无间歇实时跟踪的太阳能采光驱动机构(背景及原理).doc

新型太阳能跟踪机构原理背景技术：自从地球上出现人类以来，人类和能源就发生了不可分割的关系。然而人类一直使用的能源除柴草、动植物油和水力可以再生外，其他如煤和石油等都不可再生，然而柴草和动植物油已远远不能满足当今生产力不断发展的需要，水力的应用也有一定限度，而煤和石油仍然是人类目前主要使用的能源，但是这些能源已经面临枯竭,另外上述所有能源的使用，都会对地球环境造成严重污染或破坏，危害到人类和所有生物的生存。当今世界上已经出现了严重的能源危机，因此，世界各主要国家都把目光放在开发可再生清洁能源上，例如太阳能、风能、潮汐能、波浪能、车辆对地面挤压的能量等等。特别是太阳能，是一切能量的根源，然而，对地球来说，太阳能的密度是很低的，大概每平方米面积在最好的条件下只能产生1kw的功率，要实现大规模的利用很困难。世界上开始研究太阳能利用以来，对要求不高的太阳能设备，采光装置一般都固定不动，但太阳能转换效率很低；对要求较高的太阳能设备，采光装置都需要跟踪太阳，以便获得尽可能多的太阳能。在跟踪太阳的方法方面，普遍采用的都是所谓“二维驱动法”，这个方法从理论上说，不能说是错误的，但其形成主要是受到人类观察周围事物习惯的影响。看起来这个方法比较容易理解，但实际上却把问题搞复杂了。所谓“二维驱动法”，是用一个水平旋转的驱动机构，使太阳能采光装置每天从东方转向南方，再转向西方，跟着太阳方位走（所谓“方位角驱动”），但是日出和日落时，太阳都在地平线上，位置很低，而中午太阳到了头顶，位置最高，这就需要使采光装置每天从低到高，再从高到低来回俯仰转动（所谓“俯仰角驱动”），这样就必须时时刻刻从X轴和Y轴两个方向去跟踪太阳。目前国内外研究太阳能开发的设计方案基本上都是采用这个模式。他们采用了传感器、精密低回差减速机和微机程序控制等方法来实现跟踪的准确性。这乍看起来似乎很科学，很严密，但事实上却使问题复杂化了，不但加大了成本，增加了制造难度，同时使用时操作难度也相当大，不是一般老百姓能够掌握的，而且实际跟踪精度也不高。有些资料上说他们的精度可以控制到每次跟踪误差不超过0.01度（也就是0.分），实际上这是很困难的，因为减速机的“回差”要达到不超过分已经很困难了，何况还有许多中间环节，进一步加大了误差。更严重的是作为驱动原件的减速机无法达到使采光装置与太阳的视觉运行轨道完全同步，一般都是比太阳运行速度快得多，因此不得不采用“间歇跟踪”方法，当太阳能采光装置偏离太阳一定角度后才启动跟踪装置，使采光装置赶上太阳，然后停下来，等再偏离一个角度，待传感器感觉到该误差以后，再启动跟踪装置，使采光装置再一次赶上太阳。因此，跟踪装置不得不经常不断地间歇启动。由于在每次启动和停止时都会产生很大的冲击力，这就使跟踪机构特别是减速机很容易损坏，由于设备故障率高，经常被迫停机检修，造成太阳能设备不能正常运行；同时，也是由于扭矩过大，不得不将减速机设计得非常庞大，而且水平转动和垂直转动必须分别设计减速机，因此极大地加大了制造成本和运行维护费用，而设备制造成本过高，维护费用偏高，使每千瓦小时的费用大大高于目前火力发电和水力发电的水平，这是阻碍太阳能发电推广使用的主要原因。发明内容：本发明的目的在于提供一种无间歇实时跟踪的太阳能采光驱动机构及其工作方法，它采用全部齿轮传动结构，能够无间歇地实时精确跟踪太阳，完全避开了采用传感器和微机程序控制等进行间歇跟踪的繁琐模式，跟踪精度高，大大简化了整体结构，而且大幅度降低了太阳能设备的造价和维护费用。本发明的技术方案是由采光装置、驱动机构、减速机、电动机、能量输出机构、能量输出管线及基座组成的；其中驱动机构一端与采光装置相连接，另一端与减速机相连接；减速机的另一端与电动机相连接；驱动机构安装于可调节整个机构倾角的基座上；能量输出机构置于驱动机构上，用于将获得的能量从连续旋转的采光装置输送出去；能量输出管线一端连接能量输出机构，另一端连接到相应的与地平面连接的固定设备上。