大型防风自动跟踪太阳采光装置

1.一种大型防风自动跟踪太阳采光装置，主要包括聚光模块阵列及其支 撑框架、驱动聚光模块阵列跟踪对准太阳的方位角和高度角驱动机构、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，其特征在于：所述聚光模块阵列通过至少二根南 北向的转轴铰支于支撑框架上，各列转轴相互平行；所述支撑框架上方通过 东西向的转轴铰支于至少二根固定立柱上，下方与高度角驱动机构通过运动 副衔接。
2.根据如权利要求1所述的大型防风自动跟踪太阳采光装置，其特征在 于：所述高度角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的电机和丝杆螺母机构构 成，所述电机铰支在固定架上，其输出轴通过减速器与所述丝杆螺母机构中 的丝杆连接，所述丝杆螺母机构中的螺母与套筒固连，所述套筒通过铰副与 支撑框架下方衔接。
3.根据如权利要求1所述的大型防风自动跟踪太阳采光装置，其特征在 于：所述高度角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的液压驱动机构构成，所 述液压驱动机构中的液压缸安装在固定架上，所述液压驱动机构中的活塞杆 端头通过移动副与支撑框架下方衔接。
4.根据如权利要求3所述的大型防风自动跟踪太阳采光装置，其特征在 于：所述移动副由安装在活塞杆端头支架上的支撑滚轮和压紧滚轮与支撑框 架下侧的导轨构成，所述支撑滚轮和压紧滚轮分别紧密贴合在所述导轨上下 两侧。
5.根据如权利要求2或3所述的大型防风自动跟踪太阳采光装置，其特 征在于：所述方位角驱动机构主要由至少二个跟踪控制电路控制的电机和减 速器构成，所述电机与支撑框架固连，其输出轴通过减速器分别与对应的每 一列聚光模块的转轴连接。
6.根据如权利要求2或3所述的大型防风自动跟踪太阳采光装置，其特 征在于：所述方位角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的电机和链轮同步传 动机构构成，所述电机与支撑框架固连，其输出轴通过减速器与所述链轮同 步传动机构中的主动链轮连接，所述主动链轮通过链条先后与安装在每列聚 光模块转轴上的各链轮衔接。
7.根据如权利要求2或3所述的大型防风自动跟踪太阳采光装置，其特 征在于：所述方位角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的电机和带轮同步传 动机构构成，所述电机与支撑框架固连，其输出轴通过减速器与所述带轮同 步传动机构中的主动带轮连接，所述主动带轮通过同步齿形带先后与安装在 每列聚光模块转轴上的各带轮衔接。
8.根据如权利要求2或3所述的大型防风自动跟踪太阳采光装置，其特 征在于：所述方位角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的电机和齿轮同步传 动机构构成，所述电机与支撑框架固连，其输出轴通过减速器与所述齿轮同 步传动机构中的主动齿轮连接，所述主动齿轮通过过渡齿轮先后与安装在每 列聚光模块转轴上的各齿轮衔接。
9.根据如权利要求2或3所述的大型防风自动跟踪太阳采光装置，其特 征在于：所述太阳光方位角传感器安装于支撑框架或聚光模块上，太阳光高 度角传感器安装于支撑框架上。

技术领域
本发明涉及一种自动跟踪太阳采光装置，特别是一种大型防风自动跟 踪太阳采光装置，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
