一种跟踪太阳的机构和其应用的制作方法.docx

一种跟踪太阳的机构和其应用的制作方法专利名称：一种跟踪太阳的机构和其应用的制作方法技术领域：本发明是一种跟踪太阳的机构和其应用，属于太阳能利用技术领域背景技术：用低造价，简单的方法对太阳跟踪及聚光对太阳能利用来说至关重要，为此国内 外许多人提出了许多种跟踪太阳的方法和机构，这些技术可归结为以下五大类一是用一套控制和传动系统控制一个太阳能接收器，这种方法最简单，但造价很虫 贝；二是用一套控制和传动系统控制多个柱面聚光镜聚光，是一种单轴跟踪聚光，此 方法聚光区为一条焦线区，不能产生高温，造价中等；三是用一套控制和传动系统控制多个聚光镜分散聚光，聚光镜总面积在数十平方 米左右，这种多焦点的分散聚光应用成本高，总造价也较高；四是用多套控制和传动系统控制多个聚光镜将太阳光聚焦到塔上一点，如塔式聚 光和盘式聚光这种方法可得到高聚光度，但造价很高；五是用一套控制和传动系统控制多个接收器或聚光镜，分散或集中聚光，聚光面 积可达数十至数千平方米，甚至更大面积，用这种方法成本最低，有许多人提出了许多方 案，如中国专利CN1361397提出了一种由柱面聚光镜、导轨框架、传动和控制装置组成 的聚光装置，由一套控制和传动系统控制多个聚光镜聚光，但这种聚光方式为单轴聚光，聚 光度低，光、热损耗较多，造价中等。

中国专利CN101098113提到一种平面网架二维跟踪太阳的光伏发电装置，其方法 是多个光伏发电器一同装在倾斜面摇动支架的平面网架上，用驱动平面转动支架和垂直 面转动支架的方法跟踪太阳，这种方法体积庞大，抗风压能力差，造价很高中国专利CN101504199提出了一种用一套控制和驱动系统驱动一个由多个太阳 能接收器或反射镜组成的阵列的方案，但说明书中只提出了这种功能设想，实际方案无法 实现其功能设想，如其在图1中提出了一个基本的驱动原理图实际上是不可能实现其功能 设想的，因为按其图1根本不可能实现有效的转动，连一个方向的有效转动也不可能，在其 后提出的方案中没有标明整个阵列如何与地面连结，其如何有效驱动无法看出来，另外在 其后的方案中提出用螺杆连杆机构驱动，这样会造成靠近螺杆机构的接收器(或反光板) 与远离螺杆机构的接收器或反光板的转动角度不一样，且差距很大，无法有效接收或聚光中国专利200810007285. 6 (申请号)和中国专利200810182738. 9 (申请号)，两者 都提出了一种用一套控制和驱动系统驱动一个由多个太阳能接收器或反射镜组成的阵列 的方案，其中提出了多种方案，这些方案中有如下严重问题，无法有效实现其提出的功能一是方案中的多套方案都没有标明整个阵列如何与地面连结，以及行列如何互 动，不知其如何有效驱动；二是方案中提出用螺杆连杆机构驱动，这样会造成靠近螺杆机构的接收器或反射镜与远离螺杆机构的接收器或反射镜的转动角度不一样，且差距很大，无法有效接收或聚 光；三是行驱动对列驱动相互间造成影响，其实际聚光效果不仅不是空间中的点聚 光，就连线聚光都谈不上，而是一个很大的平面，原因是，行列相互影响，每块反射镜的上、 下、左、右、前、后方向均有很大差异，每一行和每一列的连杆实际运行后都不在一个平面 上，行、列连杆互相扭曲，既不能跟踪太阳，更不可能将太阳光聚焦到空间某点状区域；四是专利说明书中没有说明行驱动和列驱动放在什么位置，按说明书的叙述理解 应该两者放在一起或相互间很近距离，或至少在同一方向或同一边沿上，这样会造成阵列 的驱动不对称，特别在有风压时和大的偏转角时，由于装置的自重等会引起装置的非对称 扭转，造成各聚光反射镜的方向混乱；五是其中之一方案提到用连杆控制行(或列)跟踪，扭动控制列(或行)跟踪，方 案中仅用功能性语言描述了要达到的目的，而没有具体的实施方案和结构，即便如此，这一 方案的功能实际上跟早已申请的美国专利US6302099几乎一样，其缺点如下述美国专利一 样，不再叙述；六是上述专利中提到用角平分线方法补偿达不到真正跟踪聚焦的目的；七是没有考虑温度和应力伸缩的影响，实际上对一个大的阵列来说，温度和应力 引起的装置的尺寸的伸长和缩短影响非常大，会产生较大的跟踪精度偏差；美国专利US6058930提出一种用一个扭转管支撑一排呈水平的矩形的太阳接收 面板，扭转管被安放在固定于地面的支柱上，用扭转管的转动使太阳接收面板正对太阳，用 连杆机构连接多排这样的扭转管。

