專利名稱：日光跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及日光跟蹤裝置，特別是，涉及一種當(dāng)從地面上看去太陽自日出到日落穿過天空時(shí)使太陽能收集器的作用面保持正對(duì)陽光的系統(tǒng)。
太陽能裝置，如太陽能收集器，在其依幾何形狀的取向朝著射來的日光時(shí)工作最有效。對(duì)平板來說，這一取向在光線垂直于平板時(shí)為最佳。由于太陽的位置不斷變化，接收面也必須不斷重新取向以保持最佳的取向狀況。跟蹤太陽位置的裝置可以有兩種類型，第一種類型利用相配的太陽能電池或其他光電傳感器，其在該裝置的取向非最佳時(shí)產(chǎn)生不同的信號(hào)。這一信號(hào)用于反饋機(jī)構(gòu)中使接收器重新取向直至獲得最佳取向。這種裝置還未被證實(shí)為非?？煽康?，因?yàn)槠洳荒軈^(qū)別被遮住的太陽與云縫中的亮點(diǎn)，反饋機(jī)構(gòu)錯(cuò)誤地使接收器朝亮點(diǎn)而不是太陽取向。這樣，跟蹤就失敗了。而且，這些裝置在起霧或塵埃狀況下是不可靠的。
跟蹤太陽的第二種機(jī)構(gòu)使用時(shí)鐘機(jī)構(gòu)控制接收器在一天中不同時(shí)間的取向。然而，要精確地追隨太陽在一天中的運(yùn)動(dòng)以及在一年中(季節(jié)性)的運(yùn)動(dòng)，該裝置除了制造昂貴外結(jié)構(gòu)上也必須是復(fù)雜的。
上述兩種系統(tǒng)的另一缺點(diǎn)是在跟蹤期間的能量需求，因?yàn)槠滟|(zhì)量不平衡。由于不平衡，與平衡系統(tǒng)相比要求更大的力矩來校正接收器的位置，往往不可能達(dá)到正確的位置，尤其是當(dāng)太陽在長時(shí)間的多云后出現(xiàn)在天空中時(shí)。在這種狀況下，要求足夠的力矩使接收器達(dá)到最佳位置。
所以，本發(fā)明的主要目的是提出一種日光跟蹤系統(tǒng)，其不但精確而且要求最少的能量輸入，并且其制造和使用是簡單和廉價(jià)的。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提出幾種用于日光跟蹤的方法。
按照本發(fā)明，提出了一種太陽跟蹤系統(tǒng)，使太陽能收集器的作用面保持正對(duì)陽光，包括安裝成繞平行于地球南北軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，使軸按與地球轉(zhuǎn)速相等的平均速度間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。太陽能收集器固定裝置位于軸的一側(cè)，并包括一支架，將支架固定到軸上的軸環(huán)；一支撐件用于固定太陽能收集器，支架上垂直于軸的一樞軸為支點(diǎn)，以改變支撐件相對(duì)于軸的傾斜度；以及，支撐件與支架之間的支柱，用于將支撐件保持在可調(diào)節(jié)的傾斜度，反向平衡系統(tǒng)包括從固定裝置固定到軸并由此垂直延伸離開軸的平衡臂和安裝在軸上可調(diào)節(jié)的重塊。反向平衡系統(tǒng)平衡固定裝置和固定在其上的太陽能收集器，而與固定裝置對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置及支撐件對(duì)軸的傾斜程度無關(guān)。
最好是，在軸上安裝兩個(gè)太陽能收集器，一個(gè)是對(duì)電池供電的太陽能電池陣列，電池隨后對(duì)步進(jìn)電機(jī)供電，經(jīng)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)該軸。垂直于太陽能收集器板的一個(gè)指針的陰影用于使該板正確地對(duì)準(zhǔn)?；蛘撸瑴y量由太陽能電池產(chǎn)生的電流，其最大值指出太陽能板正確地對(duì)準(zhǔn)太陽。
在附圖中，同樣的編號(hào)代表同樣的部件

圖1是本發(fā)明最佳實(shí)施例的側(cè)面圖，表示在北半球9月21日至3月21日之間接收器的取向；圖2是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的俯視圖；圖3是手動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的俯視圖；圖4是類似于圖1的側(cè)視圖，但接收器重新取向以接收北半球3月21日至9月21日之間的太陽能。
