CN100554818C - 太阳智能跟踪装置 - Google Patents

Abstract

太阳智能跟踪装置，属太阳能利用领域。太阳能是万能之源，万能之首，万能之最环保者，万能之最廉价者。在能源、环保问题凸显的今日，如何使各种太阳能转换设备——太阳能灶、热水器、电池板等实现廉价可靠的智能跟踪，竭力提高转换效益，直至目前，尚没有过性价比可以接受的普遍适用的智能跟踪系统问世。耳闻目睹的，多以电脑控制，仅用于科学试验和科学研究和检测目的。本专利专为实现廉价智能而设计。它不用电脑及电子设备，它由首创的动、静传感器监测、反馈、跟踪太阳，它由光、机、电三部分组成平台或支撑架，其上可安置所有上述需要跟踪的太阳能转换设备。除地面外该系统尤其适用于无电源的水面、移动的车、船、空间飞行物上的太阳能转换设备。

Description

太阳智能跟踪装置

技术领域

太阳智能跟踪装置，属太阳能利用领域。为提高太阳能利用效率的智能跟踪的新技术。

背景技术

太阳能是万能之源，万能之首。目前，人类对太阳能的直接利用就是太阳能热水器、太阳能硅电池和太阳灶等。但转化率都不高，且性价比不能令人满意，所以普及度也都有限。在能源、环境问题凸显的今日，如何大规模地高效廉价转化利用太阳能成了能源利用的热点、焦点、难点。大规模利用太阳能的技术难点何在？一是对凹面焦点的控制(包括焦点空间位置的固定，已解决，可查看相关专利)；二是如何廉价高效的智能跟踪系统。在太阳能应用领域中，梦寐以求的是，如何满意地对光热光电转换器——(如太阳能电池板、太阳灶的凹面镜、凸透镜、产生蒸汽的锅炉等)暂称这为阳光机(以下同)进行廉价智能跟踪瞄准太阳，由于种种原因，至今却未能如愿。不是因性价比不合适，就是技术或工艺技术难以突破，因为太阳高度角因时因地而变！在实用上不可能用数学公式或函数来描述。现实中的跟踪，也仅限于试验，而且是用计算机控制，造价高昂；也有一些尘封着的专利档案。

发明内容

常识告诉我们，在太阳能利用中，如何实行廉价智能跟踪是一个很重要问题。因为高度角是影响太阳辐射最最重要的因素：从地理纬度位置上来看，因为太阳高度角的差异，导致地球表面分为热带、温带和寒带；从季节上来看，因为太阳高度角的变换，导致每年的春夏秋冬四季轮换；从时间上来看，还是因为太阳高度角的变化，导致每日早中晚温度的骆峰变化。跟踪可以使太阳高度角始终保持最大化(90°)；跟踪可以使接收太阳辐射的有效面积始终最大化；(使设计面积的长和宽投影后始终保持不变)；跟踪可以使接收太阳辐射的有效时段最大化(不跟随就只能在夏日睛朗的正午前后时分最好，错过中午，几乎错过全天！)——一句话，跟踪，全面提升了影响太阳能利用的最主要人为可控因素。本专利最主要的特点是廉价(不用电脑及电子设备)，可靠，用途广，可适用于一切太阳能利用装置——太阳能电池板，太阳能热水器，太阳能灶、透镜及它们各种形式的集成组合。可以实时跟随，也可随心所欲地按时段跟随，既可以全方位跟踪也可以单方向跟踪。既可固定于地面跟随，也可以在移动的物体如军车舰船上跟随，当然也可以在随机漂动的水库及洋面上跟随，更可以应用于空间，例如航天飞船和热气球的太阳能应用方面跟随。

本发明中的太阳智能跟踪装置包括静传感器、动传感器，静传感器由透明玻璃罩和装在透明玻璃罩内的第一光敏电阻构成，静传感器感知阳光的有无，其所控制的继电器为总开关控制全电路；动传感器包括两个不透明、平行近距离安置的半圆形薄片和第二光敏电阻，其中第二光敏电阻装在所述的两个半圆形薄片所构成的直径窄缝部分内，并且两个半圆形薄片的弧形窄缝部分用透明材料封装，直径窄缝部分用不透名材料封装；动传感器有两个，两个动传感器分别安置于正交的竖跟踪轴和横跟踪轴上；横跟踪轴安装于竖跟踪轴之上，竖跟踪轴在前先完成跟踪，横跟踪轴再在竖跟踪轴旋转的基础上旋转跟踪；各跟踪轴上安有可微调位置的控制旋转幅度和拐点的行程开关；竖跟踪轴和横跟踪轴上安置阳光机。

