專利名稱：用同步電機自動跟蹤太陽的太陽能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用微型交流同步電機自動跟蹤太陽的太陽能裝置。
太陽能的利用由來已久。太陽能電池、太陽能熱水箱、太陽灶等都是成功的應(yīng)用項目。在現(xiàn)有的太陽能設(shè)備中，大多缺乏對太陽的自動跟蹤功能，以至隨著太陽每天、每季節(jié)位置的變化，太陽光投射到太陽能設(shè)備受光面的角度發(fā)生變化，太陽能利用的效率大受影響。為解決這一問題，科學(xué)家們研究了許多以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制的自動跟蹤系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)的成本很高，主要應(yīng)用于一些高技術(shù)領(lǐng)域(如人造衛(wèi)星的太陽能電池板)，而難于在大量的民用設(shè)備中應(yīng)用。為此，我們曾經(jīng)開發(fā)了一種用時鐘控制的《自動跟蹤太陽的太陽能裝置》(見實用新型專利ZL 99 2 41141.6)。該裝置用很簡單的辦法，低廉的成本，實現(xiàn)了太陽能裝置對太陽的自動跟蹤，從而大幅度地提高了太陽能的利用效率。對于在無電的農(nóng)村和海島、邊防哨所等地方，它是解決對太陽自動跟蹤的有效辦法。但是，它的缺點是使用比較麻煩它轉(zhuǎn)動太陽能裝置的動力來自于重錘，因此需要每天早晨用人工的辦法把重錘再提起來，為太陽能裝置的自動跟蹤提供動力；而且，每天早晨還必須用人工辦法對太陽能裝置進(jìn)行復(fù)位，使它從新對準(zhǔn)太陽。
本實用新型針對上述情況，發(fā)展了一種用微型交流同步電機經(jīng)過減速齒輪來帶動太陽能收集裝置并實現(xiàn)對太陽的全自動跟蹤。在有交流電供應(yīng)的地方，本實用新型能更方便、更廉價地實現(xiàn)對太陽的自動跟蹤。
本實用新型的設(shè)計原理如下由于地球圍繞太陽運動(或者直觀地說太陽的運動)是一個三維立體運動模型，因此，要解決對太陽的跟蹤，必須解決三個方面的問題1.太陽每天從東方升起，到西方落下的東西方向的跟蹤；2.不同緯度地區(qū)太陽南北方向高度的設(shè)置；3.同一地區(qū)，不同季節(jié)太陽南北方向高度變化的相應(yīng)調(diào)整。
對于第一個問題，本技術(shù)是采用一個微型(3瓦-4瓦)交流同步電機來解決。把同步電機的轉(zhuǎn)速(每分鐘2.5-5轉(zhuǎn))用減速齒輪箱減到與地球自轉(zhuǎn)速度同步的15度/小時。用它來帶動太陽能裝置從東向西旋轉(zhuǎn)。由于太陽能裝置的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計得與地球的自轉(zhuǎn)軸平行，其旋轉(zhuǎn)速度又與地球旋轉(zhuǎn)速度(或者直觀地說與太陽轉(zhuǎn)動的速度)同步，因而受它控制的太陽能裝置將始終正對著太陽，實現(xiàn)了對太陽的跟蹤。由于交流電的頻率非常穩(wěn)定，同步電機的旋轉(zhuǎn)速度也就非常穩(wěn)定。因此，不論太陽轉(zhuǎn)到什么方向(包括晚上轉(zhuǎn)到了地平線以下)，同步電機都將帶動太陽能裝置，使它永遠(yuǎn)對準(zhǔn)太陽。太陽能裝置自動跟蹤太陽的動力也由同步電機提供，不再需要人工每天去拉動重錘。由于減速齒輪箱的變速比很大(對每分鐘旋轉(zhuǎn)5轉(zhuǎn)的4瓦TYJ50-8A22F型同步電機而言，變速比達(dá)7200)，所以，4瓦的同步電機對太陽能裝置提供的扭力也就是電機輸出扭力(4.5kgf·cm)的7200倍，達(dá)32400kgf·cm，足以帶動太陽能裝置的轉(zhuǎn)動。而且，在同步電機的帶動下，太陽能裝置總是對準(zhǔn)太陽的，不需要每天用人工去搬動它來從新對準(zhǔn)太陽(參看實用新型專利ZL 99 2 41141.6)。從而實現(xiàn)無需人工介入的對太陽的自動跟蹤。由于同步電機的功率很小(僅4瓦)，耗電很少，(要250小時，即10天多才消耗一度電！)基本上不增加它的運行成本。