其结构示意图如图3所示。详细结构及说明参看专利说明书。（专利名称: “一种无间歇实时跟踪的太阳能采光驱动机构及其工作方法”,专利申请号：CN200910068468.3）。工作原理： 该太阳能采光驱动机构不是按传统的观念采用“二维驱动法”，即不用水平旋转机构加垂直旋转机构从X轴和Y轴两个方向同时去跟踪太阳的方法，而是使光伏电池的平面永远垂直于太阳光线，（参看图1及图2，图中假设设备所在位置在北纬40度线上，图1为2011年1月22日地球在宇宙中的实际状态，图2为2011年5月18日地球在宇宙中的实际状态），因此采光驱动机构的旋转中心必须等于当地的纬度，而光伏电池与旋转中心的夹角必须等于太阳偏离赤道的角度。按相对运动原理，以地球中心为参考点，从地球上观察太阳，其运行轨道就是一个以地球中心为圆心的圆。这样，当采光装置围绕其轴心旋转时，随着地球的自转运动，与光伏电池平面垂直的法线扫描的平面就和太阳视觉运行轨道处在同一平面内，如果采光装置旋转的速度和太阳的视觉运行速度相同，采光装置自然就永远正对太阳，实现最大限度采集阳光的目的。由于太阳视觉运行轨道的直径非常大（相当于两倍从地球中心到太阳中心的距离），采光装置所处位置与太阳视觉运行轨道圆心之间的偏差就显得微乎其微，可以忽略不计。由于地球在围绕太阳公转时，地球的轴心在不断摆动，使得太阳光线照射地球的角度不断变化，每年从南纬23度26分15.67秒到北纬23度26分15.67秒来回摆动一次，这就形成太阳的视觉位置对北半球来说，冬至最低，夏至最高，其高低相差角度为46.875372度。当地球旋转轴心倾斜某一角度时，太阳的视觉位置也偏离赤道同一角度。在每天中午当采光装置正对太阳时，采光装置与太阳的连线在南北方向上的法线与地平面的倾斜角度等于采光装置所在位置的纬度减去太阳光线向北偏移的角度，而每天午夜采光装置与太阳的连线在南北方向上的法线与地平面的倾斜角度等于采光装置所在位置的纬度加上太阳光线向北偏移的角度，在晨昏这两段时间，该法线与地平面的倾斜角度正好处在这两个角度的中间位置，也就是设备当时所处的纬度。如果要使采光装置永远正对太阳，不发生偏差，采光装置除了必须每天自传一周之外，上述法线还必须在以两倍于太阳从赤道北移角度为圆锥角的圆锥面上作旋转运动，而圆锥的中心线与地平面的倾角正好等于当地的纬度。 由于地球除了自转之外，还围绕太阳公转，地球自转一圈后，已围绕太阳公转了一个角度，地球上原来正对太阳中心的点已偏离太阳中心。由于地球自传一周（360度）需时23小时56分4.1秒，即等于1436.06833333分，而地球一恒星年（即地球绕太阳公转一周）的时间为365.2563657天，按此计算，地球必须比自转一周多转一个角度，地球上的某观察点才能再一次正对太阳中心。这个多转的角度是：360365.25636570.9856091058度。这时地球应该自转的角度就是360.9856091058度，所需时间为：1436.0683333333360.98560910583601440分，正好是24小时。这就是太阳的视觉运行速度。太阳能采光装置围绕自己轴心旋转的速度如果正好等于这个速度，采光器就可以永远正对太阳。为了保证减速机输出转速正好是1rpd（每天一转），减速机的速比应为1440电动机转速，例如当电动机的转速为准确的1500rpm时，减速机的速比就是14401500 = 2160000，那么昼夜不停地运转，采光装置就能准确无误地对准太阳，没有偏差。由于地球从南回归线到北回归线来回摆动的影响，太阳光线照射地球的角度每年从南到北，再从北到南摆动一次。要使采光装置无论冬夏都能正对太阳，就必须用一台输出转速为1rpn（每年一转）的减速机带动一套往复运动机构，驱动采光装置每年来回摆动一次。