專利名稱：按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所屬領(lǐng)域本實用新型涉及一種按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，可廣泛用于太陽能產(chǎn)業(yè)。
背景技術(shù)：
一種高精度、低成本、全自動理想的太陽跟蹤裝置，對太陽能利用的重要意義，是從事太陽能產(chǎn)業(yè)的人們所共知的，例如，用于光伏發(fā)電，與固定式比較，其垂直陽光的受光面積，至少夏季可提高200％，春秋季可提高150％，冬季可提高100％，因此可大幅度降低光伏發(fā)電的成本，若與拋物面聚光器并用可獲得幾百度的高溫等。可是，目前盡管已有各式各樣(包括按時間)跟蹤太陽裝置的方案，但尚未見到實用的產(chǎn)品。
實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的技術(shù)不足，本實用新型的目的是提供一種按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置。該裝置可精確跟蹤太陽，效果理想，應(yīng)用范圍廣泛。
本實用新型的按時間控制全自動跟蹤太陽的方法是根據(jù)地球圍繞太陽運轉(zhuǎn)的基本規(guī)律及有關(guān)參數(shù)在當(dāng)日零時，首先計算出安裝地當(dāng)日之真太陽時、赤緯角、日出日落時間及與次日跟蹤運行的關(guān)系，以及自日出到日落每間隔一定時間段太陽的仰角與方位，并由此再根據(jù)跟蹤運轉(zhuǎn)的速度分別算出各時間間隔仰角與方位所需跟蹤運行時間，然后根據(jù)算得的各時間間隔所需運行時間，控制仰角跟蹤與方位跟蹤運行直至日落，隨后方位跟蹤返轉(zhuǎn)運行至次日日出的方位。
前述方法中，不同的運行時間間隔與跟蹤運行速度，可獲得不同的跟蹤精度；跟蹤運行時間間隔取4分鐘與其對應(yīng)的跟蹤運行速度為0.00521轉(zhuǎn)/分，跟蹤最大偏差±1°。
根據(jù)以上提出的跟蹤方法，本實用新型提出一種按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，它采用機電一體化間斷運行跟蹤的技術(shù)方案，具體是其機械驅(qū)動部分，主要由仰角跟蹤和方位跟蹤兩個驅(qū)動器構(gòu)成；所述兩個驅(qū)動器均由以微型減速電機或步進電機為動力的，由一減速齒輪付與蝸輪減速付組成的減速器構(gòu)成；太陽能接收器通過支架固定在驅(qū)動器上；所述驅(qū)動器之電機由計算機控制作間斷跟蹤運行。仰角與方位跟蹤驅(qū)動的運行速度可以相同，也可以不同。其具體結(jié)構(gòu)，分為單體型和組合型兩種單體型，包括底座、方位跟蹤驅(qū)動器、仰角跟蹤驅(qū)動器及太陽能接收器；方位跟蹤驅(qū)動器安裝在一底座上，仰角跟蹤驅(qū)動器固定在方位跟蹤驅(qū)動器的輸出軸上，太陽能接收器通過支架固定在仰角驅(qū)動器的輸出軸上。
組合型，是由若干個單體通過由一個多邊形框架構(gòu)成的方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤連接組合而成，但各單體只使用一個共同的方位跟蹤驅(qū)動器，該方位跟蹤驅(qū)動器由微型減速電機或步進電機通過蝸輪減速付聯(lián)接減速齒輪付構(gòu)成，其減速齒輪付固定安裝在方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的中心處；多個單體仰角跟蹤驅(qū)動器通過支撐桿連接固定在方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤上；多個太陽能接收器通過固定支架分別安裝在各單體的仰角跟蹤驅(qū)動器的輸出軸上；在方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的下方均布設(shè)有多個導(dǎo)輪。
所述太陽能接收器，可以采用由槽形拋物面聚光器和位于其焦點(線)處的一根帶熱管的真空玻璃管組成的聚熱器。
所述太陽能接收器也可以是光伏電池板。
其計算機控制部分，硬件以單片機為核心組成，它首先構(gòu)成一個萬年歷；軟件根據(jù)該萬年歷給出的年月日時分秒進行對太陽的跟蹤運行控制。
本實用新型的有益效果1)跟蹤精度高且穩(wěn)定不受干擾；2)制作成本低，一個中型裝置造價不過千元左右；3)結(jié)構(gòu)緊湊、制作容易、維護方便；4)全自動，一年365天勿須人工干預(yù)；5)應(yīng)用范圍廣泛。