这种方法的缺点是一是只能用于一维驱动，二是风压和 接收器自重引起扭转力矩使扭转管发生变形，从而影响接收面板的接收角度，三是连杆机 构在本身长度较长的情况下会由于环境温度的变化而使得长度发生较大变化，从而使得其 驱动扭转管产生较大的角度误差，四是这种方法不能够将太阳光聚焦到一个接收器上美国专利US6302099提出了 一种用一可转动的脊柱支撑在一固定在地面的支柱 上，在脊柱上再安放一垂直的旋转轴，在垂直旋转轴上安放太阳收集器，可转动的脊柱和垂 直的旋转轴分别由滑轮和缆线连接到一驱动装置上用以提供南北、东西方向的对太阳的角 度跟踪，若干个这样的机构组成一个阵列，用一个控制系统和两个驱动系统驱动多个太阳 接收器这种方法有三个很大的缺点一是这种驱动方式由于太阳接收器的自重及有风时 会造成连接太阳接收器的杆(或棒)产生扭转，多个太阳接收器共同作用于脊柱，使脊柱发 生扭转，当太阳接收器数量较多时，脊柱会发生较大的扭转角，且每个太阳接收器附近的脊 柱的扭转角不一样，从而使各接收器的接收方向发生改变，不能正常接收太阳光，二是由于 环境温度是变化的，温度变化使传动缆线的长度发生变化，从而使得各接收器的传动角度 不一致，而产生系统误差，三是当太阳接收器面积较大，重量较重时，传动缆线与滑轮之间 的摩擦力不足以驱动滑轮运动，很容易发生滑动，从而使得各接收器的传动角度发生混乱， 四是由于自重及风压造成的缆线的拉应力伸长，从而使传动角度发生偏差。

发明内容本发明的目的是为克服现有技术中的对太阳光跟踪精度差、各接收器跟踪精度 不一致、误差很大、框架阵列装置在风压、自重及温度等影响下易变形、不能有效跟踪太阳，5加工误差，安装精度等累积误差较大，造价高等缺点，提供一种结构简洁、造价便宜、具有良 好环境适应能力，即能克服风压、温差、重力及加工误差、安装精度等影响，使框架阵列中各 太阳光接收装置均有较高跟踪精度的大型的跟踪太阳的框架阵列机构，用于中、大型及超 大型的太阳能利用系统，包括分散应用和集中应用系统为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种跟踪太阳的机构，包括太阳光跟 踪接收模块阵列及其支撑框架、驱动模块阵列对准太阳的方位角和高度角的驱动机构、控 制方位角和高度角驱动机构的跟踪控制电路、向跟踪控制电路传送信号的太阳光方位角和 高度角传感器；其技术特征是其中N根杆平行排列成一行，相互间隔某一距离，这一距离 可以都是等距离，也可以不是等距离，这一行杆可以位于一个平面内，也可以不在一个平面 内，但是为了结构简便，间隔距离最好做成等距离，N根杆也最好位于一个平面内，杆的两 端头至少一个端头或靠近端头处用杆或其他形式相互连结；另有M根杆也相互间隔某一距 离平行排列成一列，与上述的一行杆一样，为了结构简便，这一列杆最好是等间距及最好位 于一个平面内，杆的两端头中至少一个端头或靠近端头处用杆或其他形式相互连结；上述 N和M都为整数，上述的杆包括管、棒、角钢、工字钢、槽钢等各种形状的类似杆状的结构，包 括各种材料做成的；排成一行的N根杆至少一个端头或靠近端头处相互连结成为一个整体 再通过一轴或类似轴的结构连结到驱动机构上；排成一列的M根杆也至少一个端头或靠近 端头处相互连结成为一个整体再通过一轴或类似轴的东西连结到另一边的驱动机构上；上 述的端头是指同一端的端头。

