专利名称：太阳跟踪方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳跟踪方法及其装置，主要用于太阳能利用系统中。
在太阳能利用中，固定式的太阳能设备一般都是低温的热利用，其效率低，太阳的高温利用和高效利用必须解决太阳跟踪问题。已有的该装置都是比较复杂的，其跟踪太阳的角度调整一般是连续调整或随机调整。连续调整是利用编制的计算机程序控制机电设备来调整，其调整复杂，成本高。随机调整有的是利用人力调整，其缺点是不能保证时效，有的是利用传感器件来调整，其设备复杂，成本高。以上的系统均不能很好地利用在小型设备上，也不能很好地普及，并且由于设备复杂，其可靠性降低。
本发明的目的就是提供一种跟踪太阳的方法和实施该方法的较简单的装置，以克服现有技术的不足。
本发明所依据的太阳与地球的时间规律及相对位置变化规律1、地球自转是恒定的，24小时转一周，即360度，每小时转过15度的自转角。地球自转轴线即地轴的方向是恒定的，地轴与黄道面的夹角是66度33分，与黄道面法线的夹角是23度27分。
2、地球绕太阳公转一周的时间是365.2422天，轨迹即黄道是一个椭圆，太阳位置不在这个椭圆的中心上，根据多普勒第二定律，每24小时地球绕太阳公转扫过的面积相等，也就是说，地球公转一周，在黄道面上径向扫过365.2422个等面积，其每二十四小时扫过的角度不等，这个不等的角度在每二十四小时或更短的时间段均可以计算出来，现教科书有公式给出和角度表列出，因较复杂，这里不重复给出。
根据以上规律，地球围绕太阳的自转和公转形成了在地球一点看到的太阳升起和落下的不一致性，地球是圆的，地球一点的地平面并不是真正意义的平面，在这一点上的规律不具有普遍性。地轴是恒定的，由地轴所在面或与地轴平行面作为参考面可代表地球表面任一点的普遍规律。地球一点看到的太阳的角度变化在这个参考面上可分解为纬度的仰角变化和经度的自转角变化。
太阳跟踪首先要解决的是仰角的跟踪，在仰角跟踪完成后，剩下的自转角的跟踪就变得简单。先假设地球不自转，地球为一点，这一点就是地心，由于地球距离太阳的距离很大，相对于这个距离地球的大小可以忽略为一个点，同样在地球表面任一点与太阳的连线可以认为和这个点与太阳的连线之间为无限接近的平行。
在代表地球的这个点上，地轴以不变角度穿过这个点。以地轴为参照线，这个点与太阳连线为另一线，公转一周其两线之间的角度变化范围为23度27分的两倍，即46度54分。这个点位于黄道的不同位置上其角度从90度加上23度27分到90度减23度27分之间变化，这个变化的特征是地球在黄道上转过相同等分的角度而其两线之间的角度变化不等分也不相同，又由于地球公转一周的天数是非整数，所以，这个变化在天数上也表现为不对称。
仰角跟踪就是使物体的面正对太阳，即太阳垂直照射于这个面上，只要保持其角度为直角90度，即完成仰角跟踪。在春分或秋分时，太阳直射于赤道，太阳与这个点连线垂直于地轴线，在地球任一点上也虚拟一个穿过这个点的与地轴平行的虚拟地轴线，地轴和虚拟地轴线均垂直于地球的赤道面，地球公转一周，太阳相对于赤道面的角度变化从以上可知为正负23度27分，即太阳直射地球的点在南纬23度27分和北纬23度27分之间移动。设置一个与黄道面平行的调整面，调整面与赤道面的夹角为23度27分，地轴和虚拟地轴线与这个调整面的夹角为66度33分，地轴和虚拟地轴线与调整面的法线夹角为23度27分。当地球公转过黄道面一定角度时，调整面与虚拟地轴线一起转过相同角度，即可保持虚拟地轴线与黄道面的夹角为90度。
