CN100340822C - 单驱动太阳跟踪*** - Google Patents

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Abstract

一种单驱动太阳跟踪***，包括定支架、自转角跟踪机构、仰角调整机构和时差调整机构。本发明利用单驱动实现太阳的自转角跟踪、时差调整和仰角跟踪，减化了结构；采用标准的传动系装置进行大传动比的减速，实现驱动功率微小化，提高了工作可靠性，降低了能源消耗；采用时差模块环实现时差调整，降低了制作难度，节省了材料，也提高了工作可靠性。另外，相对独立的仰角跟踪机构可与主***分离，且不影响自转角跟踪机构和时差调整机构的工作，并可以视情况还可分离时差调整机构，故可根据不同的需要进行不同的组合，提高了适用性。

Description

单驱动太阳跟踪***
发明领域
本发明涉及一种主要用于太阳能利用装置中的单驱动太阳跟踪***。
背景技术
专利公开号CN1338600A的《太阳跟踪方法及装置》中提出的太阳跟踪方法广泛适用于太阳跟踪，提出的太阳跟踪装置因采用两套伺服电机驱动和采用不等齿距齿轮实现太阳的二维跟踪，制造工艺非常复杂，仅适用要求非常精确二维跟踪，其时差调整槽的设计在用于较大的***时的受力集中较高，需要加大齿轮直径或选用较好的材料，并且，太阳能实际应用中有部分应用只需要一维跟踪，将时差调整槽与仰角跟踪结合在一起不利于需要一维跟踪的场合，这些都相对提高了造价和加工难度；在已有的二维太阳跟踪装置或***中，一般也是两套控制与驱动单元，分别跟踪太时的自转角(时角)和仰角(赤纬角)，并且互不关联，跟踪方式主要依赖传感器或信号采集器，缺点是受限于太阳16分视角宽度和传感器或信号采集器的工作精度及对环境稳定性，跟踪精度比较低，***可靠性差，控制复杂、造价高等。
发明内容
本发明的目的就是提供一种单驱动太阳跟踪***，以简化传动结构，降低制造难度，提高传动结构和***控制器的工作可靠性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：包括定支架、工作面、自转角跟踪机构和时差调整机构；所述的自转角跟踪机构包括主工作轴、减速机构、伺服电机和***控制器，***控制器的输出端连接伺服电机，伺服电机输出轴与减速机构的输入端同轴连接，减速机构的输出端与主工作轴同轴连接，主工作轴转动支承在定支架上并与地轴平行，工作面固定在所述的主工作轴上；自转角跟踪机构一个工作循环为平太阳时的24小时转动1周，连续驱动主工作轴随动于太阳日视运动时角变化；所述的自转角跟踪机构的一个循环所用步数的每步步时长为一个平太阳日除以所用步数，调整主工作轴间歇、匀速地随动于太阳日视运动时角变动；所述的时差调整机构包括螺杆、时差调整模块环、时差调整杆和时差传动副，时差调整模块环由多个时差调整模块活动连接而成，每一时差调整模块的外侧面有沿时差调整模块环面并与所述螺杆啮合的圆弧螺纹槽；在所述时差调整模块环的内环侧面有沿环面的时差调整槽，每块时差调整模块上的时差调整槽对应该模块调整时间区间的平太阳时与真太阳时的时差在太阳跟踪***中所反映的时角弧长曲线，各时差调整模块的时差调整槽是连续、闭合和不重复的，整个时差调整槽对应一回归年的平太阳时与真太阳时时差在太阳跟踪***中所反映的时角弧长曲线；所述的时差调整杆固定在定支架上，其外端垂直***所述的时差调整槽内；所述的时差传动副由相互