如圖1所示，支架27和29分別由軸環(huán)28和30剛性地固定在可旋轉(zhuǎn)的軸16上，支撐件1用作安裝平臺(tái)支撐太陽能收集器，如接收器，反射器或其結(jié)合，可以是任何幾何形狀，通過一垂直于軸16的樞軸17將支點(diǎn)定在支架27上。同樣，支撐件3的支點(diǎn)在支架29上樞軸18處。利用樞軸17和18分別傾斜收集器支撐件1和3就有可能改變其空間取向，這是根據(jù)地球每年(季節(jié)性)的運(yùn)動(dòng)來集中太陽的光線所要求的?？烧{(diào)節(jié)的支柱23和22分別將對(duì)應(yīng)的支撐件1和3保持在所需的傾斜度。軸16保持為平行于地球的南北軸，通過校準(zhǔn)水平底板12可做到這一點(diǎn)，用四個(gè)水平螺絲使底板保持水平，其中兩個(gè)在圖中表示為13和9，另外兩個(gè)螺絲在該視圖中位于其后。軸16的對(duì)角等于使用該系統(tǒng)的地點(diǎn)的緯度。軸16由其端部的滾柱軸承15和錐形滾柱軸承5支撐。反向平衡臂2可調(diào)節(jié)地固定到軸16上，可沿其滑動(dòng)和繞其轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡臂2垂直于軸16，帶一反向平衡質(zhì)量塊M，位于離軸16可調(diào)的徑向距離P2。反向平衡臂2上的質(zhì)量塊M可相對(duì)軸16沿徑向移動(dòng)，支撐件1的重力中心在離軸16徑向距離P1處。當(dāng)軸16轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，日光收集器及其固定裝置即部件1，23，27，28和3，22，29，30的質(zhì)量移動(dòng)由質(zhì)量塊M反向平衡。若支撐件1和3之一或兩者繞樞軸17和18轉(zhuǎn)動(dòng)，則其離軸16的徑向距離會(huì)變化，必須改變質(zhì)量塊M離軸的距離。一垂直柱11對(duì)軸16提供支撐使其保持筆直。垂直柱11頂部有一套筒11a，軸(16)從中經(jīng)過，可轉(zhuǎn)動(dòng)和得到支撐。軸承15和5分別安裝在垂直柱14和6上，垂直柱6，11和14固定到底板12上，由支撐件3裝載的太陽能收集器可由太陽能電池陣列組成。指針4安裝成垂直于支撐件3上裝載的太陽能電池，指針4用于對(duì)準(zhǔn)，這樣，支撐件1上的接收器或支撐件3上的太陽能電池正對(duì)陽光。指針陰影的長度指出了對(duì)準(zhǔn)誤差的程度，在完全對(duì)準(zhǔn)的情形下將沒有陰影。指針4可安裝在支撐件1上。
軸的質(zhì)量平衡可這樣實(shí)現(xiàn)，首先用樞軸17和18分別使安裝在支撐件1和3上的太陽能收集器表面正對(duì)陽光，然后轉(zhuǎn)動(dòng)軸16。在該位置，反向平衡臂2沿該軸移動(dòng)，并使一質(zhì)量塊M在給定的徑向位置繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，可沿徑向靠近和離開軸16移動(dòng)質(zhì)量塊M。太陽能電池也稱為太陽能板，用于對(duì)電池10充電，電池10隨后用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)20供電，其通過如圖2所示軸承系統(tǒng)8驅(qū)動(dòng)軸16.步進(jìn)電機(jī)20靠一系列脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)其構(gòu)造每一脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)一定量的度數(shù)，這類電機(jī)可以在110伏特或220伏特下工作，通常在世界上大多數(shù)地區(qū)都可正常使用。若不能得到電源，則可以使用太陽能電池(圖1)產(chǎn)生的電力對(duì)電機(jī)20供電。圖2中未規(guī)定電機(jī)20的供電電壓，這將取決于使用地點(diǎn)。圖2中，電機(jī)20的連接端表示為22，電機(jī)控制端為21。
在指針4第一次對(duì)準(zhǔn)陽光后轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量平衡的軸16進(jìn)行日光跟蹤，地球在大約3小時(shí)56分鐘中繞其南北軸轉(zhuǎn)動(dòng)360度(1圈)，一圈的總共時(shí)間為86，160秒，所以，地球在239.333秒中轉(zhuǎn)動(dòng)1度。這樣，可以對(duì)電機(jī)20提供控制器21(圖2)所要求的適當(dāng)數(shù)量的脈沖，使電機(jī)每239.333秒轉(zhuǎn)動(dòng)1度。應(yīng)注意電機(jī)的功率需求隨給定時(shí)間要轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)下降而下降。例如，若要每1196.665秒期間轉(zhuǎn)動(dòng)5度而不是每239.333秒期間轉(zhuǎn)動(dòng)1度，則會(huì)要求更大功率的的電機(jī)(通常更昂貴的電機(jī))來做這項(xiàng)工作。
有幾種方法來進(jìn)行跟蹤，根據(jù)情況而定，一種方法會(huì)優(yōu)于另一方法。