又由于地球围绕太阳公转一圈（即1恒星年）需要365.2563657天，减速机的速比应为365.25636571440电动机转速, 当电动机的转速为准确的1500rpm时，减速机的速比就应该是365.256365714401500 = 788953749.9。由于地球每年从南纬23度26分15.67秒到北纬23度26分15.67秒来回摆动一次，摆动的总角度为246.875372 = 93.750744度，地球围绕太阳公转一圈（即1恒星年）所需时间为365.2563657天，因此太阳每天高度的变化为：93.750744365.25636570.2566711度。这个角度很小，对于一些小型的太阳能设备来说，每5天到10天手动微调一次就可以了，不需要采用机械传动；但在大型的数百兆瓦级以上的群体发电站方面就很需要了，否则，手动调节不但麻烦，还会增加管理费用。严格讲，在无限长的宇宙长河中，太阳和地球的运行轨道和运行速度是会变化的，但在短短的几万年的时间中，对整个宇宙来说，仅仅是一瞬间，可以认为，它们的运行轨道和运行速度是稳定不变的。因此用这个方案来解决跟踪太阳的问题，就应该是非常准确的，无需再使用传感器和微机控制等方法来弥补跟踪产生的误差。 根据以上分析，本发明中太阳能设备（包括太阳能发电以及太阳能加热和照明等）整体的旋转中心与地面的倾角应等于安装该设备所在地的纬度，而采光器回转中心与地平面的倾角是随时变化的，除时间等于零的一瞬间外，全部时间都不等于当地纬度。如上所述，采光装置与太阳的连线在南北方向上的法线是在两倍于太阳从赤道偏移的角度为圆锥角的圆锥面上旋转摆动（参看图3）。太阳与赤道偏移的角度每天的变化量很小，对于一些小型的太阳能设备来说，每5天到10天手动微调一次就可以了，不需要采用机械传动。按本发明制造的太阳能设备，可以日夜不停地转动，使采光器永远正对太阳，虽然夜间采光面被地球遮挡，不能接收阳光，但太阳刚出地平线，采光面就已经正对太阳，并继续跟随太阳运动，因此就没有回归原位和准时启动的麻烦，不仅可以省去回归和启动必须的复杂机构和控制系统，而且由于运动部件只向一个方向运动，不存在回差间隙的影响，传动机件的精度要求也无需太高。同时，由于是连续运行，不是间歇传动，不存在冲击问题。众所周知，电动机在启动时，其启动电流比正常运转时大67倍，甚至更大。目前所有跟踪机构都是间歇传动，每几分钟就启动一次，有的“精密跟踪系统”甚至在非常短的时间内就频繁启动，电动机基本上是在远远超过正常运转电流的状态下运行；其次，由于启动和停止时产生的冲击扭矩非常大，常常将传动机构特别是减速机撞坏，造成事故，（在某些场合，是绝对不允许意外停电的，否则会带来极大的破坏），因此不得不将减速机和整个传动系统设计得非常庞大，这就是太阳能设备造价高昂，维护费用很高的重要原因。按照本发明的方案，由于上述问题不存在，减速机和传动系统可以设计得非常轻巧，又由于速比特别大，用很小的电机就可以产生非常巨大的扭矩，因此虽然是昼夜不停地转动，其耗电量比目前普遍采用的方案还会降低很多。本发明的优越性在于：1、本采光驱动机构能够连续不断无间歇跟踪太阳，导致最充分采光，且跟踪精度非常高，只需将减速机的速比定为1440电动机转速, 采光面就永远正对太阳，无论任何时候都不会产生偏差；若电动机存在微小误差，则可通过调节连杆和可调节驱动杆进行微调，以使采光平面在任何时间，任何地点均可调整到正对太阳的位置；2、采光角度的调节方法简单易行，不用俯仰调节驱动系统，成本低廉，适于在家庭及其他小规模用电场合推广使用；对于大型的群体发电站，则需要一套速比为365.25636571440电动机转速的减速机构来驱动采光装置，使其自动永远正对太阳；3、由于减速机速比非常大，在电动机功率非常小的情况下就可以产生极大的输出扭矩，因此驱动系统可以设计得非常小巧，不仅可以省电，而且可以大幅度降低制造成本；4、由于是连续运转，耗电量比断续驱动小得多，同时不存在冲击负荷，设备不易损