無間歇實(shí)時(shí)跟蹤的太陽能采光驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(背景及原理)

1、新型太陽能跟蹤機(jī)構(gòu)原理背景技術(shù):自從地球上出現(xiàn)人類以來，人類和能源就發(fā)生了不可分割的關(guān)系。然而人類一直使用的能源除柴草、動(dòng)植物油和水力可以再生外, 其他如煤和右油等都不可再生，然而柴草和動(dòng)植物油已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足 當(dāng)今生產(chǎn)力不斷發(fā)展的需要，水力的應(yīng)用也有一定限度，而煤和石油 仍然是人類目前主要使用的能源，但是這些能源已經(jīng)面臨枯竭，另外 上述所有能源的使用，都會(huì)對(duì)地球環(huán)境造成嚴(yán)重污染或破壞，危害到 人類和所有生物的生存。當(dāng)今世界上已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的能源危機(jī)，因此，世界各主要國家 都把冃光放在開發(fā)可再生清潔能源上，例如太陽能、風(fēng)能、潮汐能、 波浪能、車輛對(duì)地面擠壓的能量等等。特別是太陽能，是一切能量的

2、根源，然而，對(duì)地球來說，太陽能的密度是很低的，人概每平方米面 積在最好的條件下只能產(chǎn)生lkw的功率，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的利用很困 難。世界上開始研究太陽能利用以來，對(duì)要求不高的太陽能設(shè)備，采 光裝置一般都固定不動(dòng)，但太陽能轉(zhuǎn)換效率很低；對(duì)要求較高的太陽 能設(shè)備，采光裝置都需要跟蹤太陽，以便獲得盡可能多的太陽能。在跟蹤太陽的方法方面，普遍采用的都是所謂“二維驅(qū)動(dòng)法”， 這個(gè)方法從理論上說，不能說是錯(cuò)誤的，但其形成主要是受到人類觀 察周圍事物習(xí)慣的影響?？雌饋磉@個(gè)方法比較容易理解，但實(shí)際上卻 把問題搞復(fù)雜了。所謂“二維驅(qū)動(dòng)法”，是用一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)，使太陽能采光裝置每天從東方轉(zhuǎn)向南方，再轉(zhuǎn)向西方

3、，跟著太陽 方位走（所謂“方位角驅(qū)動(dòng)”），但是日出和日落時(shí)，太陽都在地平線 上，位置很低，而屮午太陽到了頭頂，位置最高，這就需要使采光裝 置每天從低到高，再從高到低來冋俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)（所謂“俯仰角驅(qū)動(dòng)”）, 這樣就必須吋吋刻刻從x軸和y軸兩個(gè)方向去跟蹤太陽。目前國內(nèi)外 研究太陽能開發(fā)的設(shè)計(jì)方案基木上都是采用這個(gè)模式o他們采用了傳 感器、精密低回差減速機(jī)和微機(jī)程序控制等方法來實(shí)現(xiàn)跟蹤的準(zhǔn)確 性。這乍看起來似乎很科學(xué)，很嚴(yán)密，但事實(shí)上卻使問題復(fù)雜化了， 不但加大了成本，增加了制造難度，同時(shí)使用時(shí)操作難度也相當(dāng)大， 不是一般老百姓能夠掌握的，而且實(shí)際跟蹤精度也不高。有些資料上 說他們的精度可以控制到每次跟

4、蹤誤差不超過0. 01度（也就是0. 6 分），實(shí)際上這是很困難的，因?yàn)闇p速機(jī)的“回差”要達(dá)到不超過1 分已經(jīng)很困難了，何況還有許多中間環(huán)節(jié)，進(jìn)一步加大了誤差。更嚴(yán) 重的是作為驅(qū)動(dòng)原件的減速機(jī)無法達(dá)到使采光裝宜與太陽的視覺運(yùn) 行軌道完全同步，一般都是比太陽運(yùn)行速度快得多，因此不得不采用 “間歇跟蹤”方法，當(dāng)太陽能采光裝置偏離太陽一定角度后才啟動(dòng)跟 蹤裝置，使采光裝置趕上太陽，然后停下來，等再偏離一個(gè)角度，待 傳感器感覺到該誤差以后，再啟動(dòng)跟蹤裝置，使采光裝置再一次趕上 太陽。因此，跟蹤裝置不得不經(jīng)常不斷地間歇啟動(dòng)。由于在每次啟動(dòng) 和停止時(shí)都會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，這就使跟蹤機(jī)構(gòu)特別是減速機(jī)很容 易