第一種也是最簡單的方法，如上所述，地球的轉(zhuǎn)動(dòng)以一定的時(shí)間間隔手動(dòng)地使轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過一定度數(shù)，可以僅僅是通過檢查指針4產(chǎn)生的陰影來做到這一點(diǎn)。即，按照使指針4沒有陰影的方法來轉(zhuǎn)動(dòng)軸。由于地球以非常慢的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這一方法在許多國家里是非常有用的，在那里人們也許不想在齒輪箱、步進(jìn)電機(jī)等上花錢，在此情形下，軸16必須支撐在軸承15和5(圖1)上，需要一個(gè)安裝在支撐件1上的太陽能收集器和反向平衡系統(tǒng)2、2a和M。若使用支撐柱11，系統(tǒng)會(huì)工作得更好一些；或者，柱14和6之間的空間做得較小，可省去柱11。
在第二種方法中，也不需要電氣部件，可以使用有著蝸輪蝸桿系統(tǒng)8的齒輪箱，如圖3所示，可用一旋鈕19轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿，使蝸桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)和n齒齒輪所需力矩是轉(zhuǎn)動(dòng)無齒輪系統(tǒng)的軸所需力矩的1/n。
在第三種方法中，與齒輪箱8一起使用一步進(jìn)電機(jī)20，以獲得理想的力矩降低。所需的系統(tǒng)見圖1和2。在此情形下，可以有兩個(gè)限制開關(guān)24和25(見圖2)，一個(gè)用于早晨的開始位置，第2個(gè)用于晚上的停止位置，還可以有一復(fù)位開關(guān)26。這里，在早晨可以用較快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)軸以使指針4平行地對(duì)準(zhǔn)太陽光線(大多數(shù)電機(jī)的控制器具有可變脈沖速率的特性)。此時(shí)，電流計(jì)(未畫出)測到的太陽能電池3的電流輸出會(huì)是最大?？梢圆捎眠B接線，這樣電流計(jì)能夠置于室內(nèi)，很容易從室內(nèi)檢查指針4的對(duì)準(zhǔn)情況，在氣候環(huán)境惡劣的場所，也希望能夠在室內(nèi)對(duì)準(zhǔn)指針4，若設(shè)置了太陽能電池和電流計(jì)，則后者可用于對(duì)準(zhǔn)支撐物而無需指針4，在對(duì)準(zhǔn)支撐件1和3后，可設(shè)置步進(jìn)電機(jī)20(圖2)以跟蹤速度(地球的轉(zhuǎn)速但方向相反)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至晚上，此時(shí)第二限制開關(guān)25動(dòng)作，停止電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后電機(jī)可以在相反方向以較快速度轉(zhuǎn)動(dòng)，直至使第一限制開關(guān)動(dòng)作以停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可重復(fù)這一循環(huán)。
在第四種方法中，根據(jù)需要，可以不用限制開關(guān)，一旦對(duì)準(zhǔn)以后，步進(jìn)電機(jī)可設(shè)定為以跟蹤速度轉(zhuǎn)動(dòng)，即使晚上也是如此，因?yàn)樗鼘⒃诮窈蟮娜杖赵略轮袑?duì)準(zhǔn)太陽。
應(yīng)注意支撐件1和3裝載的太陽能收集器必須始終垂直于陽光取向，由于季節(jié)變化(地球在一年中的運(yùn)動(dòng))也會(huì)出現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)失誤。通過用支柱22和23調(diào)節(jié)支撐物1(或3)對(duì)于樞軸17和18的傾斜來進(jìn)行重新取向，校正最近的對(duì)準(zhǔn)失誤，每次改變太陽能收集器的傾斜時(shí)還需要重新調(diào)整反向平衡系統(tǒng)2，因?yàn)槠鋵?duì)應(yīng)重心的徑向距離發(fā)生了變化。而且，這里應(yīng)澄清的是，在給定時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)提供關(guān)于單一南北軸的運(yùn)動(dòng)，沒有經(jīng)樞軸17和18提供運(yùn)動(dòng)，這些樞軸用于在軸穩(wěn)定時(shí)使太陽能接收表面重新取向。
在第五種方法中，對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)有一參考位置，其可以是午夜位置。早晨的開始時(shí)間表示為tM，單位為秒，此時(shí)距午夜位置的角度間距為0m.按照地球的轉(zhuǎn)速每239.333秒1度，可寫為Om＝tM/239.333度軸的午夜距離正午位置為180度。在早晨某一設(shè)定時(shí)間開始后，可持續(xù)時(shí)間tT跟蹤太陽。