啮合的主动锥齿轮和从动锥齿轮组成，主动维齿轮与所述的主工作轴同轴连接，从动锥齿轮与所述的螺杆同轴连接；该时差调整机构一个工作循环为1回归年，螺杆驱动时差调整模块环转动1周，连续调整1回归年的平太阳时与真太阳时的时差；所述的自转角跟踪机构的***控制器、伺服电机、减速机构和时差调整机构的螺杆、时差调整模块环、时差传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮均转动支承于动支架上，动支架绕主工作轴微动，所述的螺杆轴向为主工作轴的径向。
所述的减速机构由2Z-X型少齿差齿轮传动系或谐波齿轮传动系构成。
所述的减速机构也可由2Z-XI少齿差齿轮传动系或谐波齿轮传动系与相互啮合的蜗轮蜗杆机构组成。
减速机构的传动比大于等于480。
所述的伺服电机和***控制器构成一个完整的运动控制环，***控制器在每个固定步时长的固定时间位控制伺服电机转动固定的角度。
所述的时差调整模块环螺纹槽的螺纹牙总数为487与所述螺杆螺纹线数的乘积；所述的时差传动副由相互啮合的主动锥齿轮和从动锥齿轮组成，主动锥齿轮与主工作轴同轴连接，从动锥齿轮与螺杆同轴连接，主、从动锥齿轮之间的传动比为0.75，螺杆与调整环之间的传动比为487，总传动比为365.25。
所述的时差调整模块环的相对的两侧面各有沿环面并与所述螺杆啮合的圆弧螺纹槽，螺杆对称设置两根。
还包括仰角调整机构，它包括副工作轴、少齿差传动系、定偏心轴、一端有跨隙滑块的调整杆、非直槽轨，副工作轴与主工作轴垂直铰链，所述的工作面与副工作轴固定在一起，在工作面沿长向中间有与主工作轴对应并略宽于主工作轴的间隙；少齿差传动系的一个内齿轮与所述的主工作轴固连，双联行星齿轮设置在定偏心轴上，输出内齿轮的外缘连接调整杆的一端，调整杆的另一端有跨隙滑块位于非直槽轨内，非直槽轨分为两部分分别与工作面的一端铰连；所述的定偏心轴固定在定支架上，与主工作轴同轴；所述的少齿差传动系的传动比约等于365；仰角调整机构中的少齿差减速机构一年时间转一周，通过调整杆、非直槽轨和工作面之间的机械配合，驱动工作面一年在正负23°27′的范围内循环调整一次，调整工作面随动于太阳的赤纬角变化。
所述的少齿差传动系为2Z-XI型少齿差齿轮传动，齿数如下：Z1＝62、Z2＝64、Z3＝57、Z4＝59或Z1＝57、Z2＝59、Z3＝62、Z4＝64，实现传动比为365.80或-364.80。
所述的工作面一端的非直槽轨的两外端同向向上或下倾斜，其系数K最大为0.033-0.034，从非直槽轨的中间点起到非直槽轨的两端系数K的值从0至0.033-0.034之间连续变化，变化规律为近似正弦变化，K值为地球在黄道上每日实测转过的角度与标准圆周运动计算角度之间的累计差与圆周360°角度的比值，经过计算后按正弦规律连续设置成非直槽轨的轨迹，构成非直槽轨的精确轨槽，每个偏移点与直中线的距离计算公式为：K×轨槽中点至副工作轴的径长。
本发明利用单驱动实现太阳的自转角跟踪、时差调整和仰角跟踪，减化了结构；采用标准的传动系装置进行大传动比的减速，实现驱动功率微小化，提高了工作可靠性，降低了能源消耗；采用时差模块环实现时差调整，降低了制作难度，节省了材料，也提高了工作可靠性。另外，相对独立的仰角跟踪机构可与主***分离，且不影响自转角跟踪机构和时差调整机构的工作，并可以视情况还可分离时差调整机构，故可根据不同的需要进行不同的组合，提高了适用性。
附图说明