5、損壞，由于設(shè)備故障率高，經(jīng)常被迫停機(jī)檢修，造成太陽能設(shè)備不 能止常運(yùn)行；同時(shí)，也是由于扭矩過大，不得不將減速機(jī)設(shè)計(jì)得非常 龐人，而且水平轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)必須分別設(shè)計(jì)減速機(jī)，因此極大地加 大了制造成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，而設(shè)備制造成本過高，維護(hù)費(fèi)用偏高, 使每千瓦小時(shí)的費(fèi)用大大高于目前火力發(fā)電和水力發(fā)電的水平，這是 阻礙太陽能發(fā)電推廣使用的主要原因。發(fā)明內(nèi)容：本發(fā)明的目的在于提供一種無間歇實(shí)時(shí)跟蹤的太陽能采光驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu)及其工作方法，它采用全部齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，能夠無間歇地實(shí)吋精 確跟蹤太陽，完全避開了采用傳感器和微機(jī)程序控制等進(jìn)行間歇跟蹤 的繁瑣模式，跟蹤精度高，大大簡化了整體結(jié)構(gòu)，而且大幅度降低了 太陽

6、能設(shè)備的造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用。本發(fā)明的技術(shù)方案是由采光裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速機(jī)、電動(dòng)機(jī)、 能量輸出機(jī)構(gòu)、能量輸出管線及基座組成的；其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一端與采 光裝置和連接，另一端與減速機(jī)相連接；減速機(jī)的另一端與電動(dòng)機(jī)相 連接；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于可調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)構(gòu)傾角的基座上；能量輸出機(jī)構(gòu) 置于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，用于將獲得的能量從連續(xù)旋轉(zhuǎn)的采光裝置輸送出 去；能量輸出管線一端連接能量輸出機(jī)構(gòu)，另一端連接到相應(yīng)的與地 平面連接的固定設(shè)備上。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。詳細(xì)結(jié)構(gòu)及說明 參看專利說明書。（專利名稱：“一種無間歇實(shí)時(shí)跟蹤的太陽能采光驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)及其工作方法二專利申請(qǐng)?zhí)枺篶n200910068468.3 ）o 工作原理：該

7、太陽能采光驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不是按傳統(tǒng)的觀念釆用“二維驅(qū)動(dòng)法”， 即不用水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)加垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)從x軸和y軸兩個(gè)方向同時(shí)去 跟蹤太陽的方法，而是使光伏電池的平面永遠(yuǎn)垂直于太陽光線，（參 看圖1及圖2,圖屮假設(shè)設(shè)備所在位置在北緯40度線上，圖1為2011 年1月22 ei地球在宇宙屮的實(shí)際狀態(tài)，圖2為2011年5 h 18 ei地 球在宇宙屮的實(shí)際狀態(tài)），因此采光驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心必須等于當(dāng) 地的緯度，而光伏電池與旋轉(zhuǎn)中心的夾角必須等于太陽偏離赤道的角 度。按相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，以地球中心為參考點(diǎn)，從地球上觀察太陽，其 運(yùn)行軌道就是一個(gè)以地球中心為圓心的圓。這樣，當(dāng)采光裝置圍繞其 軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)，隨著地球的口轉(zhuǎn)運(yùn)