根据上述分析，本发明提出以下跟踪太阳的方法设置一个如与黄道面平行的调整面的太阳仰角跟踪调整盘，调整盘与这个虚拟地轴线的夹角为66度33分，调整盘的轴线与这个虚拟地轴线的夹角为23度27分，在地球公转过一定角度，调整盘也反转过同样角度，这个盘上的虚拟地轴线与地心和太阳的连线之间的夹角保持垂直90度，即完成太阳仰角跟踪。因为地球每二十四小时转过角度不等，所以在调整中，必须以地球在公转中每个尽量小的时间段内转过的不等角度映射在调整盘上，才能精确跟踪。
对于地球的自转角调整，地球自转是恒定的，在调整过仰角之后，再在每个时间段内调整地球自转过的角度即可。由于存在大气层不均匀折射，地球上一点在不同时间段相对太阳转过的可视光线角度也不相等。
将太阳与地球表面任一点的连线与一固定的与地轴平行的参考面的夹角变化分解为地球绕太阳公转和地球自转两个夹角变化，前者为仰角变化，后者为自转角变化。将地球公转一周时间段等分为若干个调整时间间隔，将每个调整时间间隔内地球公转过太阳的角度变化映射在仰角调整齿轮上，从而产生相对于固定时间间隔的角度间隔，通过仰角角度调整范围为正负23度27分的伺服机构在每个时间间隔调整一次角度，即完成仰角跟踪。仰角调整时间间隔划分方法为以六个小时或六个小时的等分或数学关联等分作为调整时间间隔。以六个小时为基础时间间隔的依据是365.2422≈365.25，0.25能够等分365.25为1461份，不会出现角度间隔的非整数。仰角调整齿轮角度间隔划分方法为将地球每六个小时转过太阳的角度映射于仰角调整齿轮上，一周共1461个不等间隔。实际中，可采用487个映射的不等角度间隔，每二十四小时调整三分之四个间隔，每六个小时调整一次，每次调整三分之一间隔。对于小于六个小时的调整时间间隔，可以通过齿轮组来实现更小角度间隔。将地球自转一周的时间等分为若干个调整时间间隔，将每个调整时间间隔内太阳相对于地球的自转角角度变化映射在自转角调整齿轮上，从而产生相对于固定时间间隔的角度间隔，通过伺服机构在每个时间间隔调整一次角度，即完成自转角跟踪。自转角调整时间间隔划分方法为每小时调整15度，对于具体要求，可尽量缩短调整间隔或自由分配调整间隔，这个间隔是一个小时的等分或数学关联等分，最好采用符合时间规律的进制算法。自转角调整齿轮角度间隔划分方法为将每个自转角调整时间间隔的地球一个点相对太阳转过的经大气层折射的实际可视光线角度映射在自转角调整齿轮上。将仰角和自转角的跟踪叠加为一个完整系统，周期循环调整。
以上提出的方法中，调整齿轮的角度间隔都是不均匀的，即出现齿轮齿距不等，但其不等的值不大，可以通过机械设计来克服。
在本方法的中，不考虑地球和太阳之间运动的岁差和章动问题，实际中可视要求径向累年调整。
根据以上提出的太阳跟踪方法，本发明提出一种太阳跟踪装置，类似的装置可以从本装置中推出。
它包括一个仰角跟踪齿轮及其伺服马达，一个自转角跟踪齿轮及其伺服马达，及控制上述两个马达的控制脉冲发生器。在所述的仰角跟踪齿轮的侧面上轴心与齿牙之间有一个轴向的驱动杆，在该驱动杆上活动连接有中间有一长条滑孔的传动片，与其连接的是传动杆，该传动杆的另一端活动连接指向太阳的跟踪杆。与跟踪杆垂直的面是太阳能设备的面。仰角跟踪齿轮带有驱动杆的一侧面向太阳；上述的仰角齿轮及与其连接的各部分都置于一个旋转体内，它的转轴与所述的传动杆平行，并与自转跟踪齿轮的轴同轴相连。