图1是本发明的整体构成示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是本发明的工作主轴、副轴及工作面的结构示意图，其中a图是图b的c-c剖视图，b图a图的俯视图，c图a图的右视图。
图4是本发明的时差调整机构中的时差调整模块环与螺杆的结构示意图。
图5是图4的B-B剖视图。
图6是图4所示的模块环展开后其内侧的结构示意图。
图7是回归年平太阳时与真太阳时的时差曲线图。
具体实施方式
参见图1-图7，包括定支架17、工作面12、自转角跟踪机构、时差调整机构和仰角调整机构。所述的自转角跟踪机构包括主工作轴11、减速机构2、伺服电机4和***控制器3，***控制器3的输出端连接伺服电机4，伺服电机4输出轴与减速机构2的输入端同轴连接，减速机构2的输出端与主工作轴11同轴连接，主工作轴11转动支承在定支架17上并与地轴平行，自转角跟踪机构一个工作循环为平太阳时的24小时转动1周，连续驱动主工作轴11随动于太阳日视运动时角变化。工作面12通过仰角调整机构与主工作轴11连接。
所述的时差调整机构由螺杆19、时差调整模块环9、时差调整杆20和时差传动副构成，所述的时差传动副由相互啮合的主动锥齿轮7和从动锥齿轮8组成，主动维齿轮7与主工作轴11同轴连接，从动锥齿轮8与螺杆19同轴连接，主、从动锥齿轮之间的传动比为0.75，螺杆19与调整模块环9之间的传动比为487，时差调整模块环9由多个时差调整模块91活动连接而成，每一时差调整模块91的外侧面有沿时差调整模块环面并与所述螺杆19啮合的圆弧螺纹槽92，该螺纹槽的螺纹牙总数为487与所述螺杆19螺纹线数的乘积。模块环9置于一个环形的导槽93内，当螺杆19转动时带动模块91沿着导槽93循环移动。(参见图4、5)。
在所述时差调整模块环9的内环侧面有沿环面的时差调整槽94，每块时差调整模块91上的时差调整槽94对应该模块调整时间区间的平太阳时与真太阳时的时差在太阳跟踪***中所反映的时角弧长曲线，各时差调整模块的时差调整槽94是连续、闭合和不重复的，整个时差调整槽94对应一回归年的平太阳时与真太阳时时差在太阳跟踪***中所反映的时角弧长曲线。(参见图6、7)。
在所述的时差调整杆20固定在定支架上17，其外端经两个直角弯垂直***所述的时差调整槽94内，时差调整机构一个工作循环约为1回归年，螺杆驱动时差调整模块环转动1周，连续调整1回归年的平太阳时与真太阳时的时差。
所述的自转角跟踪机构的***控制器3、伺服电机4、减速机构2和时差调整机构的螺杆19、时差调整模块环9、时差传动副的主动锥齿轮7和从动锥齿轮8均转动支承于一个动支架1上，动支架1绕主工作轴11微动，所述的螺杆19轴向为主工作轴11的径向，主工作轴11与时差调整环9之间的传动比为365.25。
所述的减速机构2由2Z-XI型少齿差齿轮传动系21和蜗轮22蜗杆23机构组成，少齿差传动系21的输出端与蜗杆23连接，蜗轮22与主工作轴11连接。少齿差传动系21也可采用谐波齿轮传动系，减速机构的传动比大于等于480。
所述的自转角跟踪机构的一个循环所用步数的每步步时长为一个平太阳日除以所用步数，调整主工作轴11间歇、匀速地随动于太阳日视运动时角变动。
所述的伺服电机4和***控制器3构成一个完整的运动控制环，***控制器3在每个固定步时长的固定时间位控制驱动伺服电机4转动固定的角度。
所述的时差调整模块环9的相对的两侧面各有与所述螺杆19啮合的圆弧螺纹槽92，螺杆19对称设置两根。