8、動(dòng)，與光伏電池平面垂宜的法線掃描 的平面就和太陽視覺運(yùn)行軌道處在同一平面內(nèi)，如果采光裝置旋轉(zhuǎn)的 速度和太陽的視覺運(yùn)行速度相同，釆光裝置自然就永遠(yuǎn)正對(duì)太陽，實(shí) 現(xiàn)最大限度采集陽光的目的。市于太陽視覺運(yùn)行軌道的直徑非常大 （相當(dāng)于兩倍從地球屮心到太陽屮心的距離），采光裝置所處位置與 太陽視覺運(yùn)行軌道圓心之間的偏差就顯得微乎其微，可以忽略不計(jì)。 由于地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，地球的軸心在不斷擺動(dòng)，使得太陽光線 照射地球的角度不斷變化，每年從南緯23度26分15.67秒到北緯23 度26分15.67秒來回?cái)[動(dòng)一次，這就形成太陽的視覺位置對(duì)北半球 來說，冬至最低，夏至最高，其高低相差角度為46.875372

9、度。當(dāng)?shù)?球旋轉(zhuǎn)軸心傾斜某一角度時(shí)，太陽的視覺位宜也偏離赤道同一角度。 在每天中午當(dāng)采光裝置正對(duì)太陽時(shí)，采光裝置與太陽的連線在南北方 向上的法線與地平而的傾斜角度等于采光裝置所在位置的緯度減去 太陽光線向北偏移的角度，而每天午夜采光裝置與太陽的連線在南北 方向上的法線與地平面的傾斜角度等于采光裝置所在位置的緯度加 上太陽光線向北偏移的角度，在晨昏這兩段吋間，該法線與地平面的 傾斜角度正好處在這兩個(gè)角度的中間位置，也就是設(shè)備當(dāng)吋所處的緯 度。如果要使采光裝置永遠(yuǎn)止對(duì)太陽，不發(fā)生偏差，采光裝置除了必 須每天口傳一周之外，上述法線還必須在以兩倍于太陽從赤道北移角 度為圓錐角的圓錐面上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而圓

10、錐的中心線與地平面的傾角 正好等于當(dāng)?shù)氐木暥?。由于地球除了口轉(zhuǎn)之外，還圍繞太陽公轉(zhuǎn)，地球口轉(zhuǎn)一圈后，已 圍繞太陽公轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，地球上原來止對(duì)太陽中心的點(diǎn)已偏離太陽 中心。由于地球口傳一周（360度）需時(shí)23小時(shí)56分4秒，即等 于1436.06833333-分，而地球一恒星年（即地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周） 的時(shí)間為365.2563657天，按此計(jì)算，地球必須比自轉(zhuǎn)一周多轉(zhuǎn)一個(gè) 角度，地球上的某觀察點(diǎn)才能再一次正對(duì)太陽屮心。這個(gè)多轉(zhuǎn)的角度 是：360 / 365.2563657= 0.9856091058度。這時(shí)地球應(yīng)該自轉(zhuǎn)的角度 就是360.9856091058度，所需時(shí)間為：1436.06833

11、33333x360.9856091058 / 360=1440 分，正好是24小時(shí)。這就是太陽的視覺運(yùn)行速度。太陽能采光裝置圍繞 口己軸心旋轉(zhuǎn)的速度如果止好等于這個(gè)速度，采光器就可以永遠(yuǎn)止對(duì) 太陽。為了保證減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速止好是lrpd （每天一轉(zhuǎn)），減速機(jī)的 速比應(yīng)為1440x電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，例如當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為準(zhǔn)確的1500rpm 時(shí)，減速機(jī)的速比就是1440x1500二2160000,那么晝夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn), 采光裝置就能準(zhǔn)確無誤地對(duì)準(zhǔn)太陽，沒有偏左。由于地球從南冋歸線到北冋歸線來冋擺動(dòng)的影響，太陽光線照射 地球的角度每年從南到北，再從北到南擺動(dòng)一次。要使采光裝置無論 冬夏都能正對(duì)太陽，就必須用一