进入二十一世纪，人类面临着“人口、资源、环境”对能源发展提出的 严峻挑战，迫于节约能源、保护环境的双重压力，无论是发达国家还是发展 中国家，都纷纷将开发利用可再生能源作为可持续发展的重要战略决策之 一。太阳能是一种绿色无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭，可以预 见太阳能在不远的未来将成为能源领域的主角。目前，各种太阳能利用技术 是世界上发展速度最快的技术之一。然而，由于太阳光的能量密度低，并且 太阳一直处于运动之中，给一些太阳能的利用(如聚光光伏发电和太阳能高 温利用等)造成了很多困难，因此太阳能自动跟踪采光利用课题一直是研究 的热点之一，而具有较强防风性能的大型太阳能采光利用装置的研究更是方 兴未艾。
专利号为US6123067的美国专利“Solar collector tracking system” 提出了一种双轴自动跟踪太阳采光装置，包括由多套液压驱动机构组成的双 轴跟踪机构、多个透镜组成的聚光模块阵列及其支撑框架，液压驱动机构驱 动聚光模块阵列分别围绕一条方位角中心转轴和一条高度角中心转轴旋转， 该装置对于中小型的太阳能采集利用装置有一定的实用价值。但对于大型或 者超大型的太阳能采集利用装置来说，由于庞大的聚光模块阵列的重量由一 根立柱承担，支撑框架容易产生变形，驱动也比较困难；而且由于旋转半径 过大，即使方位角或高度角中心转轴处一点小小的误差，在远离中心的位置 也会被放大得很大，因此很难实现全部聚光模块的精确跟踪；大型聚光模块 阵列象一面张开的风帆，在大风吹拂下产生的强大扭力甚至有可能损坏机械 传动机构。专利号为US5169456的美国专利“Two-axis tracking solar collector mechanism”提出了一种大型自动跟踪太阳采光装置，该装置包 括双轴跟踪机构、轻质支撑框架和由菲涅尔透镜组成的聚光模块阵列，其中 双轴跟踪机构由两套主动蜗轮蜗杆机构带动若干从动蜗轮蜗杆机构调整聚 光模块阵列的方位角和高度角，该装置防风性能较好，不易变形，且跟踪精 度也较高，但是其双轴跟踪机构过于复杂，加工费用昂贵，安装精度要求较 高，难于推广应用。
发明内容
本发明的目的是：提出一种结构简洁、不易变形、具有良好防风性能 和较高跟踪精度的大型防风自动跟踪太阳采光装置，从而使该装置适合于 大型或者超大型的太阳能采集利用系统。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种大型防风自动跟踪 太阳采光装置，包括聚光模块阵列及其支撑框架、驱动聚光模块跟踪对准太 阳的方位角和高度角驱动机构、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，其中聚光模 块阵列由至少二列聚光模块组成，每列聚光模块包括至少二个依次排列的聚 光元件。每列聚光模块通过各自南北向的转轴铰支于支撑框架上，各列转轴 相互平行；支撑框架上方通过东西向的转轴铰支于至少二根固定立柱上，下 方与高度角驱动机构通过运动副衔接。这样，铰支于支撑框架上的聚光模块 阵列随同支撑框架一起在高度角驱动机构作用下，围绕东西向转轴旋转，统 一调整高度角；同时，通过若干根南北向转轴铰支于支撑框架上的聚光模块 阵列在方位角驱动机构作用下转动，每一列聚光模块分别自主地调整各自的 方位角。高度角的驱动机构可以是电机带动的丝杆螺母机构或液压驱动机 构；方位角驱动机构的传动方式可以是每列聚光模块单独被各自的电机驱 动；或者是由一套电机和同步传动机构驱动多列聚光模块绕各自的转轴转 动。同步传动机构可以是链轮同步传动机构、带轮同步传动机构或齿轮同步 传动机构等。
