能量密 度低，能量接收连续性差，随季节、昼夜、气候条件的变化而变化，目前的应用主要集中在太 阳能热水器和太阳暖房等能量密度要求不高，采光时间不连续，用户分散的领域。大力发展 太阳能光伏发电和热发电是节约矿石能源，降低二氧化碳排放，确保能源安全，实现可持续 发展的有效途径。制约太阳能光伏发电的主要因素是光电转换成本高，发电量波动大，远距离输送 难度大。在相同天气状况下，采用太阳能跟踪技术使太阳电池始终垂直于太阳光线，有利于 提高太阳能的利用率，在延长发电时间的同时增加发电量，既能降低太阳能光伏发电成本， 又能在一定程度上减少对电网波动的影响。鉴于以上原因，太阳能跟踪技术受到了人们的
高度重视。根据控制部件中控制信号产生的方式广义上可将跟踪技术分为主动式、被动式和 混合式三类。根据转动调级部件中所含转动轴的个数通常将跟踪技术分为单轴跟踪和双轴 跟踪。将以上两种分类组合后，太阳能跟踪技术可分为主动式单轴跟踪、主动式双轴跟踪、 被动式单轴跟踪、被动式双轴跟踪、混合式单轴跟踪和混合式双轴跟踪。不管哪一类跟踪， 其转动驱动力大都是作用在转轴上，由于转轴贡献的力臂很小，对给定的负载就需要提供 较大的驱动力。为此由太阳能跟踪引起的电能消耗较大。其次，跟日部件通过转轴固结，稳 定性差，抗风暴能力低。为解决以上问题，申请人提出了一种侧拉式太阳能自动跟踪装置。 该侧拉式太阳能自动跟踪装置，利用光线采集器固定架的固有长度作为力臂，有效降低了 跟日能耗和太阳能利用成本，采用三点定位或线点定位提高了设备的稳定性，增加了抗风 暴能力的混合式单轴太阳能跟踪装置。但是该侧拉式太阳能自动跟踪装置仅适用于单轴跟 踪，仰角的调整人需要人工进行，自动化程度差，只适用于单台或小规模太阳能利用场合。 对于无人值守或大规模太阳能电站单轴跟踪是无法满足其功能需求。其次，现有的双轴跟 踪，不论是单台或阵列式，均使用一个中心支承轴，抗风暴能力差，使用受到限制。
实用新型内容本实用新型在侧拉式太阳能自动跟踪装置基础上进一步创新，解决了单轴与双轴 之间的耦合问题，利用杠杆原理、三点定位、中天坐标原点和一维驱动方式提供一种结构简 单、能精确控制的低耗能、稳定性好、抗风暴能力强的三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置。为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案予以实现[0007]—种三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，包括阳光采集器固定架、光强信号 采集器、支撑杆及主传动机构，在阳光采集器固定架底部沿阳光采集器固定架四边形对角 线方向设有两个相交的转轴，阳光采集器固定架的上端面设置有光强信号采集器；支撑杆 的顶端通过关节轴承与阳光采集器固定架的中心部位绞接，支撑杆的底端固定于主基座 上，主基座上还通过关节轴承连接有控制组件和主传动机构；副拉杆的顶端通过关节轴承 与阳光采集器固定架四边形的一个顶角S或四边形其中一条边沿中点部位S’绞接，所述 的阳光采集器固定架四边形的一个顶角S或四边形其中一条边沿中点部位S’与阳光采集 器固定架的中心部位0构成南北方位；副拉杆的底端与副传动机构相连并固定于副基座之 上；主拉杆的顶部通过关节轴承对应与阳光采集器固定架四边形的另一个顶角A或四边形 另一条边沿中点部位A’绞接，所述的阳光采集器固定架四边形的另一个顶角A或四边形其 中一条边沿中点部位A’与阳光采集器固定架1所选定的南北方位相互垂直；使得阳光采集 器固定架与支撑杆、主拉杆及副拉杆形成三点式或点线式刚性键结结构。本实用新型的其他技术特点为所述的主传动机构和副传动机构分别由齿轮组和 涡轮蜗杆系统及步进电机组成，控制组件采用微处理器，用于控制步进电机的驱动和转速， 以及分时控制主传动机构和副传动机构，所述的微处理器中还储存有太阳运行方位信息； 主传动机构和控制组件的面板上还设置有开机按钮、关机按钮、防风暴按钮和防冰雹按钮。