12、臺(tái)輸出轉(zhuǎn)速為1卬n （每年一轉(zhuǎn)）的減 速機(jī)帶動(dòng)一套往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)采光裝置每年來回?cái)[動(dòng)一次。又由 于地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)一圈（即1恒星年）需要365.2563657天，減速 機(jī)的速比應(yīng)為365.2563657x 1440x電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 準(zhǔn)確的1500rpm時(shí)，減速機(jī)的速比就應(yīng)該是365.2563657x 1440x 1500 = 788953749.9c由于地球每年從南緯23度26分15.67秒到北緯 23度26分1567秒來冋擺動(dòng)一次，擺動(dòng)的總角度為2x46.875372 = 93.750744度，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)一圈（即1恒星年）所需吋間為 365.2563657天，因此太陽

13、每天高度的變化為：93.750744 f 365.2563657=0.2566711度。這個(gè)角度很小，對(duì)于一些小型的太陽能 設(shè)備來說，每5天到10天手動(dòng)微調(diào)一次就可以了，不需要采用機(jī)械 傳動(dòng)；但在大型的數(shù)百兆瓦級(jí)以上的群體發(fā)電站方面就很需要了，否 則，手動(dòng)調(diào)節(jié)不但麻煩，述會(huì)增加管理費(fèi)用。嚴(yán)格講，在無限長的宇宙長河中，太陽和地球的運(yùn)行軌道和運(yùn)行 速度是會(huì)變化的，但在短短的幾萬年的時(shí)間中，對(duì)整個(gè)宇宙來說，僅 僅是一瞬間，可以認(rèn)為，它們的運(yùn)行軌道和運(yùn)行速度是穩(wěn)定不變的。 因此用這個(gè)方案來解決跟蹤太陽的問題，就應(yīng)該是非常準(zhǔn)確的，無需 再使用傳感器和微機(jī)控制等方法來彌補(bǔ)跟蹤產(chǎn)生的誤羌。根據(jù)以上分析，本發(fā)

14、明屮太陽能設(shè)備（包括太陽能發(fā)電以及太陽 能加熱和照明等）整體的旋轉(zhuǎn)屮心與地面的傾角應(yīng)等于安裝該設(shè)備所 在地的緯度a,而采光器冋轉(zhuǎn)屮心與地平面的傾角是隨時(shí)變化的，除 時(shí)間等于零的一瞬間外，全部時(shí)間都不等于當(dāng)?shù)鼐暥取Ｈ缟纤?，?光裝置與太陽的連線在南北方向上的法線是在兩倍于太陽從赤道偏 移的角度p為圓錐角的圓錐面上旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)（參看圖3）o太陽與赤道 偏移的角度每天的變化量很小，對(duì)于一些小型的太陽能設(shè)備來說，每 5天到10天手動(dòng)微調(diào)一次就可以了，不需要采用機(jī)械傳動(dòng)。按本發(fā)明制造的太陽能設(shè)備，可以日夜不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，使采光器永 遠(yuǎn)正對(duì)太陽，雖然夜間采光面被地球遮擋，不能接收陽光，但太陽剛 出地平線，采光而

15、就已經(jīng)正對(duì)太陽，并繼續(xù)跟隨太陽運(yùn)動(dòng)，因此就沒 有冋歸原位和準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)的麻煩，不僅可以省去冋歸和啟動(dòng)必須的復(fù)雜 機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，而且由于運(yùn)動(dòng)部件只向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，不存在回差 間隙的影響，傳動(dòng)機(jī)件的精度要求也無需太高。同時(shí)，由于是連續(xù)運(yùn) 行，不是間歇傳動(dòng)，不存在沖擊問題。眾所周知，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)， 其啟動(dòng)電流比正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)大67倍，甚至更大。冃前所有跟蹤機(jī)構(gòu)都 是間歇傳動(dòng)，每幾分鐘就啟動(dòng)一次，有的“精密跟蹤系統(tǒng)”甚至在非 常短的時(shí)間內(nèi)就頻繁啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)基本上是在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常運(yùn)轉(zhuǎn)電流 的狀態(tài)下運(yùn)行；其次，由于啟動(dòng)和停止時(shí)產(chǎn)生的沖擊扭矩非常大，常 常將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一別是減速機(jī)一一撞壞，造成事故，（在某些場合,