本发明自动跟踪太阳的功能是这样实现的：跟踪控制电路根据太阳光方 位角和高度角传感器的信号发出指令，控制方位角驱动机构和高度角驱动机 构分别进行方位角和高度角的调整，使得每个聚光元件均准确地对准太阳。 关于自动跟踪太阳和聚光的详细原理，申请人在名称为“全自动跟踪太阳的 采光装置”(专利号：99114216.0)和名称为“自动跟踪太阳的光伏发电系 统”(专利号：02218387.6)的两项中国专利以及名称为“Sunlight tracking sensor and its use in full-automatic solar tracking and collecting device”的美国专利(专利号US6465766)中已有详细解释，在此不再赘述。
本发明在调整聚光模块的方位角时，不是驱动聚光模块阵列仅绕一条相 同的转轴运动，而是驱动每一列聚光模块绕各自的转轴旋转运动。换言之， 每列聚光模块均能自主地调整方位角，因此避免了统一跟踪导致远离转轴的 聚光模块跟踪精度低、不能准确对准太阳的弊端，提高了聚光模块阵列的跟 踪精度。
本发明的支撑框架铰支于多根固定立柱上，实现了多点支撑，改变了以 往大多支撑框架只有一点支撑的技术方案(如前述专利“Solar collector tracking system”)。这一改进不仅依然实现了一点支撑容易实现的方位角 和高度角的运动复合叠加，从而保证聚光元件始终对准太阳，并且使得庞大 的聚光模块阵列的重量以及风吹所产生的扭力由分布在支撑框架不同位置 的多个支撑点共同承受，改善了支撑框架的受力状况，增强了防风能力。另 外，由于在各列聚光模块之间留有一定的空间，因此聚光模块互不阻挡太阳 光，而且吹到聚光模块阵列上的风可以直接穿越这些预留的空间，大大削弱 了风力的影响，进一步增强了支撑框架的防风能力。
综上所述，本发明的优点是：自动跟踪太阳精度较高，防风能力强，特 别适合低成本规模化生产，可被广泛应用于聚光光伏发电系统、大型采集太 阳光的光纤照明系统或者高温集热系统等各种形式的太阳能利用装置中。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例一的装置立体结构示意图。
图2是本发明实施例一的太阳光方位角和高度角传感器示意图。
图3是本发明实施例二的装置立体结构示意图。
图4是本发明实施例二的装置侧视图。
图5是本发明实施例三的装置结构示意图。
具体实施方式
实施例一
本发明实施例一的大型防风自动跟踪太阳采光装置结构如图1所示， 包括由聚光元件01组成的聚光模块02阵列及其支撑框架03、驱动聚光模 块02阵列跟踪对准太阳的方位角驱动机构和高度角驱动机构、控制方位角 和高度角驱动机构的跟踪控制电路(图中未示出)、向跟踪控制电路传送信 号的太阳光方位角传感器05和高度角传感器06。其中聚光模块阵列包括五 列聚光模块02，每列聚光模块02由八个排成一列的聚光元件01组成，分 别通过五根相互平行的南北向转轴AA’、BB’、CC’、DD’、EE’铰支于支撑 框架03上。支撑框架03上方通过东西向的转轴OO’铰支于两根固定立柱04 上，下方铰支于高度角驱动机构上。转轴AA’、BB’、CC’、DD’、EE’均与 支撑框架的转轴OO’垂直。
高度角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的电机07和丝杆螺母机构构 成，其中丝杆螺母机构主要由丝杆08、螺母09、套筒10组成。电机07铰 支在固定架11上，其输出轴通过减速器12与丝杆螺母机构中的丝杆08连 接，丝杆螺母机构中的螺母09与套筒10固连，套筒10通过铰链副(图中 未示出)与支撑框架03下方衔接。方位角驱动机构主要由跟踪控制电路控 制的五套电机13和减速器14构成。电机13与支撑框架03固连，每个电 机13的输出轴均通过减速器14分别与每一列聚光模块02的转轴衔接。