所述的光强信号采集器为光伏组件或光热收集器件，将太阳的光强信号转变为电 信号，用于自动控制该装置的开机、关机和校对跟日误差、提供阴晴天信号的光电接收。所述的主拉杆和副拉杆的外部设置有可伸缩套筒，所述的套筒由半径从上到下依 次减小的外套筒、中套筒和内套筒组成，在外套筒上设置有关节轴承，用于实现主拉杆和副 拉杆与阳光采集器固定架相绞接；所述的中套筒根据用户的要求或装置的大小设置成一节 或多节。所述的主传动机构、副传动机构通过齿轮、链条或传动轴连接成一个整体，或者相 互独立运转或者只用主传动机构以适应不同的安装地理条件和功能要求。所述的主拉杆和副拉杆可分别围绕与阳光采集器固定架绞接处自由偏转。本实用新型的三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置与现有技术相比具有以下 技术优点1、根据杠杆原理，最大限度地利用阳光采集器件固定架的固有线度作为力臂，有 效降低了跟日的驱动力，从而降低了跟日能耗；2、阳光采集器固定架采用支撑杆、主拉杆、副拉杆三点式刚性固结，提高了设备的 稳定性和抗风暴能力；3、控制组件可分时控制主传动机构和副传动机构，以减少驱动能耗。4、主、副传动机构可以通过齿轮或链条或传动轴等将其连接成一个整体，也可相 互分离或者只取其一以适应各种不同安装地理条件和功能要求。5、采用中天坐标零点定位，避免日出方位的变化引起的零点偏移，提高了跟日的 稳定性和跟日精度；6、利用步进电机的转数或脉冲数描述太阳即时位置，便于精确定位；7、阴雨天自动停止跟日，节约能源；8、采用主动与被动相结合的混合式控制，提高了跟日精度；[0022]9、风暴天气时可通过手动或中央控制室控制功能，将阳光采集器固定架处在与风 暴阻力最小方位，有利于减小风暴的阻力，提高抗风暴能力；10、设有手动和中央控制室控制功能，在出现冰雹时，可以让阳光采集器固定架与 铅垂方向夹角最小，以提高抗冰雹能力。11、所有程序控制参数均具有可调性，以满足该设备安装地的地理坐标和气象条 件。
图1为本实用新型的阳光采集器固定架为菱形时的结构示意图。图2为本实用新型的阳光采集器固定架为矩形时结构示意图图3为本实用新型的套筒结构示意图。其中图中各标号分别表示1阳光采集器固定架、2光强信号采集器、3主拉杆、4副 拉杆、5支撑杆、6控制组件、7主传动机构、8副传动机构、9主基座、10副基座、11关节轴承、 12外套管、13中套管、14内套管、15、16转轴。
以下结合附图对本实用新型的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参见图1-2，本实用新型的三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，包括阳光采集 器固定架1、光强信号采集器2、支撑杆5及主传动机构7，在阳光采集器固定架1底部沿阳 光采集器固定架1四边形对角线方向设有两个相交的转轴(15、16)，阳光采集器固定架1的 上端面设置有光强信号采集器2。光强信号采集器2将太阳的光强信号转变为电信号，用于 自动控制该设备的开机、关机和校对跟日误差的光电接收装置。阳光采集器固定架1材质 和形状、尺寸可根据用户要求进行设计。支撑杆5的顶端通过关节轴承与阳光采集器固定架1的中心部位绞接，支撑杆5 的底端固定于主基座9上，主基座9上还通过关节轴承连接有控制组件6和主传动机构7。 副拉杆4的顶端通过关节轴承与阳光采集器固定架1四边形的一个顶角S或四边形其中一 条边沿中点部位S’绞接，阳光采集器固定架1四边形的一个顶角S或四边形其中一条边沿 中点部位S’与阳光采集器固定架1的中心部位0构成南北方位。副拉杆4上下运动将改 变阳光采集器固定架1的仰角，同时实现支撑作用；副拉杆4的底端与副传动机构8相连并 固定于副基座10之上。主拉杆3的顶部通过关节轴承对应与阳光采集器固定架1四边形 的另一个顶角A或四边形另一条边沿中点部位A’绞接，所述的阳光采集器固定架1四边形 的另一个顶角A或四边形其中一条边沿中点部位A’与阳光采集器固定架1所选定的南北 方位相互垂直，主拉杆3的上下运动将改变阳光采集器固定架1的方位角。