專利名稱：一種用于聚光發(fā)電的廉價高精度二維跟蹤太陽機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能利用領(lǐng)域，尤其是涉及聚光裝置中的太陽的跟蹤機構(gòu)。
背景技術(shù)：
太陽能光照密度低，為了獲取中高溫?zé)崃亢徒档凸潭ㄆ桨迨教柲芄夥l(fā)電 系統(tǒng)造價，人們正積極開發(fā)各類聚光型太陽能光熱利用和光伏發(fā)電裝置。目前太 陽能聚光裝置主要有三類，拋物槽式、碟式和塔式。拋物槽式裝置多數(shù)采用東西 向布置通過調(diào)整赤緯角的一維跟蹤太陽方式。太陽赤緯角5是太陽入射線與赤道
面的夾角，以北為正，夏至日23.5° ，冬至日一23.5° ，春秋分日為0° ， 3與 從元旦起數(shù)的第"天的關(guān)系為"23.45sin(360x(284 + n)/365)，見黃文雄著《太陽能
之應(yīng)用及理論》(協(xié)志工業(yè)叢書出版股份有限公司，臺北)。這種一維跟蹤方式在 太陽偏東或偏西時，反射光線會從拋物槽端頭漏走。為減小端頭損失，通常把拋 物槽做成數(shù)十米長。碟式和短拋物槽式裝置一般都要用二維跟蹤太陽方式，把反 射鏡的主軸都時時指向太陽。塔式裝置的群鏡聚光，采用定耙跟蹤太陽的方式。 由于地球繞太陽的公轉(zhuǎn)和繞地軸自轉(zhuǎn)，地軸與公轉(zhuǎn)面保持一定傾斜角，這使得對 日精確跟蹤都必須采用二維跟蹤方式。本案僅涉及二維跟蹤太陽方式。
最為直觀的二維跟蹤太陽的方式是采用垂直軸和水平軸的雙軸調(diào)節(jié)方式，即 一維的跟蹤是繞地面的垂直軸轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)聚光鏡主軸的方位角，二維的跟蹤是繞水 平軸南北轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)主軸的傾角或仰角。雖然方位角和仰角與時間關(guān)系的理論巳清 楚，但函數(shù)復(fù)雜。這種跟蹤方式簡稱為垂直-水平雙轉(zhuǎn)軸跟蹤方式，它是非線性調(diào) 節(jié)方式，必須用芯片復(fù)雜程序的開環(huán)法或用直射光偏斜陰影光敏元件的閉環(huán)電路 系統(tǒng)控制，控制成本較高。目前的太陽跟蹤裝置成本很貴，傳統(tǒng)的一維跟蹤裝置 的成本約是光伏發(fā)電系統(tǒng)的30%， 二維跟蹤的為70%左右，四平方米受光面積的 進口一維太陽跟蹤器價格近萬元，所以一般低倍率聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用傳統(tǒng) 的跟蹤方法沒有經(jīng)濟效益。為了減少太陽跟蹤裝置成本，很多大型槽式拋物面反 射聚光裝置采用東西向布置，只控制反射面主軸傾角。
另一種常見的二維跟蹤太陽方式是把拋物槽南北向傾斜布置，通過以南北正 向布置正午拋物槽主軸指向太陽傾斜角為s的拋物槽頂點線為轉(zhuǎn)軸的自旋調(diào)整方 位角方式來跟蹤太陽，簡稱之為自旋軸傾角調(diào)整跟蹤法。許多真空管太陽能高溫 熱水器采用這種跟蹤方法，例如"家用同步跟蹤太陽能開水器"是國家專利產(chǎn)品， 專利號ZL00219088.5。自旋軸傾角調(diào)整跟蹤法，不是真正的赤經(jīng)-赤諱跟蹤方法， 的只在春、秋分日和每日正午時刻有與赤經(jīng)-赤緯跟蹤方法相同精度，其它時間都 有原理性跟蹤偏差，冬至和夏至日早晚偏差最大。這種跟蹤偏差對碟形反射鏡聚 光的太陽能利用裝置效率的影響更為明顯。但這種跟蹤方式采用時鐘式控制方式使跟蹤裝置成本大大降低，是其優(yōu)點。
另外，碟形反射鏡聚光裝置在二維跟蹤時，其反射鏡和聚光接收器系統(tǒng)的重 心與二維轉(zhuǎn)動軸交點有距離，形成偏心力矩，轉(zhuǎn)動驅(qū)動器需要增大尺寸和功率，
增加了跟蹤裝置成本和動力消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種用于聚光發(fā)電的廉價高精度二維跟蹤太陽機構(gòu)，可以克服現(xiàn) 有太陽能利用跟蹤裝置不能兼顧提高精度與降低成本的不足，具有跟蹤精度高， 跟蹤方式簡便，機構(gòu)簡單，不產(chǎn)生偏心力矩而無須添加平衡重物塊，驅(qū)動力小等 優(yōu)點，從而有助于降低太陽能光伏發(fā)電和高溫?zé)崂醚b置的成本。
一種用于聚光發(fā)電的廉價高精度二維跟蹤太陽機構(gòu)，采用調(diào)節(jié)赤經(jīng)角和赤緯 角的二維跟蹤太陽方式，機構(gòu)包括赤經(jīng)轉(zhuǎn)動副、赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器、赤緯轉(zhuǎn)動副、載 物平臺框架和整機支架等，載物平臺框架上裝反射或透射聚光鏡及太陽能光伏發(fā) 電器等；跟蹤目標(biāo)是載物平臺框架的平臺面要時刻垂直于太陽光線，或聚光鏡要 時刻平行于太陽光線；