相對(duì)開始位置停止的角位置將是OE＝tT/239.333度然后電機(jī)在相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮到返回的角速度會(huì)是跟蹤速度的N倍，返回早晨位置的時(shí)間應(yīng)為tR＝tT/N當(dāng)電機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，時(shí)刻tI為tI＝(86160-tM-tR-tT)這樣，可對(duì)電機(jī)編程以在時(shí)間tT內(nèi)跟蹤太陽，然后在時(shí)間tR中以n倍的跟蹤速度轉(zhuǎn)動(dòng)，返回原始位置，在時(shí)間(tT+tM)中電機(jī)閑置。為照此編程，軸必須最初位于距午夜位置OM度，在離午夜時(shí)間tM后啟動(dòng)。同時(shí)必須記住，每一運(yùn)動(dòng)期間(跟蹤或返回)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須為軸的轉(zhuǎn)速的n倍(考慮到齒輪箱的減速比為n)?？刂破鲗?duì)電機(jī)的脈沖速率必須相應(yīng)調(diào)整。按此方法，在整個(gè)過程中無需人的干預(yù)。
圖1和4分別表示在北半球的接收器1和3在9月21日至3月21日和3月21日至9月21日期間的取向。在第一種情形下，樞軸17、18位置最高，而在第二種情形下樞軸17、18位置最低，軸環(huán)28和30可打開以使軸16上支撐件27和29的位置反向。
由上所述，可看到本發(fā)明詳盡地討論了可能出現(xiàn)的各種情況，并提出了有人干預(yù)或無人干預(yù)時(shí)精確可靠地工作的系統(tǒng)和方法。
權(quán)利要求
1.一種日光跟蹤系統(tǒng)，使太陽能收集器的作用面與陽光保持垂直，包括一軸；軸的支撐裝置，將所述軸安裝成可繞平行于地球南北軸的一轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；軸的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，以等于地球轉(zhuǎn)動(dòng)速度的平均速度間歇地轉(zhuǎn)動(dòng)所述軸；太陽能收集器固定裝置，位于所述軸的一側(cè)并包括一固定太陽能收集器的支撐件；一支架；用于將所述支架固定到所述軸上的軸環(huán)裝置；樞軸裝置，使所述支撐件以所述樞軸垂直于所述軸的支點(diǎn)軸線為支點(diǎn)，以改變所述支撐件的傾斜度，結(jié)果改變所述收集器相對(duì)于所述軸的傾斜度；支柱裝置，在所述支撐件和所述支架之間，使所述支撐件對(duì)所述軸保持在可調(diào)節(jié)的傾斜度，同時(shí)可以改變所述支撐件從而改變所述收集器的重心離所述軸的徑向距離；以及，反向平衡系統(tǒng)，包括固定到所述軸上的平衡臂，垂直于所述軸延伸并離開所述固定裝置，一重塊安裝在所述平衡臂上，相對(duì)于所述軸徑向可調(diào)，由此所述平衡臂和所述重塊實(shí)質(zhì)上可平衡所述固定裝置及固定在其上的太陽能收集器的質(zhì)量相對(duì)于所述軸的運(yùn)動(dòng)，而無論所述固定裝置相對(duì)所述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置和所述支撐件相對(duì)所述軸的傾斜度如何。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于所述軸的支撐裝置包括-底板、使底板保持水平的水平裝置，-對(duì)豎立在所述底板上的支柱，所述軸相對(duì)于所述底板傾斜，并具有上端和下端，一滾珠軸承裝置在所述支柱之一上支撐所述軸的上端，一錐形滾柱軸承裝置在所述立柱的另一個(gè)上支撐所述軸的下端。
3.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括固定和豎立在所述底板上第三立柱，處于首次提及的立柱之間，連接和可轉(zhuǎn)動(dòng)地支撐所述軸的中部，防止下垂。
4.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽能收集器的固定裝置安裝在處于所述第三立柱和所述軸的上端之間的所述軸上，以及，進(jìn)一步包括第二太陽能收集器固定裝置，類似于首次提及的太陽能收集器固定裝置，安裝在處于所述第三立柱與所述軸的下端之間的所述軸上，首次提及的太陽能收集固定裝置處于所述軸的同一側(cè)，所述平衡臂和所述反向平衡系統(tǒng)的所述重塊能平衡兩個(gè)太陽能收集器固定裝置及固定其上的太陽能收集器，兩個(gè)收集器安裝成其作用面垂直于陽光。
5.如權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其特征在于，結(jié)合有一固定在所述第二太陽能收集器固定裝置上的太陽能收集板，所述收集板由太陽能電池組成，以及，進(jìn)一步包括連接到所述太陽能電池的電池，用于貯存太陽能電池產(chǎn)生的電能，以及，進(jìn)一步包括電動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，連接到所述軸可對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并由所述電池供電。