使得阳光采集 器固定架1与支撑杆5、主拉杆3及副拉杆4形成三点式或点线式刚性键结结构。需要说明的是本实用新型将主拉杆3与副拉杆4分别与阳光采集器固定架1上特 定选择位置相铰接，其目的在于通过合理地利用点、线面共面的几何原理，选择恰当的位置 最大限度的增加主、副拉杆到阳光采集器固定架一边沿中心点的力臂，更好地实现低耗能 地控制阳光采集器固定架1的转动方位角和仰角。且主拉杆3和副拉杆4可分别围绕与阳 光采集器固定架绞接处自由偏转。[0033]另外用于连接主传动机构7与主基座9所用的关节轴承，是在设计所允许的范围 内能使两部件之间能够自由转动，而不受方位限制。用于连接副传动机构8与副基座10 所用的关节轴承，可以使副拉杆在设计所允许的范围内绕传动装置的固结点沿南北方向偏转。本实用新型所采用的主传动机构7和副传动机构8分别由齿轮组和涡轮蜗杆系统 及步进电机组成；如果主、副传动机构共用一台驱动电机时，主副传动机构通过齿轮或链条 或传动轴等连接成一个整体，且不安装电机的传动机构的动力可通过安装电机的传动机构 上的电磁阀门将驱动力导入不安装电机的传动机构；控制组件6由微处理器予以实现，步 进电机的驱动和转速由微处理器中设置的程序控制，微处理器中还储存有太阳运行方位信 息；控制组件6可分时控制主传动机构7和副传动机构8。其中控制组件6的控制原理如下由微处理器给出设备安装地当天中天北京时 间，并定义该时间为当日零点时刻，计算设定的开机时间(或即时时间)对应的转动角度， 将该角度转化为驱动步进电机快速转动的脉冲数输出，使驱动电机通过主传动机构7推动 主拉杆3让阳光采集器固定架1快速转动到开机时正对太阳的位置；此后微处理器根据设 定的阳光采集器固定架1与太阳同步转速对应的同步转动脉冲数输出，使驱动电机让阳光 采集器固定架1与太阳同步转动跟踪。当一天的跟踪时间结束后，微处理器输出返回指令， 使阳光采集器固定架1返回次日中天位置；此后微处理器向副传动机构8发出转动脉冲数， 当主副传动机构共用一台电机时，微处理器向主传动机构中的电磁阀发出指令，让驱动电 机的驱动力导入副传动机构，驱动副拉杆4使阳光采集器固定架1的仰角改变一天的角度。 至此一天的跟踪结束，微处理器发出关机指令并关机。控制组件6校正步骤原理如下当光强信号采集器2探测到阳光采集器固定架1 方位角跟踪滞后时即时向微处理器发出滞后信号，微处理器给步进电机输出快速转动的脉 冲，通过主拉杆3使阳光采集器固定架快速转动到即时正对太阳的位置；当阳光采集器固 定架1快速转动到即时正对太阳的位置时，光强信号采集器2告知微处理器，微处理器给步 进电机输出与太阳同步转速对应的同步转动脉冲数输出，通过主拉杆3使驱动电机让阳光 采集器固定架1与太阳同步转动跟踪。当光强信号采集器2探测到阳光采集器固定架方位 角跟踪超前时，即时向微处理器发出超前信号，微处理器停止给步进电机输出转动脉冲，使 阳光采集器固定架1停止转动等待该方位正对太阳的位置；当阳光采集器固定架1正对太 阳的位置时，光强信号采集器告知微处理器，微处理器给步进电机输出与太阳同步转速对 应的同步转动脉冲数输出，通过主拉杆3使驱动电机让阳光采集器固定架1与太阳同步转 动跟踪。相对于方位角而言仰角变化很小，根据光电池或光热转换特性可知由仰角引起的 误差可以忽略。本实用新型的太阳能跟踪装置控制组件6阴晴天判断控制步骤原理如下当光强 信号采集器2探测到晴天时，主控制和校正步骤按上述常规方式进行。当光强信号采集器 2探测到阴天时，主控单元停止向步进电机输出驱动信号，停止跟踪；当停止跟踪时间达到 设定时间间隔仍未收到晴天信号时，微处理器驱动步进电机快速转动，让设备恢复到中天 位置。参见图3本实用新型的主拉杆3和副拉杆4的外部设置有可伸缩套筒，将主拉杆3 和副拉杆4封闭在套筒中，以保护主副拉杆表面不受环境污染。该套筒由半径从上到下依次减小的外套筒12、中套筒13和内套筒14组成，在外套筒12上设置有关节轴承11，用于 实现拉杆3和4与阳光采集器固定架1连接；所述的中套筒13可以根据用户的要求或设备 的尺寸大小设置成一节或多节。