所述的仰角调整机构包括副工作轴18、少齿差传动系16、定偏心轴161、调整杆15及调整杆15端的跨隙滑块14、非直槽轨13，副工作轴18与工作面12连接，副工作18与工作面12的整体转动连接在主工作轴11上，在工作面12的沿长向中间有与主工作轴11对应并略宽于主工作轴的间隙；少齿差传动系16一个内齿轮162与所述的主工作轴11固连，双联行星齿轮164设置在与定支架17固定相连的定偏心轴161上，输出内齿轮163的外缘连接调整杆15的一端，调整杆15的另一端有跨隙滑块14位于非直槽轨13内，非直槽轨13分为两部分分别与工作面12的一端铰连。仰角调整机构中的少齿差减速机构16一年时间转一周，通过调整杆15、非直槽轨13和工作面12之间的机械配合，使工作面一年的调整范围在正负23°27′之间。(参见图1)。
所述的少齿差传动系16少齿差传动系为2Z-X I型少齿差齿轮传动，齿数如下：Z1＝62、Z2＝64、Z3＝57、Z4＝59或Z1＝57、Z2＝59、Z3＝62、Z4＝64，实现传动比为365.80或-364.80；也可为单级少齿差传动，实现传动比365。
所述的工作面12一端的非直槽轨13的两外端同向向上或下倾斜，其系数K最大为0.033-0.034，从非直槽轨13的中间点起到非直槽轨13的两端系数K的值从0至0.033-0.034之间连续变化，变化规律为近似正弦变化，K值为地球在黄道上每日实测转过的角度与标准圆周运动计算角度之间的累计差与圆周360°角度的比值，经过计算后按正弦规律连续设置成非直槽轨13的轨迹，构成非直槽轨13的精确轨槽，每个偏移点与直中线131的距离计算公式为：K×轨槽中点至副工作轴的径长。(参见图三c)。
本发明还可通过传动副与多套太阳能工作面连接，并可安装任何倾角的面上。
本发明还可以只将仰角调整机构去掉，保留时差调整功能，工作面12直接固定在主工作轴11上，可以自动调整工作面12，跟踪太阳的视运动使其实现精度高的一维跟踪。
本发明可以将仰角和时差调整机构去掉构成最简单的太阳跟踪装置，工作面12直接固定在工作主轴11上，可用于不需要精确跟踪的场合。
本发明的工作原理如下：
******控制器3控制伺服伺服电机4转动，伺服伺服电机驱动2Z-X少齿差减速器2，经减速器变大扭距。后输出到蜗杆6，蜗杆6带动蜗轮5，进一步更大的减速和变大扭矩然后驱动与蜗轮5相连的主工作轴11，主工作轴11带动副工作轴18转动太阳能工作面12，跟踪太阳。***控制器3控制伺服伺服电机4运行速度反映在主工作轴11上的速度与地球自转速度在单位时间内相等或相近。
蜗轮5上同轴设置锥齿轮7与蜗轮5一起转动，锥齿轮7带动锥齿轮8，锥齿轮8带动螺杆19，螺杆驱动时差间整模块环9在模块导槽93内移动，定支架17上的调整杆20是固定连接的，时差调整模块环9上的调整槽94是弯曲的，相互运动使动支架1产生以主工作轴11为轴的摆动，这个摆动与其太阳时和平太阳时的时差同步，调整了时差，使太阳跟踪不因时差而产生跟踪误差。时差调整一年一个循环。
主工作轴11转动，与定支架17固定相连的仰角调整机构中的少齿差传动系16的偏心轴21不动，与工作轴11固定相连的仰角调整机构中的行星齿轮随动干主工作轴11，双联行星齿轮164作行星运动，通过输出内齿轮163的调整杆15驱动了工作面12的仰角。