高度角的方位切面的跟踪除可选择竖轴(Z)外，亦可选择横轴；选择Z轴时，跟踪方向依次为东-南-西，(对北半球而言，对南半球而言则是东-北-西)，而选择横轴时，高度角的方位切面的跟踪方向则是东-天顶-西。而高度角跟踪则别无选择，只有横轴(X或Y轴)。

智能竖轴横轴组合形式的各种灵活变换：由竖轴带动园盘，园盘上置热水器、电池板，太阳灶等，类似旋转餐桌形状[图6](盘上置的热水器、电池板、太阳灶亦可在传感器的监视下仰俯跟踪)；由智能竖轴带动智能横轴[图7]，横轴上悬挂着可仰俯折热水器、电池板，太阳灶；专用于路灯的[图8]，专用于电池板的[图9]，集各种类型阳光机之大成的[图11]，专为智能横轴设计的机械传动装置[图10]。

本发明还包括复轴(轴内有轴，轴内有管；轴内有多管)的设计、使用。

下面，将结合附图对发明专利的技术方案进行详细的说明。

附图说明

图1是静传感器结构；

图2是动传感器结构；

图3是智能跟踪轴结构示意图；

图4是由三根智能跟踪轴图3组成的智能跟踪架机械旋转支撑系统；

图5是电路系统；

图6是单轴跟踪示意图；

图7由三根智能轴组成的全方位智能跟踪装置；

图8是太阳能电池路灯、庭院灯示意图；

图9是专为太阳能电池板设计的智能跟踪装置；

图10是用于智能横轴的曲轴连杆机构示意图；

图11是集图6图7之大成；

图12-图14是复轴设计示意图。

具体实施方式

本发明专利由特别设计的静传感器、动传感器和电路系统、机械系统组成。图1是静传感器结构：静传感器的结构是在一个透明的很小的半球形密封外壳1内安装一个光敏电阻2(其他光电元器件亦可如光电二极管)。在有阳光照射和无阳光照射时，阻值会发生很大变化，在电路中起到一个自动开关作用。静传感器只需一个。

图2是动传感器结构：在两个平行不透明密封小半园薄片1底部中间夹置一个光敏电阻2，呈园弧形狭缝3用透明材料封装，直线形狭缝用不透明材料封装。两簿片之间距离和半园簿片的半径根据跟踪精度或频率、跟踪特点确定。其计算原理，是根据地球自转角速度及公转特征。总之，簿片之间间隔愈近，半径愈大，跟踪精度愈高，跟踪频率也愈高。也可通过实验确定。其功能与静传感器相同，也是在感知阳光照射与否，通过其阻值变化起到开关作用，只是使用目的不同。前者是静的，前者是用来感知阳光的有无，控制的是动合常开型继电器，有光接通电路，无光(或光弱到一定程度)切断后续电路，安置于阳光机(需跟踪的设备如太阳能电池板，热水器，太阳灶等)旁，(或其上固定不动且不被遮光的地方)，作为阳光机的插接件之一。后者安装于跟踪旋转轴上，是动的，是在有光时跟踪瞄准太阳的，控制动断常闭型(或转换型)继电器，一旦瞄准太阳，感觉到光的照射当即切断(或转换)电机电路，无光即接通电机电路使其跟踪瞄准太阳。动传感器两个，分别安装于两个互相垂直的跟踪旋转轴上，或轴的延长部位或与轴平行并与该轴保持同步转动的某些附件上——只要不遮光且与该对应的旋转轴保持同步转动(同样的角速度旋转)即可。

即使是同样的两个动传感器，其瞄准跟踪特点也还不尽相同，一个是跟踪东西方向，特点明显，与地球自转角速度相同，幅度大，日转约180°，(可选择Z轴也可选择某一横轴)周期短(仅昼)；与它垂直的另一个瞄准天顶方向，大周期长(约一年)，幅度小，约47°，小周期为日，幅度为90°以内，且大小周期相互重叠嵌套。(再次强调，瞄准东西方向有两种选择，一种是绕竖轴Z转180°，另种是选Y轴或X轴转180°，请参考图4)，(说明：为突出说明重点，对图3中的动传感器的比例作了适当的放大甚至变形，另一方面，也仅是为配合说明书文字而画的示意图，非专业的各种视图，更非设计制作图。)