如上所述，本實用新型，跟蹤驅(qū)動器采用微型減速電機或步進電機與蝸輪減速，可以比較容易地獲得極低的跟蹤運行速度，從而在滿足跟蹤精度的前提下，使機械結(jié)構(gòu)更加緊湊，能耗更低(每日耗電不超過0.1度甚至于更低)；聚光器采用槽形拋物面，與圓形拋物面比較，具有制作容易，并可直接使用帶熱管的真空玻璃管作聚熱器，使結(jié)構(gòu)簡化，制作成本降低等優(yōu)點；本實用新型之組合型結(jié)構(gòu)，解決了大型太陽能發(fā)電及加熱系統(tǒng)諸如防風(fēng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜等難題，使大型發(fā)電及加熱系統(tǒng)跟蹤太陽成為可能，并且與多個獨立的單體相比較，可大大減少占地面積。
在軟件控制方面，本實用新型，在根據(jù)地球圍繞太陽運轉(zhuǎn)的基本規(guī)律，計算出每天的真太陽時和赤緯角，并由此計算出在足夠少的時間段里跟蹤太陽的仰角與方位所需運行時間，以獲得高跟蹤精度的同時；還計算出當(dāng)日和次日跟蹤運行的關(guān)系，從而在當(dāng)日日落后，可自動返回至次日日出的方位，實現(xiàn)了真正意義上的全自動，只要不發(fā)生意外故障，任何時候都勿須人工干預(yù)。
本實用新型已設(shè)計成單體型與組合型，單體型又分為大、中、小三種型號。小型可安裝1M2以內(nèi)的光伏電池板，用于諸如路燈、庭院燈及家庭用電等發(fā)電系統(tǒng)；中型配有1～2M2受光面積的槽形拋物面聚光器，可用來加熱水或加熱導(dǎo)熱油，若加熱導(dǎo)熱油，可提供二三百度的高溫，再配備適當(dāng)爐具，可燒水做飯；大型配備2～4M2受光面積的槽形拋物面聚光器，除具有中型的用途外，還可為家庭空調(diào)提供能源。組合型，根據(jù)不同型號組合，可提供幾千瓦～幾十千瓦能源，用來制作大型太陽能發(fā)電或供熱系統(tǒng)，這樣的供熱系統(tǒng)，可替代小型熱水鍋爐，為中小單位，諸如企事業(yè)辦公室、飯店、旅館、浴池等提供熱水及空調(diào)所需能源。另外，由于本實用新型跟蹤精度高且穩(wěn)定不受干擾可使用聚光型光伏電池，從而可更進一步降低發(fā)電系統(tǒng)的成本。


圖1為本實用新型單體型結(jié)構(gòu)實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型組合型結(jié)構(gòu)實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型實施例之計算機硬件構(gòu)成示意圖；圖4a、4b、4c、4d為本實用新型實施例之軟件控制流程框圖。
圖1、2中，1方位跟蹤驅(qū)動器，2仰角跟蹤驅(qū)動器，3轉(zhuǎn)閥，4真空玻璃管，5槽形拋物面聚光器，6轉(zhuǎn)閥，7介質(zhì)輸入管，8介質(zhì)輸出管，9底座，10電機，201蝸輪減速付，202仰角跟蹤驅(qū)動器，203驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，204單體安裝座，205導(dǎo)輪，206光伏電池板，207減速齒輪付，208支撐桿，209驅(qū)動轉(zhuǎn)盤組件，210電機。
具體實施例如上所述，本實用新型采用機電一體化間斷運行跟蹤的技術(shù)方案。
圖1所示為用于太陽能聚熱的單體型結(jié)構(gòu)實施例，其結(jié)構(gòu)包括底座9、方位跟蹤驅(qū)動器1、仰角跟蹤驅(qū)動器2、槽形拋物面聚光器5、帶熱管的真空玻璃管4以及為解決硬管迥轉(zhuǎn)問題而設(shè)置的轉(zhuǎn)閥3、轉(zhuǎn)閥6等部分。方位跟蹤驅(qū)動器1設(shè)置在底座9上，在其輸出軸上安裝轉(zhuǎn)閥6后與仰角跟蹤驅(qū)動器2連接，仰角跟蹤驅(qū)動器2的輸出軸通過支架與槽形拋物面聚光器5連接，并在其兩端各安裝一轉(zhuǎn)閥3。帶熱管的真空玻璃管4通過支架安裝在槽形拋物面聚光器5的焦點(線)上。
方位跟蹤驅(qū)動器1、仰角跟蹤驅(qū)動器2均設(shè)有電機10，電機10連接計算機并由計算機控制。方位跟蹤驅(qū)動器1在計算機的控制下作間斷運行，由其輸出軸帶動仰角跟蹤驅(qū)動器2及安裝在其輸出軸上的槽形拋物面聚光器5、帶熱管的真空玻璃管4整體作水平轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對太陽的方位跟蹤；同時，仰角跟蹤驅(qū)動器2也在計算機的控制下間斷運行，其輸出軸帶動槽形拋物面聚光器5與真空玻璃管4作上下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對太陽的仰角跟蹤。