6.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一豎立在所述支撐件上的指針，在未對(duì)準(zhǔn)陽光時(shí)投下陰影，由此提供一個(gè)所述支撐件未適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)陽光的指示信號(hào)。
7.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一旋鈕裝置，用于在每隔同樣時(shí)間間隔時(shí)手動(dòng)地將所述軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定度數(shù)。
8.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一在所述軸和所述旋鈕裝置之間的齒輪箱裝置。
9.一種日光跟蹤方法，太陽能收集板安裝成在一可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上可調(diào)節(jié)地傾斜，該軸平行于地球的南北軸，對(duì)所述收集板相對(duì)所述軸可調(diào)節(jié)地反向平衡，所述方法包括下列步驟使所述收集板對(duì)準(zhǔn)太陽，用步進(jìn)電機(jī)和齒輪箱按與地球轉(zhuǎn)動(dòng)相同的平均轉(zhuǎn)速和相反方向以步進(jìn)方式轉(zhuǎn)動(dòng)所述軸。
10.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于，所述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)在同一方向連續(xù)作用。
11.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于，軸的轉(zhuǎn)動(dòng)在設(shè)定的早晨時(shí)間開始，在設(shè)定的晚上時(shí)間停止，并且軸首先以較快速度反向轉(zhuǎn)動(dòng)，然后在所述設(shè)定的晚上時(shí)間和所述設(shè)定的早晨時(shí)間之間停止。
12.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于，使所述收集板對(duì)準(zhǔn)的步驟通過調(diào)整所述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置和所述收集板的傾斜來進(jìn)行，直到垂直豎立在所述收集板上的指針的陰影為零。
13.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于，所述收集板由太陽能電池陣列形成，通過測量所述電池的電流輸出同時(shí)調(diào)節(jié)所述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位置和所述收集板的傾斜直至測到的電流最大來進(jìn)行所述收集板對(duì)準(zhǔn)的步驟。
14.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于，使所述收集板對(duì)準(zhǔn)太陽的步驟進(jìn)行一次，并且進(jìn)一步包括下列步驟對(duì)所述步進(jìn)電機(jī)編程，從早晨開始時(shí)間tM起，在時(shí)間tT內(nèi)以電機(jī)轉(zhuǎn)速n按太陽能跟蹤速度進(jìn)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后在時(shí)間tR內(nèi)以N倍跟蹤速度的速度使電機(jī)反轉(zhuǎn)，并在時(shí)間tI內(nèi)停止，然后不斷重復(fù)循環(huán)，其中tI＝(86160-tM-tR-tT)tM，tR和tT以秒表示，從預(yù)定參考時(shí)間86160秒一天開始，n為所述齒輪箱的減速比。
全文摘要
一種太陽跟蹤系統(tǒng),使太陽能收集器的作用面保持正對(duì)陽光,包括安裝成繞平行于地球南北軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸,使軸按與地球轉(zhuǎn)速相等的平均速度間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。太陽能收集器固定裝置位于軸的一側(cè),并包括一支架,將支架固定到軸上的軸環(huán);一支撐件用于固定太陽能收集器,支架上垂直于軸的一樞軸為支點(diǎn),以改變支撐件相對(duì)于軸的傾斜度;以及,支撐件與支架之間的支柱,用于將支撐件保持在可調(diào)節(jié)的傾斜度,反向平衡裝置包括固定到軸的平衡臂和可調(diào)節(jié)的重塊。
文檔編號(hào)F24J2/54GK1195097SQ9710387
公開日1998年10月7日 申請日期1997年4月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月3日
發(fā)明者阿奈德·謝倫 申請人:華萊士·羅伯茨, 項(xiàng)凡