其特征在于機構(gòu)還設(shè)計有一維轉(zhuǎn)動框，二維轉(zhuǎn)動中體框架、緯度調(diào)節(jié)器、 赤緯角調(diào)節(jié)器和跟蹤偏差指示器；機構(gòu)的總體布局和關(guān)系是赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器和赤 經(jīng)轉(zhuǎn)動副安裝在整機支架頂端的傾斜頂板上和一維轉(zhuǎn)動框內(nèi)中間，使赤經(jīng)軸平行 地軸；赤經(jīng)軸跟一維轉(zhuǎn)動框離合連接；二維轉(zhuǎn)動中體框架套架在一維轉(zhuǎn)動框之外， 由裝在兩框的東、西邊框上分為兩段的赤緯轉(zhuǎn)動副連接；赤緯角調(diào)節(jié)器作為兩框 夾角調(diào)節(jié)器連接兩框；載物平臺框架分為南北兩大塊，分別與二維轉(zhuǎn)動中體框架 的上、下邊框連接；載物平臺框架上安裝的聚光鏡的主軸與載物平臺框架平面垂 直；跟蹤偏差指示器裝在載物平臺框架的上邊框近赤緯角調(diào)節(jié)器處；由整機支架 底座或赤經(jīng)軸套支座的方位調(diào)整赤經(jīng)軸朝向正北，由緯度調(diào)節(jié)器調(diào)整赤經(jīng)軸的傾 角等于當(dāng)?shù)鼐暥?，由赤緯角調(diào)節(jié)器調(diào)整載物平臺框架的平臺面與赤經(jīng)軸的夾角等 于當(dāng)日赤緯角，由赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器根據(jù)地球自轉(zhuǎn)角速度驅(qū)動赤經(jīng)軸自東向西跟隨太 陽轉(zhuǎn)動。
所述的赤經(jīng)轉(zhuǎn)動副包括赤經(jīng)軸和赤經(jīng)軸套，赤經(jīng)軸為轉(zhuǎn)動件，赤經(jīng)軸套為固 定不動件，赤經(jīng)軸與地軸平行；赤經(jīng)軸套和赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器的機座被固定在整機支 架的立桿頂端的固定式或可調(diào)傾角式的傾斜頂板上，調(diào)正傾斜頂板的傾角使赤經(jīng) 軸線的傾斜角等于當(dāng)?shù)鼐暥?；整機支架處于裝置的中心，直立固定在地面上，調(diào) 正整機支架的底座方位和微調(diào)赤經(jīng)軸套支座的方位，使赤經(jīng)軸線的方向指向正北； 赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器是由低速電機和減速器組成，兩端伸出的輸出軸為赤經(jīng)軸；在工作 時，赤經(jīng)軸以每分鐘轉(zhuǎn)0.25度的定角速度連續(xù)或間歇自東向西轉(zhuǎn)動，間歇周期在 30秒內(nèi)，可以是25秒，20秒，15秒。
所述的一維轉(zhuǎn)動框，具有南、北和東、西四邊框；赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器放在一維轉(zhuǎn)動框內(nèi)，赤經(jīng)軸的兩端穿在南、北兩邊框上，用離合方式連接一維轉(zhuǎn)動框， 一維 轉(zhuǎn)動框在工作中隨著赤經(jīng)軸同步轉(zhuǎn)動；赤緯轉(zhuǎn)動副分為兩段，分放在赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動 器的東、西兩側(cè)，赤諱軸線與赤經(jīng)軸線正交；在一維轉(zhuǎn)動框的東、西兩邊框上固 定有赤緯軸、或赤緯軸套。
所述的二維轉(zhuǎn)動中體框架，其主體為矩形方框，由上、下邊框和東、西側(cè)邊 框構(gòu)成，套在一維轉(zhuǎn)動框之外，其東、西側(cè)邊框與一維轉(zhuǎn)動框的東、西邊框通過 赤緯轉(zhuǎn)動副連接，二維轉(zhuǎn)動中體框架可繞赤緯軸轉(zhuǎn)動；二維轉(zhuǎn)動中體框架的上邊 框和下邊框分別連接著南、北兩塊載物平臺框架，形成兩級臺階；載物平臺框架 的平臺面與二維轉(zhuǎn)動中體框架的上、下邊框平行或與二維轉(zhuǎn)動中體框架的矩形方 框面垂直，也與聚光鏡主軸垂直；赤緯轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動件安裝在二維轉(zhuǎn)動中體框架 的東、西側(cè)邊框上，赤緯轉(zhuǎn)動副的軸線與二維轉(zhuǎn)動中體框架的框平面平行，與赤 經(jīng)軸線垂直，最好正交；二維轉(zhuǎn)動中體框架連同載物平臺框架及其上承載的聚光 鏡及太陽能光伏發(fā)電器或集中熱接收器等能夠繞的赤緯轉(zhuǎn)動副的軸線而轉(zhuǎn)動；由 赤經(jīng)轉(zhuǎn)動副、赤緯轉(zhuǎn)動副、 一維轉(zhuǎn)動框和二維轉(zhuǎn)動中體框架構(gòu)成萬向轉(zhuǎn)動架；一 維轉(zhuǎn)動框、赤緯轉(zhuǎn)動副、二維轉(zhuǎn)動中體框架和載物平臺框架及其上的承載物，都 隨赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器驅(qū)動的赤經(jīng)軸同步轉(zhuǎn)動。