被加熱介質(zhì)從介質(zhì)輸入管7經(jīng)轉(zhuǎn)閥6、轉(zhuǎn)閥3進入帶熱管的真空玻璃管4中加熱，被加熱的介質(zhì)再依次經(jīng)轉(zhuǎn)閥3、轉(zhuǎn)閥6、輸出管8流向熱源使用場所。
圖2所示為用于太陽能發(fā)電的組合型結(jié)構(gòu)實施例，它主要由一個各組成單體共用的由蝸輪減速付201和減速齒輪付207構(gòu)成的方位跟蹤驅(qū)動器，和一個由正六邊形框架構(gòu)成的方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤203，及安裝在該轉(zhuǎn)盤上的六個只帶一個仰角跟蹤驅(qū)動器的單體，與安裝在各單體仰角跟蹤驅(qū)動器202的輸出軸上的光伏電池板206組成。各單體共用的方位跟蹤驅(qū)動器之電機通過蝸輪減速付201與減速齒輪付207連接，減速齒輪付207固定安裝在正六邊形驅(qū)動轉(zhuǎn)盤203中心處。當(dāng)該方位跟蹤驅(qū)動器在計算機的控制下間斷運行時，由減速齒輪付207帶動驅(qū)動轉(zhuǎn)盤203及各單體整體轉(zhuǎn)動，同時實現(xiàn)各單體對太陽的方位跟蹤；而各單體對太陽的仰角跟蹤是由在計算機控制下的各仰角跟蹤驅(qū)動器202分別實現(xiàn)的。各仰角跟蹤驅(qū)動器202通過支撐桿208連接在各單體安裝座204上。共用的方位跟蹤驅(qū)動器、各仰角跟蹤驅(qū)動器均設(shè)有由計算機控制的電機210。
本實施例所述方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤203為正六邊形框架與六根輻射形組件209構(gòu)成，并在正六邊形框架的交角處設(shè)有單體安裝座204，該座的下方各安裝一導(dǎo)輪205。該驅(qū)動轉(zhuǎn)盤203的形狀并不局限于正六邊形框架，其他諸如正八邊形之類甚至圓平板式亦可。
在上述兩實施例中，單體型所用仰角跟蹤驅(qū)動器與方位跟蹤驅(qū)動器以及組合型所用的仰角跟蹤驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)完全相同，均由微型減速電機或步進電機通過減速齒輪付聯(lián)接蝸輪減速付組成；而組合型中各單體所共用的方位跟蹤驅(qū)動器有所不同，它是由微型減速電機或步進電機通過蝸輪減速付連接減速齒輪付組成，而該減速齒輪付直接與方位驅(qū)動轉(zhuǎn)盤連接。
上述兩實施例所用的太陽能接收器(單體型中的槽形拋物面聚光器與組合型中的光伏電池板)，為平衡轉(zhuǎn)距，每個單體只少裝兩個，配置在仰角驅(qū)動軸前下方和后上方(圖1圖2均只示出了一個)。
由于上述兩實施例的驅(qū)動功率很低(10W左右)，因此所采用的蝸輪的模數(shù)均在1以下，微型減速電機的轉(zhuǎn)數(shù)在2轉(zhuǎn)/分以下，使驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)十分緊湊。
上述兩實施例所述跟蹤驅(qū)動器為常見典型機械傳動結(jié)構(gòu)，所采用的微型減速電機或步進電機均為市場上常見產(chǎn)品；所述槽形拋物面聚光器可采用鋁合金低壓澆鑄；所述帶熱管的真空玻璃管制作工藝已十分成熟；所述光伏電池板為現(xiàn)有技術(shù)。
上述兩實施例其計算機控制部分，完全相同，硬件以單片機AT89C52(53)為核心組成，它首先構(gòu)成一個萬年歷，圖3為本實用新型實施例之計算機硬件構(gòu)成示意圖。軟件由三部分構(gòu)成即參數(shù)輸入調(diào)整部分，計算部分，跟蹤運行控制部分。
參數(shù)輸入調(diào)整部分以移動LCD光標(biāo)，對萬年歷日期、時間及有關(guān)參數(shù)(如安裝地的緯度，所在時區(qū)及經(jīng)度等)作加減調(diào)整。計算部分根據(jù)地球圍繞太陽運轉(zhuǎn)的基本規(guī)律及有關(guān)參數(shù)在當(dāng)日零時，首先計算出安裝地當(dāng)日之真太陽時、赤緯角、日出日落時間及與次日跟蹤運行的關(guān)系，然后自日出到日落計算出每間隔4分鐘(或更短)太陽的仰角及方位，并由此再根據(jù)跟蹤運轉(zhuǎn)的速度算出各時間間隔所需運行時間(秒)。跟蹤運行控制部分根據(jù)計算部分算得的各時間間隔所需運行時間，控制仰角與方位跟蹤運行直至日落，隨后方位返轉(zhuǎn)運行至次日日出的方位。其流程框圖，如圖4a、4b、4c、4d示。其詳細計算方法屬于現(xiàn)有一般的物理和天文知識，根據(jù)該流程框圖及上述說明專業(yè)技術(shù)人員完全可自行編制能實現(xiàn)上述技術(shù)效果的計算控制程序。