仰角调整机构中的少齿差减速机构16，一年时间转一周，通过机械配合驱动太阳能工作面12一年在正负23°27′的范围内循环一次，调整太阳工作面12随动于太阳的赤纬角变化，使太阳跟踪不同赤纬角变动而产生跟踪误差，对于微小的仰角跟踪误差，可以视要求进行必要的手动调整。

Claims (9)

1、一种单驱动太阳跟踪***，其特征在于：包括定支架、工作面、自转角跟踪机构和时差调整机构；所述的自转角跟踪机构包括主工作轴、减速机构、伺服电机和***控制器，***控制器的输出端连接伺服电机，伺服电机输出轴与减速机构的输入端同轴连接，减速机构的输出端与主工作轴同轴连接，主工作轴转动支承在定支架上并与地轴平行，工作面固定在所述的主工作轴上；自转角跟踪机构一个工作循环为平太阳时的24小时转动1周，连续驱动主工作轴随动于太阳日视运动时角变化；所述的自转角跟踪机构的一个循环所用步数的每步步时长为一个平太阳日除以所用步数，调整主工作轴间歇、匀速地随动于太阳日视运动时角变动；所述的时差调整机构包括螺杆、时差调整模块环、时差调整杆和时差传动副，时差调整模块环由多个时差调整模块活动连接而成，每一时差调整模块的外侧面有沿时差调整模块环面并与所述螺杆啮合的圆弧螺纹槽；在所述时差调整模块环的内环侧面有沿环面的时差调整槽，每块时差调整模块上的时差调整槽对应该模块调整时间区间的平太阳时与真太阳时的时差在太阳跟踪***中所反映的时角弧长曲线，各时差调整模块的时差调整槽是连续、闭合和不重复的，整个时差调整槽对应一回归年的平太阳时与真太阳时时差在太阳跟踪***中所反映的时角弧长曲线；所述的时差调整杆固定在定支架上，其外端垂直***所述的时差调整槽内；所述的时差传动副由相互啮合的主动锥齿轮和从动锥齿轮组成，主动锥齿轮与所述的主工作轴同轴连接，从动锥齿轮与所述的螺杆同轴连接；该时差调整机构一个工作循环为1回归年，螺杆驱动时差调整模块环转动1周，连续调整1回归年的平太阳时与真太阳时的时差；所述的自转角跟踪机构的***控制器、伺服电机、减速机构和时差调整机构的螺杆、时差调整模块环、时差传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮均转动支承于动支架上，动支架绕主工作轴微动，所述的螺杆轴向为主工作轴的径向。
2、根据权利要求1所述的单驱动太阳跟踪***，其特征在于：所述的减速机构由2Z-X型少齿差齿轮传动系或谐波齿轮传动系构成，减速机构的传动比大于等于480。
3、根据权利要求1所述的单驱动太阳跟踪***，其特征在于：所述的减速机构由2Z-XI少齿差齿轮传动系或谐波齿轮传动系与相互啮合的蜗轮蜗杆机构组成，减速机构的传动比大于等于480。
4、根据权利要求1所述的单驱动太阳跟踪***，其特征在于：所述的伺服电机和***控制器构成一个完整的运动控制环，***控制器在每个固定步时长的固定时间位控制伺服电机转动固定的角度。
5、根据权利要求1所述的单驱动太阳跟踪***，其特征在于：所述的时差调整模块环螺纹槽的螺纹牙总数为487与所述螺杆螺纹线数的乘积；所说的主、从动锥齿轮之间的传动比为0.75，螺杆与调整环之间的传动比为487，总传动比为365.25。
6、根据权利要求1或5所述的单驱动太阳跟踪***，其特征在于：所述的时差调整模块环的相对的两侧面各有沿环面并与所述螺杆啮合的圆弧螺纹槽，螺杆对称设置两根。