如图2所示，太阳光方位角传感器05和高度角传感器06的结构相同， 均由透镜15、壳体16、安装在底座17上的光敏元件18和19组成。光敏 元件18和19对称分布于如图所示的Y轴两侧。五个太阳光方位角传感器 05分别安装于五列聚光模块02上，其Y轴与支撑框架03上方的转轴OO’ 垂直；一个太阳光高度角传感器06安装于支撑框架03上，其Y轴与支撑 框架03上方的转轴OO’平行。
本实施例的工作原理是：当聚光元件01未对准太阳时，安装在支撑框 架03上的太阳光高度角传感器06中的两个光敏元件18和19探测到的太 阳光信号不相同，于是跟踪控制电路就控制电机07和减速器12工作，带 动丝杆08转动，并通过螺母09和铰支于支撑框架03上的套筒10作用于 支撑框架03，使得支撑框架03绕OO’轴向相应方向转动，驱动聚光模块阵 列进行高度角调整，直至两个光敏元件探测到的太阳光信号相同，高度角 调整完毕。同理，当太阳光方位角传感器05中的两个光敏元件18和19探 测到的太阳光信号不相同时，跟踪控制电路就控制相应的电机13和减速器 14运动，驱动每列聚光模块02互不干扰地绕各自的转轴旋转，自主地调整 方位角，直至两个光敏元件探测到的光信号相同。这样经过上述方位角和 高度角的复合调整，每个聚光元件01均准确地对准太阳。
各种不同的光能接收部件(如太阳能电池、集热器、传光光纤或光导 管等)可被合理地放置于聚光元件焦点附近。当本发明的大型防风自动跟 踪太阳采光装置对准太阳时，会聚的高能量密度太阳光就可以准确地照射 到光能接收部件上，将太阳能转换成电能、热能，或者直接使用光纤、光 导管传输太阳光至照明场所。考虑到该装置放置于室外环境中，为了防止 灰尘、雨、雾、冰、雪的侵蚀，本发明的驱动机构可被放置于密封防尘装 置中。
实施例二
本实施例的基本结构与实施例一相同。不同之处在于：1.聚光模块阵 列由一套链轮同步传动机构驱动，每一列聚光模块均绕各自的转轴转动；2. 高度角驱动机构是液压驱动机构。
具体结构如图3所示，方位角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的电 机20和链轮同步传动机构构成，其中链轮同步传动机构主要由一个主动链 轮21、链条22和四个链轮23组成。电机20与支撑框架03固连，其输出 轴通过减速器24与主动链轮21连接，主动链轮21安装在一列聚光模块的 转轴上，并通过链条22先后与安装于聚光模块02转轴上的各链轮23衔接。 为调整链条22的张紧程度，可以增加一个或者多个张紧轮(图中未示出)。 一个太阳光方位角传感器05和一个太阳光高度角传感器06分别安装于支 撑框架03上。当太阳光方位角传感器05中的两个光敏元件18和19探测 到的太阳光信号不相同时，跟踪控制电路就控制相应的电机20工作，主动 链轮21通过链条22带动各个链轮23向着相应的方向旋转，带动对应的聚 光模块02的转轴转动，同步调整每一列聚光模块02的方位角。
如图3和图4所示，本实施例中高度角驱动机构主要由跟踪控制电路 控制的液压驱动机构构成，其中液压驱动机构中的液压缸24安装在固定架 25上，活塞杆26端头支架27通过移动副与支撑框架03下方衔接，此移动 副由安装在活塞杆26端头支架27上的支撑滚轮28和压紧滚轮29以及与 支撑框架03固连的导轨30构成，支撑滚轮28和压紧滚轮29分别紧密贴 合在导轨30上下两侧。当安装在支撑框架03上的太阳光高度角传感器06 中的两个光敏元件18和19探测到的太阳光信号不相同时，跟踪控制电路 控制液压驱动机构中的活塞杆26上升或下降，支撑滚轮28和压紧滚轮29 沿着框架上的导轨30作滑移运动，带动支撑框架03绕转轴OO’转动，调 整聚光模块阵列的高度角。例如，当活塞杆26带动支撑滚轮28、压紧滚轮 29上升时，支撑滚轮28、压紧滚轮29就带动支撑框架03向上作抬升运动。 由于转轴OO’的位置不变，因此支撑滚轮28、压紧滚轮29与导轨30之间 的接触点会不断地上移。这样，经过上述方位角和高度角的复合调整，最 终使得每个聚光元件01对准太阳。