對于第二個問題，好在每一個地方的緯度是不變的。只需要在太陽能裝置安裝時，把當(dāng)?shù)氐木暥茸鳛槟媳眱A角的初始值設(shè)置就行了。
對于第三個問題，它是由地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的軌道(黃道)與地球的赤道之間有23.5度的夾角造成的，致使每年的春分(3月20日左右)和秋分(9與23日左右)時，太陽光線直射赤道，它在南北方向上與各地地平面法線的夾角(即太陽在南北方向上與天頂之間的傾角)正好等于當(dāng)?shù)氐木暥?；而在夏?6月21日左右)時，太陽光線直射北回歸線(北緯23.5度)；在冬至(12月22日左右)時，太陽光線又直射南回歸線(南緯23.5度)。它在南北方向上與各地地平面法線之間的夾角(即太陽在南北方向上與天頂之間的傾角)也將在當(dāng)?shù)鼐暥壬蠝p(或加)23.5度(對于北半球而言。南半球則相反)。對于每天來說，這個變化很小(三個月才23.5度，平均每月約8度，每周不過2度)。可以人工每周或者半月對太陽能裝置作一次南北傾角的微調(diào)，以補償太陽高度隨季節(jié)的變化。當(dāng)然也可以用同步電機來自動控制太陽能裝置的南北方向的微調(diào)，但那要增加許多成本。
對于太陽能電池板，只需要按照上面三個方面對它進(jìn)行跟蹤、設(shè)置、微調(diào)，就可以使太陽能電池板的板面與太陽光保持垂直關(guān)系，使太陽能電池板的效率始終保持在最好狀態(tài)。
對于太陽能灶，在使拋物面反射鏡跟蹤、設(shè)置、微調(diào)，使拋物面反射鏡的法線與太陽光保持平行的前提下，還要保證在整個過程中，拋物面反射鏡的焦點的空間位置保持穩(wěn)定。這樣才能使太陽光始終聚焦在受熱器(鍋、鍋爐、水壺)的底部，從而獲得穩(wěn)定的、最高的熱效率。
當(dāng)沒有自動跟蹤時，太陽能裝置的受光面只有在中午時分才正對太陽，效率最高。而在其他時間，其受光面的法線與太陽光之間都有一個夾角θ(負(fù)90度到正90度)。此時太陽能裝置利用太陽能的效率是COSθ。每天平均下來，為∫-π/2π/2COSθdθ/π=0.6366.]]>即每天平均只能利用太陽能的不到64％！利用自動跟蹤裝置，使太陽能裝置的受光面全天都對準(zhǔn)太陽，效率始終是1，所以，全天平均效率提高36％！
本實用新型的基本技術(shù)方案包括太陽能收集裝置〔1〕，緯度設(shè)置基座〔2〕，自動跟蹤平臺〔3〕，交流同步電機〔4〕，減速齒輪箱〔5〕以及通過自動跟蹤平臺的主軸〔6〕和副軸〔7〕，在使用聚焦型太陽能收集裝置時，還有一對用于平衡太陽能收集裝置〔1〕的重量的重錘〔8〕，聚焦型太陽能收集裝置的焦點F設(shè)計在這個平臺的中間。
使用本實用新型，不再需要每天用人工對太陽能收集裝置進(jìn)行復(fù)位，使其重新對準(zhǔn)太陽；也不需要用人工方法每天提升重錘，以使太陽能收集裝置獲得轉(zhuǎn)動的動力(見專利《自動跟蹤太陽的太陽能裝置》)，更加方便適用，成本更低。
以下通過一個實施例來具體描述本實用新型。


圖1所示為本實用新型的一個實施例。