所述的仰角跟踪齿轮的齿距是根据地球公转一周其每个调整时间间隔内地球在黄道上转过太阳的角度变化而设置的，它是非均匀的，该齿轮的齿数根据调整次数而定。
所述的自转跟踪齿轮调整间隔可根据需要的跟踪精度而定，齿距可以均匀分布。
所述的自转跟踪齿轮的齿距直接测量阳光透过大气层的实际照射方向变化的角度确定。
所述的控制脉冲发生器输出两组控制脉冲，一是自转角跟踪脉冲；二是仰角跟踪脉冲，该控制脉冲发生器还控制自转角跟踪脉冲每12个小时将其正负反转一次，完成一次复位调整。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的装置示意图。
图2是仰角齿轮及伺服机构的俯视示意图。
如图1所示，该装置包括一个仰角跟踪齿轮5及其伺服马达6，一个自转角跟踪齿轮1及其伺服马达2，及控制上述两个马达的控制脉冲发生器4，在所述的仰角跟踪齿轮5的侧面上轴心与齿牙之间有一个轴向的驱动杆8，在该驱动杆8上活动连接有中间有一长条滑孔的传动片9，与其连接的是传动杆11，传动杆11穿过导向块10的孔，它的另一端活动连接指向太阳的跟踪杆13，与跟踪杆13垂直的是太阳能设备14，仰角跟踪齿轮5带有驱动杆8的一侧面向太阳；上述的仰角齿轮5及与其连接的各部分都置于一个旋转体16内，它的转轴15与所述的传动杆11平行，并与自转跟踪齿轮1的轴同轴相连。所述的传动杆11与跟踪杆13的活动连接是与传动杆11端相连的套环12，它的孔套在跟踪杆13上。
所述的仰角跟踪齿轮5的齿距是根据地球公转一周其每个调整时间间隔内地球在黄道上转过太阳的角度变化而设置的，它是非均匀的，该齿轮的齿数根据调整次数而定。
本实施例的仰角齿轮的调整次数为1461，时间间隔为6小时，齿数也是1461个。
所述的自转跟踪齿轮1调整间隔可根据需要的跟踪精度而定，齿距可以均匀分布。其齿距根据直接测量阳光透过大气层的实际照射方向变化的角度确定。
本实施例的自转跟踪齿轮1的调整间隔为1分钟，自转一周调整次数为1440。
所述的控制脉冲发生器4输出两组控制脉冲，一是自转角跟踪脉冲，二是仰角跟踪脉冲。该控制脉冲发生器4还控制自转角跟踪脉冲每12个小时将其正负反转一次，完成一次复位调整。
其装置工作过程是控制脉冲发生器4输出一个仰角调整脉冲，控制伺服电机6转动一周，蜗杆7驱动仰角调整齿轮5转过一个间隔，通过齿轮5上的驱动杆8推动传动片9与传动杆11在导向块10的孔内作线性运动，使跟踪杆13在传动杆端部的套环12内作角度调整，使仰角对准太阳，完成仰角调整。控制脉冲发生器4输出一个自转角调整脉冲，控制伺服电机2转动一周，蜗杆3驱动自转角调整齿轮1调整一个间隔，完成自转角调整。
在本装置安装时，必须使旋转体16的轴线15与地轴平行，实际中可将装置安装地的纬度直接作为轴线15与地平线的夹角，并使轴线15在地平方向对准地理正南，然后将太阳能设备14对准太阳，再调整安装时的时间与齿轮1、5的匹配，并正确调整控制脉冲发生器4。
权利要求