图3是智能跟踪轴结构示意图，部件1表示定轴，部件2表示动轴，部件3表示动传感器，部件4表示静传感器，部件5表示电机轴伸，部件6表示行程开关安装位置。

图3中定轴1上的定传感器4无光照时电阻很大，使其控制的继电器(图5中的J1)断开，全部后续电路中无电。反之，有光照时，开关闭合，接通后续电路。动轴2上的动传感器3在无光射进窄缝时(也就是没有瞄准太阳时)其控制的继电器就会接通电机5启动，直到瞄准太阳才停机。过一段时间，阳光又偏离了动传感器的窄缝，电机又重新启动跟踪，如此周而复始，……直至日落，明日复明日，……。动轴2与定轴1接合部的行程开关6则控制动轴转动幅度和拐点。幅度和拐点因地区纬度和季节而不同，可取当地极值设定。

图4是由三根智能跟踪轴图3组成的智能跟踪架机械旋转支撑系统，实用中由空间三轴任选二轴(任意组合，ZX，ZY，XY构成)。这两轴的选择又需考虑用户所处地理纬度和阳光机的本身特点。阳光机大体上分为两种，一种是有焦点的，如太阳灶，另一种是无焦点的，如太阳能电池板和太阳能热水器。这两种各有特点。不管有无焦点，跟踪时，只考虑其迎光面的方向即可。

图5是电路系统，由静传感器(控制J1继电器)、两个动传感器(控制J2、J3继电器)、行程开关(控制J4、J5继电器)，超小型超低速微电机(M1、M2)等组成，隐藏于旋转轴内的行程开关和它所控制的继电器控制电机的正反转和时序，从而间接控制热转换器的转动幅度和拐点。

图6-图11是智能跟踪的具体应用示例。图6是单轴跟踪示意图，餐桌式大园盘1附加在智能跟踪轴2上，大园盘上安置各种阳光机，阳光机根据需要亦可设计成可仰俯的。大园盘兼作传动变速轮轴，由电机3驱动。

图7由三根智能轴组成的全方位智能跟踪装置，一根竖轴1托着两根横轴2，可在两根横轴上安置各种各样的阳光机。

图8是太阳能电池路灯、庭院灯示意图，智能竖轴Z支撑着灯泡2和太阳能电池板1，电池板1可绕支架3的ab横轴(虚轴)智能跟踪。

图9是专为太阳能电池板设计的智能跟踪装置，竖轴Z上安置着横轴ab，ab横轴上安置于着太阳能电池板1。

图11是集图6图7之大成：(1是太阳能电池板，2是太阳能热水器，3是太阳能灶，4是竖轴驱动电机轴伸，5是动传感器，6是静传感器)。既有电池板1，又有热水器2，还有新式太阳灶3(固定焦点式的——可查看相关专利)。集水火电于一身，自我供电。以较小的面积(占地面积)获得了更大的接收太阳能辐射面积，使传统意义上的单位面积太阳能辐射含义得到了新的诠释。极大提高地提高了利用率。

图10是用于智能横轴的曲轴连杆机构示意图。ab是安置于阳光机(如电池板或热水器)质量中部的一根智能轴，但电机轴伸却移到④，以④驱动轮3，连杆2拖动阳光机智能跟踪(只作必须的小幅度的仰俯)。图10装置用于横轴上的阳光机智能跟踪。

图12图13图14是复轴设计示意图，作为智能转动轴(图3)的性能上的补充说明。为使图3简明，图中略去了这部分。因为实用上只有复轴才能使阳光机所用的电线，冷热水汽管方便，安全，可靠地设置。图12中，部件1是定轴，部件2是动轴，图13中部件1是动轴，部件2是定轴，图14是图12和图13的横截面示图，图中部件3表示轴内管线截面，部件1、2表示内外转轴截面。