7、一种单驱动太阳跟踪***，其特征在于：包括定支架、工作面、自转角跟踪机构和时差调整机构；所述的自转角跟踪机构包括主工作轴、减速机构、伺服电机和***控制器，***控制器的输出端连接伺服电机，伺服电机输出轴与减速机构的输入端同轴连接，减速机构的输出端与主工作轴同轴连接，主工作轴转动支承在定支架上并与地轴平行；自转角跟踪机构一个工作循环为平太阳时的24小时转动1周，连续驱动主工作轴随动于太阳日视运动时角变化；所述的自转角跟踪机构的一个循环所用步数的每步步时长为一个平太阳日除以所用步数，调整主工作轴间歇、匀速地随动于太阳日视运动时角变动；所述的时差调整机构包括螺杆、时差调整模块环、时差调整杆和时差传动副，时差调整模块环由多个时差调整模块活动连接而成，每一时差调整模块的外侧面有沿时差调整模块环面并与所述螺杆啮合的圆弧螺纹槽；在所述时差调整模块环的内环侧面有沿环面的时差调整槽，每块时差调整模块上的时差调整槽对应该模块调整时间区间的平太阳时与真太阳时的时差在太阳跟踪***中所反映的时角弧长曲线，各时差调整模块的时差调整槽是连续、闭合和不重复的，整个时差调整槽对应一回归年的平太阳时与真太阳时时差在太阳跟踪***中所反映的时角弧长曲线；所述的时差调整杆固定在定支架上，其外端垂直***所述的时差调整槽内；所述的时差传动副由相互啮合的主动锥齿轮和从动锥齿轮组成，主动锥齿轮与所述的主工作轴同轴连接，从动锥齿轮与所述的螺杆同轴连接；该时差调整机构一个工作循环为1回归年，螺杆驱动时差调整模块环转动1周，连续调整1回归年的平太阳时与真太阳时的时差；所述的自转角跟踪机构的***控制器、伺服电机、减速机构和时差调整机构的螺杆、时差调整模块环、时差传动副的主动锥齿轮和从动锥齿轮均转动支承于动支架上，动支架绕主工作轴微动，所述的螺杆轴向为主工作轴的径向；
还包括仰角调整机构，它包括副工作轴、少齿差传动系、定偏心轴、一端有跨隙滑块的调整杆、非直槽轨，副工作轴与主工作轴垂直铰链，所述的工作面与副工作轴固定在一起，在该工作面沿长向中间有与主工作轴对应并略宽于主工作轴的间隙；少齿差传动系的一个内齿轮与所述的主工作轴固连，双联行星齿轮设置在定偏心轴上，输出内齿轮的外缘连接调整杆的一端，调整杆的另一端有跨隙滑块位于非直槽轨内，非直槽轨分为两部分分别与工作面的一端铰连；所述的定偏心轴固定在定支架上，与主工作轴同轴；所述的少齿差传动系的传动比约等于365；仰角调整机构中的少齿差减速机构一年时间转一周，通过调整杆、非直槽轨和工作面之间的机械配合，驱动工作面一年在正负23°27′的范围内循环调整一次，调整工作面随动于太阳的赤纬角变化。
8、根据权利要求7所述的单驱动太阳跟踪***，其特征在于：所述的少齿差传动系为2Z-XI型少齿差齿轮传动，齿数如下：Z1＝62、Z2＝64、Z3＝57、Z4＝59或Z1＝57、Z2＝59、Z3＝62、Z4＝64，实现传动比为365.80或-364.80。
9、根据权利要求7所述的单驱动太阳跟踪***，其特征在于：所述的工作面一端的非直槽轨的两外端同向向上或下倾斜，其系数K最大为0.033-0.034，从非直槽轨的中间点起到非直槽轨的两端系数K的值从0至0.033-0.034之间连续变化，变化规律为近似正弦变化，K值为地球在黄道上每日实测转过的角度与标准圆周运动计算角度之间的累计差与圆周360°角度的比值，经过计算后按正弦规律连续设置成非直槽轨的轨迹，构成非直槽轨的精确轨槽，每个偏移点与直中线的距离计算公式为：K×轨槽中点至副工作轴的径长。
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