圖中，〔1〕是太陽能收集裝置。在本實施例中，它是一個拋物面反射鏡。它被用三條鋼筋連接到通過拋物面反射鏡的焦點F的副軸〔7〕上。〔2〕是緯度設(shè)置基座，它的南北傾角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥纫恢?。?〕是自動跟蹤平臺。拋物面反射鏡的焦點F就在這個平臺上。〔4〕是交流同步電機。〔5〕是減速齒輪箱。用它們來帶動并自動控制太陽能收集裝置〔1〕的東西方向的轉(zhuǎn)動，使之與太陽的轉(zhuǎn)動同步，實現(xiàn)對太陽在東西方向上的自動跟蹤?！?〕是東西方向旋轉(zhuǎn)的主軸。它在同步電機和減速齒輪箱的帶動與控制下，帶動自動跟蹤平臺〔3〕和太陽能收集裝置〔1〕作東西方向與太陽轉(zhuǎn)速同步的勻速旋轉(zhuǎn)。〔7〕是南北方向旋轉(zhuǎn)的副軸。通過它來微調(diào)太陽能收集裝置〔1〕在南北方向上傾角，以適應(yīng)不同季節(jié)太陽在南北方向上傾角的變化。主軸〔6〕和副軸〔7〕都通過太陽能收集裝置〔1〕的焦點F(在自動跟蹤平臺〔3〕上)。因此，無論太陽能收集裝置〔1〕是圍繞主軸〔6〕作東西方向的旋轉(zhuǎn)或者是圍繞副軸〔7〕作南北方向上的微調(diào)，它都會聚焦在F上。由于太陽能收集裝置〔1〕離主軸〔6〕和副軸〔7〕都有一定的距離，兩條軸的轉(zhuǎn)動都會需要克服一定的力矩(太陽能收集裝置〔1〕的質(zhì)量乘以它到軸的距離)。為了減小同步電機的功率，需要平衡這個力矩。它由平衡錘〔8〕來完成。由于有了這個平衡錘，同步電機在帶動太陽能收集裝置〔1〕旋轉(zhuǎn)時，僅需要克服系統(tǒng)的摩擦力即可。因此，只需要3-4瓦的微電機即能滿足要求。
權(quán)利要求1.一種用同步電機自動跟蹤太陽的太陽能裝置，其特征在于它包括太陽能收集裝置〔1〕，緯度設(shè)置基座〔2〕，自動跟蹤平臺〔3〕，微型交流同步電機〔4〕，減速齒輪箱〔5〕，通過自動跟蹤平臺、與基座〔2〕機械連接的主軸〔6〕，通過自動跟蹤平臺、與太陽能收集裝置機械連接且與主軸〔6〕垂直的副軸〔7〕，以及在聚焦型太陽能裝置中為平衡拋物面反射鏡的力矩而設(shè)置的平衡錘〔8〕；其中緯度設(shè)置基座〔2〕的南北傾角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥认嗟?；太陽能收集裝置〔1〕圍繞主軸〔6〕作東西方向與太陽同步的旋轉(zhuǎn)，跟蹤太陽每天在東西方向上的轉(zhuǎn)動；太陽能收集裝置〔1〕又可以圍繞副軸〔7〕作南北方向上的微調(diào)，以適應(yīng)太陽各季度在南北方向上高度的變化。
2.如權(quán)利要求書1所述的一種用同步電機自動跟蹤太陽的太陽能裝置，其特征還在于所述的太陽能收集裝置是用微型交流同步電機〔4〕作動力和控制部件來帶動和控制的，通過減速齒輪箱〔5〕把同步電機〔4〕的轉(zhuǎn)速減至15度/小時，使之與太陽的轉(zhuǎn)動速度同步，減速齒輪箱〔5〕的末級齒輪安裝在與基座〔2〕機械連接的主軸〔6〕，通過它帶動并控制太陽能收集裝置〔1〕對太陽進(jìn)行自動跟蹤。
專利摘要一種用同步電機自動跟蹤太陽的太陽能裝置，包括太陽能收集裝置〔1〕，緯度設(shè)置基座〔2〕，自動跟蹤平臺〔3〕，交流同步電機〔4〕，減速齒輪箱〔5〕以及通過自動跟蹤平臺的主軸〔6〕和副軸〔7〕。其中緯度設(shè)置基座〔2〕的南北傾角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥认嗟?；自動跟蹤平臺〔3〕上有互相垂直的兩根旋轉(zhuǎn)軸與基座〔2〕機械連接的主軸〔6〕(它在同步電機的驅(qū)動和控制下帶動太陽能收集裝置〔1〕作東西方向與太陽同步的轉(zhuǎn)動)和與太陽能收集裝置機械連接的副軸〔7〕，以及在聚焦型太陽能裝置中為平衡拋物面反射鏡的力矩而設(shè)置的重垂(8)。
文檔編號F24J2/38GK2554561SQ01214070
公開日2003年6月4日 申請日期2001年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月6日
發(fā)明者彭炳忠 申請人:彭炳忠