本實用新型，由于采用間斷運行跟蹤，因此其跟蹤精度與運行時間間隔以及與其對應(yīng)的跟蹤運行速度有關(guān)。在上述兩實施例中，跟蹤運行時間間隔均為4分鐘與其對應(yīng)的跟蹤運行速度為0.00521轉(zhuǎn)(1.875°)/分，可達到的跟蹤精度最大偏差在南方不超過±1°，在北方不超過±0.5°；根據(jù)跟蹤精度的要求，還可再進一步降低跟蹤運行速度，縮短運行時間間隔，從而獲得更高的跟蹤精度。
權(quán)利要求1.一種按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，其特征是其機械驅(qū)動部分，主要由仰角跟蹤和方位跟蹤兩個驅(qū)動器構(gòu)成；所述兩個驅(qū)動器均由以微型減速電機或步進電機為動力的，由一減速齒輪付與蝸輪付組成的減速器構(gòu)成；太陽能接收器通過支架固定在驅(qū)動器上；所述驅(qū)動器之電機由計算機控制作間斷跟蹤運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，其特征是單體裝置它包括底座、方位跟蹤驅(qū)動器、仰角跟蹤驅(qū)動器及太陽能接收器；方位跟蹤驅(qū)動器設(shè)置在底座上，它由微型減速電機或步進電機通過減速齒輪付聯(lián)接蝸輪減速付構(gòu)成；仰角跟蹤驅(qū)動器固定連接在方位跟蹤驅(qū)動器的輸出軸上，其結(jié)構(gòu)與方位跟蹤驅(qū)動器相同；太陽能接收器通過支架固定在仰角跟蹤驅(qū)動器輸出軸上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，其特征是組合裝置它包括一共同的方位跟蹤驅(qū)動器，該方位跟蹤驅(qū)動器由微型減速電機或步進電機通過蝸輪減速付聯(lián)接減速齒輪付構(gòu)成，其減速齒輪付固定安裝在一方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤中心處；多個由微型減速電機或步進電機通過減速齒輪付聯(lián)接蝸輪減速付構(gòu)成的，單體仰角跟蹤驅(qū)動器通過支撐桿連接固定在方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤上；多個太陽能接收器通過固定支架分別安裝在各單體的仰角跟蹤驅(qū)動器的輸出軸上；在方位跟蹤驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的下方均布設(shè)有多個導(dǎo)輪。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，其特征是所述的太陽能接收器采用由槽形拋物面聚光器和位于其焦點或線處的一根帶熱管的真空玻璃管組成的聚熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，其特征是太陽能接收器使用光伏電池板。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，其特征是每單體裝置至少裝兩個太陽能接收器；沿仰角跟蹤驅(qū)動器輸出軸前下后上方配置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，其特征是其計算機控制部分，硬件以單片機AT89C52為核心組成，它首先構(gòu)成一個萬年歷；軟件根據(jù)安裝地的經(jīng)、緯度及萬年歷所給出的年月日時分秒控制仰角與方位跟蹤驅(qū)動器作間斷運行對太陽進行跟蹤。
專利摘要按時間控制全自動跟蹤太陽的裝置，根據(jù)地球圍繞太陽運轉(zhuǎn)的基本規(guī)律，計算出當(dāng)?shù)禺?dāng)日的真太陽時與赤緯角，并由此計算出自日出到日落每間隔一定時間段太陽的仰角與方位及其所需跟蹤運行時間；同時，還計算出當(dāng)日和次日跟蹤運行的關(guān)系，從而使當(dāng)日日落后，自動返回至次日日出的方位。該裝置主要由仰角跟蹤和方位跟蹤兩個驅(qū)動器構(gòu)成；此二驅(qū)動器均由以微型減速電機或步進電機為動力的，由一減速齒輪副與蝸輪副組成的減速器構(gòu)成；太陽能接收器通過支架固定在驅(qū)動器上；所述驅(qū)動器之電機由計算機控制作間斷跟蹤運行。本實用新型實現(xiàn)了真正意義上全自動、跟蹤效果理想、制作容易、成本低廉、維護方便、應(yīng)用范圍廣泛；可廣泛用于太陽能產(chǎn)業(yè)。
文檔編號F24J2/38GK2800166SQ20052008319
公開日2006年7月26日 申請日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者王新庚 申請人:王新庚