16、 是絕對(duì)不允許意外停電的，否則會(huì)帶來極大的破壞），因此不得不將 減速機(jī)和整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得非常龐大，這就是太陽能設(shè)備造價(jià)高 昂，維護(hù)費(fèi)用很高的重要原因。按照木發(fā)明的方案，由于上述問題不 存在，減速機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)得非常輕巧，又由于速比特別大， 用很小的電機(jī)就可以產(chǎn)生非常巨大的扭矩，因此雖然是晝夜不停地轉(zhuǎn) 動(dòng)，其耗電量比冃前普遍采用的方案述會(huì)降低很多。木發(fā)明的優(yōu)越性在于：1、本采光驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠連續(xù)不斷無間歇 跟蹤太陽，導(dǎo)致最充分采光，且跟蹤精度非常高，只需將減速機(jī)的速 比定為1440 x電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，采光面就永遠(yuǎn)止對(duì)太陽，無論任何時(shí)候都 不會(huì)產(chǎn)生偏差；若電動(dòng)機(jī)存在微小誤差，則可通過調(diào)節(jié)連桿和可

17、調(diào)節(jié) 驅(qū)動(dòng)桿進(jìn)行微調(diào)，以使采光平面在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)均可調(diào)整到正 對(duì)太陽的位置；2、采光角度的調(diào)節(jié)方法簡單易行，不用俯仰調(diào)節(jié)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)，成本低廉，適于在家庭及其他小規(guī)模用電場合推廣使用；對(duì) 于大型的群體發(fā)電站，則需要一套速比為365.2563657x 1440x電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速的減速機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)采光裝置，使其自動(dòng)永遠(yuǎn)正對(duì)太陽；3、由 于減速機(jī)速比非常大，在電動(dòng)機(jī)功率非常小的情況下就可以產(chǎn)生極大 的輸出扭矩，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)得非常小巧，不僅可以省電，而 且可以大幅度降低制造成本；4、由于是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，耗電量比斷續(xù)驅(qū) 動(dòng)小得多，同時(shí)不存在沖擊負(fù)荷，設(shè)備不易損壞，壽命比間歇傳動(dòng)大 大延長，適合于太陽能

18、電站長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的需要；5、與以往設(shè)備相 比，售價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用均大幅度降低，加速太陽能利用的推廣，對(duì)推廣 可再生清潔能源，改變當(dāng)前危機(jī)四伏的能源結(jié)構(gòu)極為有利，有希望成 為今后解決能源問題的主要方向；特別是在高山、沙漠、草原和遠(yuǎn)離 海岸的海島等不易架設(shè)高壓電網(wǎng)的地方，采用小型太陽能發(fā)電或其它 功能的設(shè)備；作為家庭或其他小型場所的能源，也極其方便而且經(jīng)濟(jì);6、本發(fā)明是一項(xiàng)環(huán)保、節(jié)能的能源采集設(shè)備，值得廣泛推廣應(yīng)用。原理圖解:冬天假設(shè)設(shè)備所在緯度地球険轅軸童回歸線每日采尤平更中心零擺費(fèi)囲椎角 -（等于2倍去陽南移緯度）太陽能設(shè)備釆光平面位置假設(shè)太陽南移緯度平行於地直5°25左視圖平行於地面40：阜曉6時(shí)采光平面中心線與地平五傑角（等于設(shè)備所在地緯度）.4(?"d匕回歸線楚球北隕球赤遭設(shè)備傳動(dòng)軸線平行於地軸（當(dāng)?shù)鼐暥任?2時(shí)采光平面中心賤與地平面像角 早晚采光平面中心線與地球軸找傾角 夜0時(shí)采光平而中心線與地平面像角（等于設(shè)備所在地緯度加太陽竜移緯度）（等于太陽帝移緯度）（等于設(shè)備所在地緯度減太陽南移緯度）假設(shè)設(shè)備所在緯度23,4377