所述的赤緯角調(diào)節(jié)器為調(diào)節(jié)二維轉(zhuǎn)動中體框架平面與一維轉(zhuǎn)動框平面之間的 夾角機構(gòu)，是一種螺紋桿-搖桿結(jié)合機構(gòu)，或是蝸輪蝸桿機構(gòu)；所述的一種螺紋桿 -搖桿結(jié)合機構(gòu)的赤緯角調(diào)節(jié)器，它包括螺紋桿、搖動螺紋套、手輪、拔桿和搖臂； 搖動螺紋套安裝在一維轉(zhuǎn)動框上，搖臂與二維轉(zhuǎn)動中體框架相連，二維轉(zhuǎn)動中體 框架的側(cè)邊框可直接作為搖臂使用，赤緯轉(zhuǎn)動副的軸為搖臂搖動副的軸，搖臂端 有一個孔，拔桿的一端為圓柱銷，插在搖臂的孔內(nèi)，另一端為扁板狀，扁板上有 圓孔套在螺紋桿的末端圓柱段上；螺紋桿穿在搖動螺紋套上， 一端裝有手輪，末 端還有螺紋，配上螺母，限位拔桿不能脫離螺紋桿；通過手輪的轉(zhuǎn)動，螺紋桿在 與赤緯轉(zhuǎn)動副的軸線垂直的平面上運動，帶動二維轉(zhuǎn)動中體框架改變與一維轉(zhuǎn)動 框平面的夾角等于當(dāng)日的赤緯角；所述的蝸輪蝸桿機構(gòu)的赤緯角調(diào)節(jié)器，蝸輪蝸 桿機座裝在一維轉(zhuǎn)動框上，蝸輪的輸出軸為赤緯轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸，與二維轉(zhuǎn)動中 體框架的赤緯軸套固定連接；通過轉(zhuǎn)動蝸輪蝸桿機構(gòu)的手輪，帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，再 由蝸輪軸的轉(zhuǎn)動帶動二維轉(zhuǎn)動中體框架轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)赤諱角。
所述的緯度調(diào)節(jié)器是固定三角式，或可調(diào)斜角式；所述的固定三角式諱度調(diào) 節(jié)器，是用兩塊直角三角板式的立板焊在兩塊板上，兩塊板的夾角等于當(dāng)?shù)刂M度 4)， 一塊板為水平板焊接在整機立桿的頂端，另一塊為傾斜頂板，傾斜頂板上布 置有用于安裝赤經(jīng)軸套支座和赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器的孔，孔徑留出余量便于對赤經(jīng)軸方 位的微調(diào)；所述的可調(diào)斜角式緯度調(diào)節(jié)器，包括傾斜頂板、水平頂板、可動軸銷、 直交銷套筒、螺桿、可動螺紋套、螺紋套銷、固定軸銷和量角板是傾斜頂板上傾斜頂板上布置有用于安裝赤經(jīng)軸套支座和赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器的孔，孔徑留出余量便 于對赤經(jīng)軸方位的微調(diào)，傾斜頂板下方焊接兩對耳孔板，由穿過耳孔板的可動軸 銷和固定軸銷托起；固定軸銷裝在水平頂板上方耳孔板上，與水平頂板的位置不 變；可動軸銷，由直交銷套筒、螺桿、可動螺紋套托起和改變位置，直交銷套筒 的水平通孔套穿在可動軸銷上，垂直于可動軸銷的半通孔套插在螺桿的末端，直 交銷套筒的半通孔的側(cè)壁裝一個定位螺釘，定位螺釘末端嵌在螺桿末端的凹槽環(huán) 內(nèi)，可動螺紋套裝在水平頂板下方耳孔板的螺紋套銷上；螺桿的自由端銑出平臺， 通過旋轉(zhuǎn)螺桿調(diào)節(jié)傾斜頂板的傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥?> ;水平頂板上裝帶刻度的量角 板，量角板與固定軸銷垂直，量角板圓心在固定軸銷的軸線上，緯度指針安裝在 傾斜頂板邊緣，與傾斜頂板面垂直，指針尖指向量角板的圓心，在傾斜頂板水平 時，緯度指針在量角板上的位置示為0度，傾斜頂板面朝南垂直時緯度指針在量 角板上的位置示為90度。
所述的跟蹤偏差指示器是，立桿陰影式，或漏孔光斑式跟蹤偏差指示器；立 桿陰影式的跟蹤偏差指示器是直立在載物平臺框架的邊框上的細長桿，當(dāng)載物平 臺框架的平臺面與入射光線不垂直時，在細長桿根部平面上會看到陰影；漏孔光 斑式的跟蹤偏差指示器是在載物平臺框架的邊框上方安裝一塊有孔的檔板，在孔 的正下方邊框上畫出光斑圓環(huán)，當(dāng)載物平臺框架的平臺面與入射光線不垂直時， 光斑會偏離圓環(huán)；根據(jù)跟蹤偏差指示器的信號，每日手動調(diào)節(jié)赤緯角調(diào)節(jié)器一、 二次，使載物平臺框架平面與赤經(jīng)軸線的夾角跟赤緯角的偏差小于0.15。；載物平 臺框架上裝載的聚光鏡的主軸與載物平臺框架的平臺面垂直。
所述的赤經(jīng)軸跟一維轉(zhuǎn)動框的連接，是能夠相離或相合的連接，用普通技術(shù) 的牙嵌離合器，或是活動銷釘連接。
所述的載物平臺框架上裝載的透射聚光鏡為菲涅爾透鏡，太陽能光伏發(fā)電器 為晶體硅電池和散熱件，并以組件箱的形式安裝在載物平臺框架的平臺面上；每 個組件箱的頂板是一塊透鏡組件，是多個小菲涅爾透鏡貼在一塊鋼化玻璃板下面 或直接刻印在一塊有機玻璃或透明樹脂板下面；組件箱的底板為一塊經(jīng)絕緣處理 底面涂黑的鋁板的上面貼有與頂板上小菲涅爾透鏡數(shù)相等的晶體硅電池小片的電 池組件，電池小片的中心與小菲涅爾透鏡中心位置相同，底板也為散熱件；組件 箱的四周包透光防塵的簿板；底板與頂板的間距小于菲涅爾透射聚光鏡的焦距， 小菲涅爾透鏡的面積與電池小片的面積之比在10 40間；組件箱為框架結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一種用于聚光發(fā)電的廉價高精度二維跟蹤太陽機構(gòu)，由于采用一維 轉(zhuǎn)動框和二維轉(zhuǎn)動中體框架連接赤經(jīng)和赤緯兩個轉(zhuǎn)動副的方式，構(gòu)成了萬向轉(zhuǎn)動 架，通過赤經(jīng)軸跟蹤時角和赤緯軸套跟蹤太陽赤緯角，保證了聚光鏡的主軸時刻 都能指向太陽，實現(xiàn)全年度高精度的跟蹤。