另外，无论哪种阳光机，只要附带上电池板，都可以自己给自己提供跟踪的能源，特别适用于无电缺电地区。因为阳光机的智能跟踪装置用电量是相当小。

由于地球不停地自转，所以地球上的人们总是觉得太阳东升西落；由于地球又绕太阳公转，所以地球上的人们又感觉太阳冬夏季节向南北(或北南——地球南北半球冬夏季节相反之故)移动，所以完成跟踪，必须在相互垂直的东西和南北方向上先后完成跟踪瞄准太阳。由于自转与公转特点不同，加之相对应的动传感器安装部位不同，因而跟踪的幅度不同，方向不同，东西方向约180°/每日左右，天顶方向约47°/每年，90°/每日。跟踪规律也不同，东西有时是4°/分，(选X、Y轴跟踪时)有的也不是常数(选Z轴跟踪时)，而南北跟踪时则更不是常数。

又由于纬度的差异，赤道地区，中纬地区和高纬地区及极地阳光照射各有特点，跟踪旋转各有特点，因此跟踪时要因地而宜，以求最佳匹配。如极昼和移动的车船等竖轴转动幅度实际可接近360度。

由上述道理可知，在地面安装阳光机时，尽可能使旋转轴方向与被跟踪方向正交(垂直)(热水器除外，可按最佳需求安置)。

动传感器的调整：是手动旋转阳光机，让受光面瞄准太阳时调整固定动传感器，待其所控制的相关继电器动断即可。至于旋转幅度，拐点则因地因季而宜，微调相应的行程开关位置即可。静传感器不需调整。

静传感器，动传感器它们轻簿短小，安装位置灵活多变。阳光机多数情况下均为静止状态，即便运动也是瞬间脉动，整天累积最大也不过180°，累计运行时间更少，因此对旋转部位的轴承或非轴承要求都不高。转速特低使轴伸与被旋转轴的连接也简便，不用变速装置。整个电路采用低压交流直流均可。理论上讲两个动传感器串并联均可，但从实际效果上看，两组动传感器最好串联，以避免盲动。

特别值得提及的是这套廉价的自动跟踪系统可用于一切需要跟踪太阳的设备，如太阳能热水器，尤其适用于太阳能电池板和定焦点式太阳能灶。即使太阳能热水器、太阳能电池板、太阳能灶处于运动的车辆和船舶上，洋面上。

还可以间歇式跟踪，只要在动或静传感器的外形或数据上略作调整即可。

也可以单方向跟踪，比如只对东西方向进行跟踪，取掉或关闭另一传感器就行了。

更值得一提的是，即便智能跟踪系统没有或是坏了，机械系统照样可以手动跟踪，以解燃眉之急。

试运行描述：(以图3-智能跟踪轴说明)。晨，太阳从地平线上升起，静传感器首先感受到阳光并同时接通整个电路，给全系统供电。执行系统按照各自的功能和方向运转。若动传感器接收到阳光则它所控制的电机即刻停转。(无论正转是反转，互相有序交替进行)。片刻后，由于地球转动，使阳光离开动传感器的狭缝，于是它所控制的执行系统又开始跟踪动作，重新进行跟踪瞄准。……周而复始，直至日落西方地平线以下，无阳光照到静传感器，切断全部电路为止。第二天，又重新开始前一天内的循环。一天内，遇有偶尔无光(云、雨、雾、雪)，静、动传感器都会即时作出反应和调整，有光时即时恢复跟踪瞄准。

Claims (1)

1、一种太阳智能跟踪装置，包括静传感器、动传感器，其特征在于：静传感器由透明玻璃罩和装在透明玻璃罩内的第一光敏电阻构成，静传感器感知阳光的有无，其所控制的继电器为总开关控制全电路；动传感器包括两个不透明、平行近距离安置的半圆形薄片和第二光敏电阻，其中第二光敏电阻装在所述的两个半圆形薄片所构成的直径窄缝部分内，并且两个半圆形薄片的弧形窄缝部分用透明材料封装，直径窄缝部分用不透明材料封装；动传感器有两个，两个动传感器分别安置于正交的竖跟踪轴和横跟踪轴上：横跟踪轴安装于竖跟踪轴之上，竖跟踪轴在前先完成跟踪，横跟踪轴再在竖跟踪轴旋转的基础上旋转跟踪；各跟踪轴上安有可微调位置的控制旋转幅度和拐点的行程开关；竖跟踪轴和横跟踪轴上安置阳光机。

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