另外本实用新型还有一个特点在于，如果将本实用新型的副传动机构8单独拆卸 后，本实用新型的主体结构变换成三足固定式单轴半自动太阳能跟踪装置。它能够有效延 伸产品的种类，更好地满足不同用户的设计需求。以下给出本实用新型的几个具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以 下实施例，在本实用新型基础上的等同变换、相同功能模块的替换或者基本单元分解或重 新组合或去掉某些基本单元后构成的新设计均在本实用新型的保护范围之中。初始状态阳光采集器固定架平面法线正对中天位置；设备参数夏季跟日时间 8:00 17:00 ；晴转阴等待时间30分钟；抗风能力8级(17. 2m/s)；采用中天坐标零点定 位，避免日出方位的变化弓I起的零点偏移实施例1 全天晴天，正常跟日7:59 光强信号采集器2探测太阳光强是否达到设备启动的设定值。如果没有达 到，设备处于中天位置的等待状态；如果达到，设备由中天位置自动快速转向当日8:00所 对应方位；8:00 设备自动跟日。在跟日过程中，副传动机构不启动。如果因某种原因使设备 跟日滞后，当光强信号采集器探测到设备滞后达到设定角度时，光强信号采集器发出校正 信号使设备快速转动到达即时跟踪方位；如果因某种原因使设备跟日超前，当光强信号采 集器探测到设备超前达到设定的一定角度时，光强信号采集器发出校正信号使设备停止转 动，当设备到达即时跟踪方位时再恢复自动跟日。17:00:设备自动跟日结束，开始快速返回到中天位置并启动副传动机构8使其改 变一天的仰角差值后停机。实施例2 跟日途中晴变阴雨天气状况9:00开始由晴变阴雨。8:00 9:00 正常跟日，如实施例1所述。9:00:光强信号采集器探测到阴雨天气信息，并发出停止跟日信号，令设备待机， 待机30分钟内光强信号采集器仍没有探测到阴变晴的信息后便自动返回中天位置待机， 17:00待机结束，启动副传动机构8使其改变一天的仰角差值后停机。实施例3 跟日途中晴变阴雨再转晴天气状况9:00开始由晴变阴，25分钟或40分钟后转晴。8 00 9 25 正常跟日，如实施例2所述。9:25 光强信号采集器探测到阴变晴的信息后，设备从9:00待机状态自动快速校 对使其正对9:25时的太阳位置并开始跟日；或9:40:光强信号采集器探测到阴变晴的信息后，设备从中天待机状态快速旋转并 校对到9 40时的太阳位置，然后开始跟日。实施例4 跟日途中突遇暴风天气状况15:00突遇暴风。此种情况分为家用单台设备和光伏电站多台设备两类情况处理。[0058]对家用单台或几台设备，由于家庭院落和村庄环境，通常设备安装地的风力小于 旷野，此时可不予考虑；如果家庭院落和村庄内的风力达到8级(17. 2m/s)，可用启用手动 按钮让设备快速返回到中天位置并停机。对光伏电站多台设备，当风力达到8级(17.2m/s)时，中央控制室值班人员通过抗 风暴按钮发出信号使全部跟日设备快速返回到中天位置或与风向成最小夹角位置并停机。实施例5 跟日途中突遇暴风后转晴暴风雨后，设备处于中天位置，当光强信号采集器探测到阴变晴的信息后，设备从 中天待机状态或与风向成最小夹角位置状态快速旋转并校对到即时正对太阳位置，然后开 始跟日。实施例6 跟日途中突遇冰雹对家用单台或几台设备，当冰雹来临时，可用手动按钮让设备快速返回到8:00或 17:00位置并停机。对光伏电站多台设备，当冰雹来临时，中央控制室值班人员通过防冰雹按钮发出 信号使全部跟日设备快速返回到8:00或17:00位置并停机。