可用若干根加强筋连结上述轴和框架阵列排成一行的N根杆和另一列的M根杆成某一角度上、下放置或交叉放置、或放置于 同一平面并分别通过铰链连结到若干根立柱上，比如NXM根立柱上，或两排杆分别两两相 互铰链后，其中之一排杆再分别与若干根立柱，比如NXM根立柱铰链；上述N根杆和M根 杆也可不直接与立柱铰链，可将N根杆和M根杆两两分别相互铰链后，N根杆或M根杆再与 位于立柱上端或中间处的太阳光接收装置通过某种方式铰链，比如将N根杆或M根杆直接 与太阳接收装置的边沿上某点铰链、或与固定连接在太阳接收装置上的摇杆铰链、或者将N 根杆与太阳接收装置铰链，而M根杆与固定连接在太阳接收装置上的摇杆铰链，或者反之， 或用其他铰链方式立柱由一段或二段或三段或四段构成，所有立柱可以做成完全一样的，也可以做 成不完全一样，但至少一部分立柱须满足如下条件至少由两段构成、中间某处有一个可 在某一立体角内转动的万向节、或中间某两处分别有可绕某一转动轴转向的转向支架、或 中间某两处分别有两个不同方向的轴承和转轴、或中间某两处分别有不同转动方向的圆柱 副、或其他能使立柱绕两个方向的转轴转动的结构件，这部分的立柱下端固定在可在某些 方向自由伸展的基架上或地面上或其他构件上，这部分立柱的下端也可不固定，而改由上 端铰链悬挂在由纵向和横向若干根杆成某个角度放置并相互连结组成的支架上，此支架由 若干根固定在地面上或基架或其他构件上的支撑柱支撑，剩下的另一部分立柱可做成任意 形状和长度，但它们的下端悬空，上端也不与其他支架铰链悬挂，即也处于悬空状态。

立柱上端或中间某位置安装太阳光接收装置如光伏电池组件或热能接收器或反 射镜、反射镜与透镜的组合装置或其他太阳光接收装置等，行杆和列杆及立柱等一起构成 支撑框架阵列，框架阵列可以为三、四、五等多边形或其他形状驱动器分别位于支撑框架阵列的相邻两边(对支撑框架阵列为三角形或四边形6或类似形状)，或其他非对称的两边(对其他形状的支撑框架阵列)，单个驱动器的驱动轴 线或多个驱动器的驱动合力线处于框架阵列的对称或基本对称位置，以免发生不对称驱动 问题上述两边的驱动器分别通过一根或若干根杆或类似杆的结构与行、列框架阵列直 接连结或直接铰链，或通过摇杆铰链、或与太阳接收装置直接铰链或通过摇杆铰链，或将N 行和M列杆直接作为推拉杆而不用另外的杆，用以驱动支撑框架阵列；上述用若干根推拉 杆的目的是为了使框架阵列受力更均勻，减少结构形变，当用若干根推拉杆时，可用一能承 受大的力量而不发生变形的较宽、较厚的扁状杆将若干根推拉杆连接起来，用一个或若干 个驱动器驱动上述两边的驱动器中至少有一边的驱动器安装在一维转向支架上或圆柱副上或 弧形滑槽内或其他可使驱动器做一维转动的构件上，上述的一维转向支架或圆柱副或弧形 滑槽或其他等构件安装在地面上或安装在固定于地面的其他构件上，至少有一边的驱动器 驱动支撑框架运动的同时带动另一边的驱动器运动，并与立柱转动相同或相近的角度，这 样可使行、列两个方向的运动协调行动，不会产生角度扭曲问题。

上述两边的驱动器最好分别只用一个，这样可简化结构及减少成本一边的驱动器驱动排成一排的N根杆绕某一轴转动，另一个驱动器驱动排成一排 的M根杆绕另一轴转动，这两个轴的夹角可以为任意一个角度，但最好是夹角为90°，即两 个轴相互垂直，杆的运动使立柱发生角度变化，从而使位于立柱上端或中间某处的太阳光 接收装置的接收角度发生变化，太阳光在任何位置都可以用太阳的高度角和方位角来描述 定位，而高度角和方位角可分别分解投影到上述的两个轴上，比如说相互垂直的位于经、纬 度方向的轴上，这样即可跟踪太阳光的角度变化上述框架阵列中的立柱与N和M根杆的铰链有多种方式，N根杆和M根杆相互间 的铰链也有多种方式，在后面的实施例中将分别给出几种方式上述驱动器可由光电控制器控制，即根据太阳光入射角不同而输出不同的控制指 令，从而控制驱动机构的运动，也可用时钟方法控制，或者用其他方法控制，或者几种方法 同时使用；上述驱动器可以是任何一种驱动机构，如涡轮涡杆式、齿轮连杆式、齿轮链条式、 飞轮连杆式、液压式、电机减速机构式等等本发明的太阳角度跟踪方式是首先确定立柱和太阳接收装置的初始位置，使太 阳接收装置正对着太阳或者根据。