它與通常采用的變自旋軸傾角調(diào)整跟 蹤法最主要的區(qū)別點在于旋轉(zhuǎn)主軸的傾角是不改變的，固定等于當(dāng)?shù)刂M度，與地軸平行，隨地軸同步轉(zhuǎn)動；因時日不同的赤緯角度變化，是通過改變載物平臺 框架的平臺面與旋轉(zhuǎn)主軸的夾角等于當(dāng)時赤緯角的方式來實現(xiàn)，載物平臺框架的 平臺面是以與旋轉(zhuǎn)主軸的夾角等于當(dāng)時赤緯角的狀態(tài)改隨赤經(jīng)軸旋轉(zhuǎn)。這樣，只 要使用時鐘式赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器驅(qū)動赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動，每日手動調(diào)節(jié)赤緯角一次，就可全 年都有同樣的高跟蹤精度，而通常采用調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸傾角的方法在偏離春分和秋分 日，偏離正午都會產(chǎn)生較大的跟蹤偏差。由于赤經(jīng)跟蹤時角可使用時鐘式赤經(jīng)軸 轉(zhuǎn)動器，轉(zhuǎn)速恒定，廉價，功率10W的時鐘式赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器僅數(shù)百元；本發(fā)明的 一種螺紋桿-搖桿結(jié)合機構(gòu)的赤緯角調(diào)節(jié)器，有很大減速比，手輪轉(zhuǎn)動一圈調(diào)整赤 緯角大約0.25。，提高了調(diào)節(jié)精度，并且能自鎖。
本本發(fā)明通過二維轉(zhuǎn)動中體框架把聚光鏡分為南、北兩層，通過降低北聚光 鏡的重心高度達到使整機轉(zhuǎn)動部分的重心落在赤經(jīng)軸線與赤緯軸線的交點上，而 無需另外配置平衡重物塊，使整機重量減輕，赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器功率減小，造價降低， 另外，通過適當(dāng)增大南二維轉(zhuǎn)動架的對赤緯軸的距離，使得整機支架可以直立， 聚光鏡轉(zhuǎn)角范圍擴大，再者，增加了風(fēng)道面積，減少了風(fēng)壓，好處多多。 緯度調(diào)節(jié)器便于在全國各地安裝按當(dāng)?shù)鼐暥日{(diào)節(jié)赤經(jīng)軸的傾角。 赤經(jīng)軸跟一維轉(zhuǎn)動框的離合連接方式，使聚光鏡復(fù)位時無需消耗赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動 器倒轉(zhuǎn)時的動力，僅需手動推動聚光鏡復(fù)位，快速便捷，也有利于聚光鏡隨時定 位起動。
立桿陰影式，或漏孔光斑式跟蹤偏差指示器，直觀、簡單，使調(diào)節(jié)精確，遠 比刻度指示盤精度高。


圖1是本發(fā)明的實施例1的原理示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例1的主體框架結(jié)構(gòu)三維簡圖。 圖3是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)關(guān)系正面示意圖。 圖4是本發(fā)明實施例1的頂端傾斜頂板的緯度cH周節(jié)機構(gòu)三維簡圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及其附圖，進一步說明本發(fā)明。但本發(fā)明并不僅限于此。
實施例l工作原理和結(jié)構(gòu)關(guān)系由圖l、 2、 3、 4、 5共同說明。 實施例1的裝置采用調(diào)節(jié)赤經(jīng)角和赤諱角的二維跟蹤太陽方式，機構(gòu)包括赤 經(jīng)轉(zhuǎn)動副、赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器、赤緯轉(zhuǎn)動副、赤緯角調(diào)節(jié)器、載物平臺框架、整機支 架，》;一維轉(zhuǎn)動框、二維轉(zhuǎn)動中體框架和跟蹤偏差指示器等，載物平臺框架裝載 拋物面反射聚光鏡、太陽能光伏發(fā)電器或集中熱接收器等。
圖1用抽象示意的線條展示本發(fā)明機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)關(guān)系和工作原理。赤經(jīng)軸 轉(zhuǎn)動器3的機座被固定在整機支架7立桿頂端和一維轉(zhuǎn)動框4的中間，赤經(jīng)軸1 的傾斜角等于當(dāng)?shù)鼐暥萩l);整機支架處于裝置的中心，直立固定在地面上，調(diào)正