权利要求1.一种三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，包括阳光采集器固定架(1)、光强信 号采集器O)、支撑杆( 及主传动机构(7)，其中在阳光采集器固定架(1)底部沿阳光采 集器固定架(1)四边形对角线方向设有两个相交的转轴(15、16)，其特征在于阳光采集器 固定架(1)的上端面设置有光强信号采集器O)；支撑杆(5)的顶端通过关节轴承与阳光 采集器固定架(1)的中心部位绞接，支撑杆(5)的底端固定于主基座(9)上，主基座(9)上 还通过关节轴承连接有控制组件(6)和主传动机构(7)；副拉杆(4)的顶端通过关节轴承 与阳光采集器固定架(1)四边形的一个顶角( 或四边形其中一条边沿中点部位(S’ )绞 接，所述的阳光采集器固定架(1)四边形的一个顶角( 或四边形其中一条边沿中点部位 (S’)与阳光采集器固定架(1)的中心部位0构成南北方位；副拉杆(4)的底端与副传动机 构(8)相连并固定于副基座(10)之上；主拉杆( 的顶部通过关节轴承对应与阳光采集器 固定架(1)四边形的另一个顶角(A)或四边形另一条边沿中点部位(A’)绞接，所述的阳光 采集器固定架(1)四边形的另一个顶角(A)或四边形其中一条边沿中点部位(A’ )与阳光 采集器固定架(1)所选定的南北方位相互垂直；使得阳光采集器固定架(1)与支撑杆(5)、 主拉杆(3)及副拉杆(4)形成三点式或点线式刚性键结结构。
2.如权利要求1所述的三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，其特征在于所述的 主传动机构(7)和副传动机构(8)分别由齿轮组和涡轮蜗杆系统及步进电机组成，控制组 件(6)采用微处理器，用于控制步进电机的驱动和转速，以及分时控制主传动机构(7)和副 传动机构(8)，所述的微处理器中还储存有太阳运行方位信息；主传动机构和控制组件(6) 的面板上还设置有开机按钮、关机按钮、防风暴按钮和防冰雹按钮。
3.如权利要求1所述的三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，其特征在于所述的 光强信号采集器( 为光伏组件或光热收集器件，将太阳的光强信号转变为电信号，用于 自动控制该装置的开机、关机和校对跟日误差、提供阴晴天信号的光电接收。
4.如权利要求1所述的三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，其特征在于所述的 主拉杆C3)和副拉杆的外部设置有可伸缩套筒，所述的套筒由半径从上到下依次减小 的外套筒(12)、中套筒(13)和内套筒(14)组成，在外套筒(12)上设置有关节轴承(11)， 用于实现主拉杆C3)和副拉杆(4)与阳光采集器固定架(1)绞接；所述的中套筒(1 根据 用户的要求或装置的大小设置成一节或多节。
5.如权利要求1所述的三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，其特征在于所述的 主传动机构(7)、副传动机构(8)通过齿轮、链条或传动轴连接成一个整体，或者相互独立 运转以适应不同的安装地理条件和功能要求。
6.如权利要求1所述的三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，其特征在于所述的 主拉杆C3)和副拉杆(4)分别围绕与阳光采集器固定架绞接处自由偏转。
专利摘要本实用新型公开了一种三足固定式双轴全自动太阳能跟踪装置，阳光采集器固定架的上端面设置有光强信号采集器，支撑杆的顶端通过关节轴承与阳光采集器固定架的中心部位绞接，支撑杆的底端固定于主基座上，主基座上还通过关节轴承连接有控制组件和主传动机构；副拉杆的顶端通过关节轴承与阳光采集器固定架绞接，副拉杆的底端与副传动机构相连并固定于副基座之上；主拉杆的顶部通过关节轴承对应与阳光采集器固定架绞接，使得阳光采集器固定架与支撑杆、主拉杆及副拉杆形成三点式或点线式刚性键结结构。本实用新型利用杠杆原理及三点固定方式，使得设计的装置具有低能耗、稳定性好、防强风暴或冰雹破坏功能等优点，并能满足多种安装地的地理和气象条件。
文档编号G05D3/12GK201917830SQ20112001872
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者许启明 申请人:许启明