本实施例中的五列聚光模块也可以分成两组，由两套链轮同步传动机 构分别驱动，完成每组聚光模块的方位角调整功能。另外，根据制造成本、 性能等具体应用要求，本实施例中的链轮同步传动机构也可以由带轮同步 传动机构、齿轮同步传动机构等代替，完全可以起到相同的作用。使用带 轮同步传动机构时，方位角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的电机和带 轮同步传动机构构成，电机与支撑框架固连，其输出轴通过减速器与带轮 同步传动机构中的主动带轮连接，主动带轮通过带轮同步传动机构中的同 步齿形带先后与安装在聚光模块转轴上的各带轮衔接。使用齿轮同步传动 机构时，方位角驱动机构主要由跟踪控制电路控制的电机和齿轮同步传动 机构构成，电机与支撑框架固连，其输出轴通过减速器与齿轮同步传动机 构中的主动齿轮连接，主动齿轮通过过渡齿轮先后与安装在聚光模块转轴 上的各齿轮衔接。
实施例三
本实施例的结构与实施例二基本相同，不同点在于：高度角驱动机构 由一套链轮同步传动机构和两套丝杆螺母机构组成。两套相同的丝杆螺母 机构分别铰支于支撑框架两侧，这样不仅依然实现了高度角的调整功能， 而且能与多根固定立柱共同分担聚光模块阵列的重量，因此能够进一步防 止聚光模块阵列的支撑框架变形，并更有效地消除风力的影响；链轮同步 传动机构可以使得两套丝杆螺母机构同步进行支撑框架两侧高度角的调 整，使得本发明适用于更大型的防风自动跟踪太阳采光装置。
具体结构如图5所示，本实施例的高度角驱动机构的链轮同步传动机 构由支架31、与支架31固连的电机32和减速器33、与减速器33输出轴 固连的主动链轮34、链条35、两个链轮36组成；两套丝杆螺母机构均由 与链轮36固连的丝杆37、与丝杆37啮合的螺母38、与螺母38固连的套 筒39及其端头支架、安装于端头支架上的支撑滚轮和压紧滚轮组成，其中 端头支架、支撑滚轮和压紧滚轮与实施例二的结构和作用相同，图5中未 详细示出，可参见图4。当然，链轮同步传动机构也可以被带轮同步传动机 构、齿轮同步传动机构等其它形式的同步传动机构代替。
工作原理与实施例二类似，当安装在支撑框架03上的太阳光高度角传 感器06中的两个光敏元件18和19探测到的太阳光信号不相同时，跟踪控 制电路控制电机32和减速器33工作，与其固连的主动链轮34通过链条35 带动链轮36和丝杆37同步转动，与丝杆37啮合的螺母38通过套筒39使 得支撑滚轮和压紧滚轮沿着支撑框架上的导轨作滑移运动。支撑框架03在 两套丝杆螺母机构的共同作用下，绕转轴OO’平稳地转动，调整聚光模块 阵列的高度角，直至太阳光高度角传感器06中的两个光敏元件18和19探 测到的太阳光信号相同。本实施例中的链轮同步传动机构也可以由带轮同 步传动机构、齿轮同步传动机构等代替。
限于篇幅，实施例的附图中仅示出了由五列聚光模块组成的聚光模块 阵列，事实上，由于本发明解决了大型自动跟踪太阳采光装置防风性能差、 易变形、跟踪精度低等技术难题，这些聚光模块的数量完全可以根据需要 进一步扩展并自由组合。另外，本发明中的立柱由各种框架、墙体代替也 可以起到相同的作用。凡是类似的等同替换或者组合后产生的技术方案， 仍属本专利申请要求的保护范围。