9整機支架的底座方位使赤經(jīng)軸指向正北；平行地軸的赤經(jīng)軸連接赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器和 一維轉(zhuǎn)動框；二維轉(zhuǎn)動中體框架5套架在一維轉(zhuǎn)動框之外，由裝在兩框的東、西 邊框上分為兩段的赤諱轉(zhuǎn)動副的赤緯軸套2T連接；載物平臺框架分為南北兩大塊 6a、 6b，分別與二維轉(zhuǎn)動中體框架的上、下邊框連接；載物平臺框架上可安裝的 聚光鏡的主軸與載物平臺框架平面垂直；由赤緯角調(diào)節(jié)器調(diào)整，載物平臺框架平 面以與赤經(jīng)軸的夾角S等于當(dāng)日赤緯角的狀態(tài)，按地球自轉(zhuǎn)角速度跟隨赤經(jīng)軸同
步轉(zhuǎn)動。
圖2和圖3在一起說明，圖2為實施例1的主體框架結(jié)構(gòu)簡圖，圖3的結(jié)構(gòu) 關(guān)系正面示意圖。
整機主體為方鋼的框架結(jié)構(gòu)；赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器3的輸出軸為赤經(jīng)軸1，赤經(jīng)軸轉(zhuǎn) 動器處在一維轉(zhuǎn)動框4中間，安裝在整機支架7的頂端傾斜頂板9上； 一維轉(zhuǎn)動 框4為矩形框，其南、北邊框是兩根長方鋼，套在赤經(jīng)軸上；北邊框與赤經(jīng)軸套 1T間有套筒墊圈4A，用以把一維轉(zhuǎn)動框的下滑力傳遞到赤經(jīng)軸套上；北邊框的 外側(cè)裝牙板法蘭4C，在赤經(jīng)軸上有可滑動的牙嵌離合塊4D，牙嵌離合塊用手動 螺旋升壓盤4E控制與一維轉(zhuǎn)動框的牙板法蘭的離合；手動螺旋升壓盤的中間有螺 母槽，可在赤經(jīng)軸末端的螺紋上旋轉(zhuǎn)，其外側(cè)有彎鉤，嵌在牙嵌離合塊外邊中間 圓槽內(nèi)； 一維轉(zhuǎn)動框4兩側(cè)短方鋼上穿有赤緯軸2; 二維轉(zhuǎn)動中體框架5是套在一 維轉(zhuǎn)動框外，也為矩形，其東西側(cè)邊框安裝有赤緯軸套，其上邊框5a和下邊框5b 與載物平臺框架6a和6b連接；載物平臺框架上可以根據(jù)需要安裝不同類型的聚 光器和輻射能接收器，例如，碟狀反射聚光鏡，槽拋物面反射聚光鏡，菲涅爾透 射聚光鏡，聚光鏡的光軸與載物平臺框架面垂直。圖3中在南載物平臺框架6a上 示意安裝了拋物面反射聚光鏡25，在北載物平臺框架6a上示意安裝了菲涅爾透射 聚光鏡24和光伏電池23;載物平臺框架也可鋪設(shè)平板光伏電池；菲涅爾透射聚光 鏡和晶體硅電池片是以組件箱的形式安裝在載物平臺框架的平臺面上；每個組件 箱包含多個菲涅爾透射聚光鏡的單元件和對應(yīng)數(shù)目的晶體硅電池的小片；多個單 元件貼在一塊鋼化玻璃板上，對應(yīng)數(shù)目的晶體硅電池的小片貼在經(jīng)絕緣處理的一 塊鋁板上，鋁板為散熱片，小片的中心位置與單元件的中心位置相同；鋁板與鋼 化玻璃板的間距小于菲涅爾透射聚光鏡的焦距，單元件的面積與小片的面積之比 在10 40間；組件箱為框架結(jié)構(gòu)，四周包透光防塵的簿板，例如有機玻璃板，聚 碳酸脂板，或玻璃。
實施例1使用一種螺紋桿-搖桿結(jié)合機構(gòu)的赤緯角調(diào)節(jié)器，它包括螺紋桿11、
搖動螺紋套12、手輪13、拔桿14和搖臂；搖臂是二維轉(zhuǎn)動中體框架5的側(cè)邊框， 搖臂以赤緯轉(zhuǎn)動副的赤緯軸2為搖動軸，搖臂由裝在另一端的拔桿14撥動而改變 角度；拔桿的一端插在搖臂端的孔內(nèi)，另一端有圓孔套在螺紋桿的末端圓柱段上； 螺紋桿穿在搖動螺紋套12上， 一端裝有手輪13,另一端的末端還有螺紋，配上螺母限位拔桿不能脫離螺紋桿；搖動螺紋套12安裝在一維轉(zhuǎn)動框4上，螺紋桿在與 赤緯轉(zhuǎn)動副的軸線垂直的平面上運動；手輪正轉(zhuǎn)時螺紋桿轉(zhuǎn)動并向前移動，還會 改變與一維轉(zhuǎn)動框平面的夾角，螺紋桿的轉(zhuǎn)動被拔桿的圓孔化解，螺紋桿相對于 一維轉(zhuǎn)動框平面的夾角改變被搖動螺紋套的搖動所化解，只有螺紋桿的移動推動 拔桿移動，拔桿的移動推動搖桿搖動，使二維轉(zhuǎn)動中體框架平面與一維轉(zhuǎn)動框平 面的夾角改變。
實施例1使用一種立桿陰影式跟蹤偏差指示器.30，用一根細長桿直立在載物 平臺框架的邊框上，靠近赤諱角調(diào)節(jié)器，當(dāng)載物平臺框架的平臺面與入射光線不 垂直時，在細長桿根部平面上會看到陰影。
圖4是本發(fā)明實施例1的頂端緯度調(diào)節(jié)器三維簡圖。
傾斜頂板9上安裝赤經(jīng)軸套2T，傾斜頂板由下方的兩對耳孔板和可動軸銷16 和固定軸銷22托起，固定軸銷22裝在水平頂板上方耳孔板上，相對于水平頂板8 位置不變，可動軸銷16由直交銷套筒17、螺桿19、可動螺紋套20托起和改變位 置，直交銷套筒水平通孔套在可動軸銷上，垂直于可動軸銷的半通孔套在螺桿19 的末端，直交銷套筒的半通孔的側(cè)壁裝定位螺釘18，定位螺釘末端嵌在螺桿末端 的脛槽內(nèi)，可動螺紋套20裝在水平頂板下方耳孔板的銷21上。