1.一种太阳跟踪方法，其特征在于包括A将太阳与地球表面任何一点的连线与一固定的与地轴平行的参考面的夹角的变化分解为地球绕太阳公转和地球自转两个夹角的角度变化，前者为仰角变化，后者为自转角变化。B用一专用的映射地球公转角度变化规律的齿轮和伺服机构调整地球公转一周其地轴和地心与太阳连线夹角的变化，即实现跟踪仰角的变化，该齿轮每转动一周对应地球公转一周即一年，该伺服机构调整仰角角度范围为正负23度27分。C用一专用齿转跟踪地球自转，该齿轮每转动一周对应地球自转一周，即一天。D将所述的仰角跟踪和自转跟踪叠加，即形成对太阳实际跟踪。
2.根据权利要求1所述的太阳跟踪方法，其特征在于所述的仰角跟踪齿轮和自转跟踪齿轮的跟踪为不连续跟踪形式，即每隔一定的时间间隔调整所述齿轮转动一个角度，该角度与转过太阳的角度相对应。
3.根据权利要求1或2所述的太阳跟踪方法，其特征在于所述的仰角跟踪齿轮每转动一次的时间间隔应使地球公转一周的时间能够大致等分为整数，所需调整该齿轮转动的次数为整数，该齿轮的齿距与所述公转角不等分的变化相对应。
4.一种实现权利要求1所述的太阳跟踪方法的装置，其特征在于包括一个仰角跟踪齿轮及其伺服马达，一个自转角跟踪齿轮及其伺服马达，及控制上述两个马达的控制脉冲发生器，在所述的仰角跟踪齿轮的侧面上轴心与齿牙之间有一个轴向的驱动杆，在该驱动杆上活动连接有中间有一长条滑孔的传动片，与其连接的是传动杆，该传动杆的另一端活动连接指向太阳的跟踪杆，与跟踪杆垂直的是太阳能设备的面，仰角跟踪齿轮带有驱动杆的一侧面向太阳；上述的仰角跟踪齿轮及与其连接的各部分都置于一个旋转体内，它的转轴与所述的传动杆平行，并与自转跟踪齿轮的轴相连。
5.根据权利要求4所述的太阳跟踪装置，其特征在于所述的仰角跟踪齿轮的齿距是根据地球公转一周其每个调整时间间隔内地球在黄道上转过太阳的角度变化而设置的，它是非均匀的，该齿轮的齿数根据调整次数而定。
6.根据权利要5所述的太阳跟踪方法装置，其特征在于所述的仰角齿轮的调整次数为1461，时间间隔为6小时，齿数也是1461个。
7.根据权利要求4所述的太阳跟踪装置，其特征在于所述的自转跟踪齿轮调整间隔可根据需要的跟踪精度而定，齿距可以均匀分布。
8.根据权利要求5所述的太阳跟踪方法，其特征在于所述的自转跟踪齿轮的齿距由直接测量阳光透过大气层的实际照射方向变化的角度确定。
9.根据权利要求4、7或8所述的太阳跟踪装置，其特征在于所述的自转跟踪齿轮的调整间隔为1分钟，自转周调整次数为1440。
10.根据权利要求4所述的太阳跟踪方法装置，其特征在于所述的控制脉冲发生器输出两组控制脉冲，一是自转角跟踪脉冲；二是仰角跟踪脉冲，该控制脉冲发生器还控制自转角跟踪脉冲每12个小时将其正负反转一次，完成一次复位调整。
全文摘要
本发明提出一种主要用于太阳能利用的跟踪太阳的方法及装置。跟踪太阳是等分时间、拟分角度的间隔调整。将地球自转一周时间段和地球公转一周时间段等分为若干个调整时间间隔，将每个调整时间间隔内太阳相对于地球的角度变化各个模拟地分配在模拟赤道的自转角调整齿轮和模拟黄道的俯仰角调整齿轮上，从而产生相对于固定时间间隔的角度间隔，通过伺服机构在各自的每个时间间隔调整一次角度。周期循环调整。并根据该方法给出一个太阳跟踪装置。
文档编号F24J2/38GK1316634SQ0110226
公开日2001年10月10日 申请日期2001年1月20日 优先权日2001年1月20日
发明者聂洪军 申请人:聂洪军