本發(fā)明由于采用一維轉(zhuǎn)動框和二維轉(zhuǎn)動中體框架連接赤經(jīng)和赤緯兩個轉(zhuǎn)動副 的方式，構(gòu)成了結(jié)構(gòu)簡單而承載力大的萬向轉(zhuǎn)動架；赤經(jīng)軸為旋轉(zhuǎn)主軸，它的傾 角是不改變的，固定等于當(dāng)?shù)鼐暥?，與地軸平行，隨地軸同步轉(zhuǎn)動；根據(jù)跟蹤偏 差指示器信號和赤緯角調(diào)節(jié)器，可精確調(diào)節(jié)載物平臺框架面與赤經(jīng)軸夾角等于太 陽赤緯角；所以，安裝在載物平臺框架上的聚光鏡主光軸，在赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動時能夠 時刻指向太陽，實現(xiàn)全年度高精度的跟蹤。這樣，只要使用時鐘式跟蹤驅(qū)動器驅(qū) 動赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動，每日手動調(diào)節(jié)赤緯角一次，就可全年都有同樣的高跟蹤精度。由 于赤經(jīng)跟蹤時角可使用時鐘式跟蹤驅(qū)動器，轉(zhuǎn)速恒定，廉價，設(shè)計500W太陽能 發(fā)電功率的10W的時鐘式赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器僅數(shù)百元；
本發(fā)明的一種螺紋桿-搖桿結(jié)合機構(gòu)的赤緯角調(diào)節(jié)器，有很大減速比，手輪轉(zhuǎn) 動一圈調(diào)整赤緯角大約0.25。，提高了調(diào)節(jié)精度，并且能自鎖。
本發(fā)明通過二維轉(zhuǎn)動中體框架把聚光鏡分為南、北兩層，通過降低北聚光鏡 的重心高度達到使整機轉(zhuǎn)動部分的重心落在赤經(jīng)軸線與赤緯軸線的交點上，而無 需另外配置平衡重物塊，使整機重量減輕，驅(qū)動器功率減小，造價降低，增加了 風(fēng)道面積，減少了風(fēng)壓；
赤經(jīng)軸跟一維轉(zhuǎn)動框的離合連接方式，使聚光鏡復(fù)位時無需消耗時鐘驅(qū)動器 倒轉(zhuǎn)時的動力，僅需手動推動聚光鏡復(fù)位，快速便捷，也有利于聚光鏡隨時定位 起動。本發(fā)明的配置的箱式的菲涅耳透射聚光鏡和晶體硅光伏電池片組件，安裝方 便，外圍透明框增加了漫射光，保護了菲涅耳透鏡和光伏電池片免受污染，提高 了光伏電池片受光率，性價比很高，很有前景。
總之，本發(fā)明的用于聚光發(fā)電的廉價高精度二維跟蹤太陽機構(gòu)，可大大降低 太陽能光伏發(fā)電裝置的成本，提高太陽能中高溫?zé)崂玫臏囟群托剩瑸榻档吞?陽能發(fā)電成本提供了有力的技術(shù)支持。
權(quán)利要求
1、一種用于聚光發(fā)電的廉價高精度二維跟蹤太陽機構(gòu)，采用調(diào)節(jié)赤經(jīng)角和赤緯角的二維跟蹤太陽方式，機構(gòu)包括赤經(jīng)轉(zhuǎn)動副、赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器、赤緯轉(zhuǎn)動副、載物平臺框架和整機支架等，載物平臺框架上裝反射或透射聚光鏡及太陽能光伏發(fā)電器等；跟蹤目標(biāo)是載物平臺框架的平臺面要時刻垂直于太陽光線，或聚光鏡的主軸要時刻平行于太陽光線；其特征在于機構(gòu)還設(shè)計有一維轉(zhuǎn)動框，二維轉(zhuǎn)動中體框架、緯度調(diào)節(jié)器、赤緯角調(diào)節(jié)器和跟蹤偏差指示器；機構(gòu)的總體布局和關(guān)系是赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器和赤經(jīng)轉(zhuǎn)動副安裝在整機支架頂端的傾斜頂板上和一維轉(zhuǎn)動框內(nèi)中間，使赤經(jīng)軸平行地軸；赤經(jīng)軸跟一維轉(zhuǎn)動框離合連接；二維轉(zhuǎn)動中體框架套架在一維轉(zhuǎn)動框之外，由裝在兩框的東、西邊框上分為兩段的赤緯轉(zhuǎn)動副連接；赤緯角調(diào)節(jié)器作為兩框夾角調(diào)節(jié)器連接兩框；載物平臺框架分為南北兩大塊，分別與二維轉(zhuǎn)動中體框架的上、下邊框連接；載物平臺框架上安裝的聚光鏡的主軸與載物平臺框架平面垂直；跟蹤偏差指示器裝在載物平臺框架的上邊框近赤緯角調(diào)節(jié)器處；由整機支架底座或赤經(jīng)軸套支座的方位調(diào)整赤經(jīng)軸朝向正北，由緯度調(diào)節(jié)器調(diào)整赤經(jīng)軸的傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥龋沙嗑暯钦{(diào)節(jié)器調(diào)整載物平臺框架的平臺面與赤經(jīng)軸的夾角等于當(dāng)日赤緯角，由赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器根據(jù)地球自轉(zhuǎn)角速度驅(qū)動赤經(jīng)軸自東向西跟隨太陽轉(zhuǎn)動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1，所述的赤經(jīng)轉(zhuǎn)動副包括赤經(jīng)軸和赤經(jīng)軸套，赤經(jīng)軸為 轉(zhuǎn)動件，赤經(jīng)軸套為固定不動件，其特征在于赤經(jīng)軸平行于地軸；赤經(jīng)軸套和 赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器的機座被固定在整機支架的立桿頂端的固定式或可調(diào)傾角式的傾 斜頂板上，調(diào)正傾斜頂板的傾角使赤經(jīng)軸線的傾斜角等于當(dāng)?shù)鼐暥?；整機支架處 于裝置的中心，直立固定在地面上，調(diào)正整機支架的底座方位和微調(diào)赤經(jīng)軸套支 座的方位，使赤經(jīng)軸線的方向指向正北；赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器是由低速電機和減速器組 成，兩端伸出的輸出軸為赤經(jīng)軸；赤經(jīng)軸在工作時以每分鐘轉(zhuǎn)0.25度的定角速 度連續(xù)或間歇自東向西轉(zhuǎn)動，間歇周期在30秒內(nèi)，可以是25秒，20秒，15秒。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1，所述的一維轉(zhuǎn)動框，具有南、北和東、西四邊框；其 特征在于赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器放在一維轉(zhuǎn)動框內(nèi)，赤經(jīng)軸的兩端穿在南、北兩邊框上， 用離合方式連接一維轉(zhuǎn)動框， 一維轉(zhuǎn)動框在工作中隨著赤經(jīng)軸同步轉(zhuǎn)動；所述的 赤緯轉(zhuǎn)動副分為兩段，分放在赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器的東、西兩側(cè)；赤緯軸線與赤經(jīng)軸線 正交；在一維轉(zhuǎn)動框的東、西兩邊框上固定有赤諱軸、或赤瑋軸套。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1，所述的二維轉(zhuǎn)動中體框架的特征在于二維轉(zhuǎn)動中體 框架主體為矩形方框，由上、下邊框和東、西側(cè)邊框構(gòu)成，套在一維轉(zhuǎn)動框之外， 其東、西側(cè)邊框與一維轉(zhuǎn)動框的東、西邊框通過赤緯轉(zhuǎn)動副連接，二維轉(zhuǎn)動中體 框架可繞赤緯軸轉(zhuǎn)動；二維轉(zhuǎn)動中體框架的上邊框和下邊框分別連接著南、北兩 塊載物平臺框架，形成兩級臺階；載物平臺框架的平臺面與二維轉(zhuǎn)動中體框架的上、下邊框平行或與二維轉(zhuǎn)動中體框架的矩形方框面垂直，也與聚光鏡主軸垂直； 赤緯轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動件安裝在二維轉(zhuǎn)動中體框架的東、西側(cè)邊框上，赤緯轉(zhuǎn)動副的 軸線與二維轉(zhuǎn)動中體框架的框平面平行，與赤經(jīng)軸線垂直，最好正交；二維轉(zhuǎn)動中體框架連同載物平臺框架及其上承載的聚光鏡及太陽能光伏發(fā)電器或集中熱 接收器等能夠繞的赤緯轉(zhuǎn)動副的軸線而轉(zhuǎn)動；由赤經(jīng)轉(zhuǎn)動副、赤緯轉(zhuǎn)動副、 一維轉(zhuǎn)動框和二維轉(zhuǎn)動中體框架構(gòu)成萬向轉(zhuǎn)動架； 一維轉(zhuǎn)動框、赤緯轉(zhuǎn)動副、二維轉(zhuǎn) 動中體框架和載物平臺框架及其上的承載物，都隨赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器驅(qū)動的赤經(jīng)軸同步轉(zhuǎn)動。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1，所述的赤緯角調(diào)節(jié)器為調(diào)節(jié)二維轉(zhuǎn)動中體框架平面與 一維轉(zhuǎn)動框平面之間的夾角機構(gòu)，是一種螺紋桿-搖桿結(jié)合機構(gòu)的赤緯角調(diào)節(jié)器， 其特征是它包括螺紋桿、搖動螺紋套、手輪、拔桿和搖臂；搖動螺紋套安裝在 一維轉(zhuǎn)動框上，搖臂與二維轉(zhuǎn)動中體框架相連，二維轉(zhuǎn)動中體框架的側(cè)邊框可直 接作為搖臂使用，赤緯轉(zhuǎn)動副的軸為搖臂搖動副的軸，搖臂端有一個孔，拔桿的 一端為圓柱銷，插在搖臂的孔內(nèi)，另一端為扁板狀，扁板上有圓孔套在螺紋桿的 末端圓柱段上；螺紋桿穿在搖動螺紋套上， 一端裝有手輪，末端還有螺紋，配上 螺母，限位拔桿不能脫離螺紋桿；通過手輪的轉(zhuǎn)動，螺紋桿在與赤緯轉(zhuǎn)動副的軸 線垂直的平面上運動，帶動二維轉(zhuǎn)動中體框架改變與一維轉(zhuǎn)動框平面的夾角等于 當(dāng)日的赤緯角。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1，所述的赤緯角調(diào)節(jié)器是蝸輪蝸桿機構(gòu)，其特征是蝸 輪蝸桿機座裝在蝸輪裝在一維轉(zhuǎn)動框上，蝸輪的輸出軸為赤緯轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸， 與二維轉(zhuǎn)動中體框架的赤緯軸套固定連接；通過轉(zhuǎn)動蝸輪蝸桿機構(gòu)的手輪，帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，再由蝸輪軸的轉(zhuǎn)動帶動二維轉(zhuǎn)動中體框架轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)赤緯角。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1，所述的緯度調(diào)節(jié)器，其特征是固定三角式，或可調(diào)斜 角式的赤經(jīng)軸傾角調(diào)節(jié)器；所述的固定三角式緯度調(diào)節(jié)器，是用兩塊直角三角板 式的立板焊在兩塊板上，兩塊板的夾角等于當(dāng)?shù)鼐暥?)， 一塊板為水平板焊接在 整機立桿的頂端，另一塊為傾斜頂板，傾斜頂板上布置有用于安裝赤經(jīng)軸套支座 和赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器的孔，孔徑留出余量便于對赤經(jīng)軸方位的微調(diào)；所述的可調(diào)斜角 式緯度調(diào)節(jié)器，包括傾斜頂板、水平頂板、可動軸銷、直交銷套筒、螺桿、可動 螺紋套、螺紋套銷、固定軸銷和量角板；傾斜頂板上布置有用于安裝赤經(jīng)軸套支 座和赤經(jīng)軸轉(zhuǎn)動器的？L，孔徑留出余量便于對赤經(jīng)軸方位的微調(diào)，傾斜頂板下方 焊接兩對耳孔板，由穿過耳孔板的可動軸銷和固定軸銷托起；固定軸銷裝在水平 頂板上方耳孔板上，與水平頂板的位置不變；可動軸銷由直交銷套筒、螺桿、可 動螺紋套托起和改變位置，直交銷套筒的水平通孔套穿在可動軸銷上，垂直于可 動軸銷的半通孔套插在螺桿的末端，直交銷套筒的半通孔的側(cè)壁裝一個定位螺 釘，定位螺釘末端嵌在螺桿末端的凹槽環(huán)內(nèi)，可動螺紋套裝在水平頂板下方耳孔板的螺紋套銷上；螺桿的自由端銑出平臺，通過旋轉(zhuǎn)螺桿調(diào)節(jié)傾斜頂板的傾角等 于當(dāng)?shù)鼐暥?);水平頂板上裝帶刻度的量角板，量角板與固定軸銷垂直，量角板 圓心在固定軸銷的軸線上，緯度指針安裝在傾斜頂板邊緣，與傾斜頂板面垂直， 指針尖指向量角板的圓心，在傾斜頂板水平時，緯度指針在量角板上的位置示為 0度，傾斜頂板面朝南垂直時緯度指針在量角板上的位置示為90度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1，所述的跟蹤偏差指示器，其特征是立桿陰影式，或漏 孔光斑式跟蹤偏差指示器；所述的立桿陰影式的跟蹤偏差指示器是直立在載物平 臺框架的邊框上的細長桿，當(dāng)載物平臺框架的平臺面與入射光線不垂直時，在細 長桿根部平面上會看到陰影；漏孔光斑式的跟蹤偏差指示器是在載物平臺框架的 邊框上方安裝一塊有孔的檔板，在孔的正下方邊框上畫出光斑圓環(huán)，當(dāng)載物平臺 框架的平臺面與入射光線不垂直時，光斑會偏離圓環(huán)；根據(jù)跟蹤偏差指示器的信 號，每日手動調(diào)節(jié)赤緯角調(diào)節(jié)器一、二次，使載物平臺框架平面與赤經(jīng)軸線的夾 角跟赤緯角的偏差小于0.15。；載物平臺框架上裝載的聚光鏡的主軸與載物平臺框 架的平臺面垂直。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1,所述的赤經(jīng)軸跟一維轉(zhuǎn)動框的能夠相離或相合連接， 其特征是用普通技術(shù)的牙嵌離合器，或是活動銷釘連接。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l，其特征是所述的載物平臺框架上裝載的透射聚光鏡為 菲涅爾透鏡，太陽能光伏發(fā)電器為晶體硅電池和散熱件，并以組件箱的形式安裝 在載物平臺框架的平臺面上；每個組件箱的頂板是一塊透鏡組件，是多個小菲涅 爾透鏡貼在一塊鋼化玻璃板下面或直接刻印在一塊有機玻璃或透明樹脂板下面； 組件箱的底板為一塊經(jīng)絕緣處理底面涂黑的鋁板的上面貼有與頂板上小菲涅爾 透鏡數(shù)相等的晶體硅電池小片的電池組件，電池小片的中心與小菲涅爾透鏡中心 位置相同，底板也為散熱件；組件箱的四周包透光防塵的簿板；底板與頂板的間 距小于菲涅爾透射聚光鏡的焦距，小菲涅爾透鏡的面積與電池小片的面積之比在 10 40間；組件箱為框架結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于聚光發(fā)電的廉價高精度二維跟蹤太陽機構(gòu)，采用赤經(jīng)赤緯二維跟蹤方式，其特征是設(shè)計有一維轉(zhuǎn)動框、二維轉(zhuǎn)動中體框架、緯度調(diào)節(jié)器、赤緯角調(diào)節(jié)器和跟蹤偏差指示器；一維轉(zhuǎn)動框連接赤經(jīng)軸和套在其外圈的二維轉(zhuǎn)動中體框架；載物平臺框架為兩級分南北兩大塊，分別與二維轉(zhuǎn)動中體框架的上、下邊框連接，其上安裝有聚光鏡、光伏電池等；赤經(jīng)軸平行地軸定速轉(zhuǎn)動，并帶動與其夾角等于當(dāng)日赤緯角的載物平臺跟隨太陽轉(zhuǎn)動。跟蹤方式簡單，跟蹤精度高，分層對稱載物平臺使裝置全方位自重平衡，用材省，風(fēng)阻小，驅(qū)動功率也小，整機造價低廉，可有效降低聚光式太陽能光伏發(fā)電和中高溫?zé)崂醚b置的成本和提高效率。
文檔編號H02N6/00GK101610044SQ20081012317
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月17日
發(fā)明者陳則韶 申請人:陳則韶