本发明涉及太阳能利用设备技术领域，具体地 说是一种具备双轴跟踪太阳光 功能的自动跟踪太阳光装置。

背景技术

由于化石能源的日益枯竭， 以及其在生产和使用过程中造成的环境污染、 温 室效应等问题越来越严重，使得新能源的开发 和利用已经越来越受各国重视。其 中， 太阳能作为一种高效清洁、 分布广泛、 几乎可以无限利用的新型能源， 吸引 人们对其研发的投入逐渐加大。但是， 目前在太阳能利用方面， 尤其是在光伏发 电领域： 利用率低， 发电成本高昂仍是普遍存在的问题。这主要表 现在以下两个 方面:其一， 由于现在的光伏发电技术所使用的光伏电池主 要采用的是单晶硅和 多晶硅等半导体材料， 其价格昂贵； 其二， 目前高质量的单晶硅电池板， 其光电 转化率也仅能达到 1 7 %左右，且其最长使用寿命只有二十几年，这� �也加大了 太阳能发电的成本， 增加了太阳能发电市场化的难度。 因此， 在想方设法降低电 池板成本、开发利用新的光电转化率更高的电 池板材料的同时，如何提高现有光 伏电池板的单位发电效率， 就成为降低太阳能发电成本的主要途径之一。

现在的太阳能光伏发电系统，大多是将太阳能 电池板固定安装，这样就仅能 保证在每年的某一天的某一时间，太阳光以最 佳角度照射，所以太阳光的利用率 相对较低。 如果使太阳能电池板能始终与太阳光保持最佳 角度或采用聚光技术， 就可以用同样面积的电池板原件， 获得更多的电能， 这一切都需要一种成熟、可 靠的太阳光跟踪技术。据研究，采用跟踪技术 比固定安装的太阳能电池板发电量 因不同地区光照条件不同， 可以提高 30% - 50%以上。 但是现有的太阳光跟踪 技术大都因为结构复杂等原因导致成本偏高， 甚至超过发电装置总投资的 3 0 % , 而且跟踪本身要有电能损耗， 占用的土地也比固定安装时多， 设备的养护、 维修又需要额外增加技术人员， 装置运行风险也大于固定安装等等； 同时， 为了 降低跟踪成本， 生产厂家现在将跟踪装置造的越来越大， 这又产生了风阻加大、 安装维护难度增加、对道路和地基要求提高等 一系列问题，使得跟踪技术；^生的 效果的吸引力大大降低， 阻碍了太阳光跟踪技术的商业化发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备双轴跟踪能力的 自动跟踪太阳光装置，同时具 有结构牢靠、 低成本、 低功耗、 运行可靠和便于日常维护的特点。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是: 该自动跟踪太阳光装置， 包括 太阳能电池板固定架、 支撑架、 俯仰角跟踪构件和左右角跟踪构件， 其特征是， 所述的太阳能电池板固定架通过三维活节与支 撑架连接，所述的三维活节包 括呈十字状布置的俯仰角旋转支撑轴和左右角 旋转支撑轴，所述的三维活节通过 俯仰角旋转支撑轴与支撑架铰接连接；所述的 三维活节通过左右角旋转支撑轴与 太阳能电池板固定架铰接连接；

一刚性支架铰接在太阳能电池板固定架上或固 定连接在三维活节的左右角 旋转支撑轴上，所述的刚性支架只能随太阳能 电池板固定架的俯仰角进行同步转 动；

所述的俯仰角跟踪构件至少包括可以使太阳能 电池板固定架依托所述三维 活节的俯仰角旋转支撑轴进行转动的第一传动 部件和用于调节第一传动部件位 置的第一驱动装置， 所述第一驱动装置设置在支撑架上；

所述的左右角跟踪构件至少包括可以使太阳能 电池板固定架绕所述三维活 节的左右角旋转支撑轴进行转动的第二传动部 件和用于驱动第二传动部件动作 的第二驱动装置， 所述第二驱动装置固定在刚性支架上。

所述第二传动部件为其上设有传动构造的刚性 半圆弧体，所述的刚性半圆弧 体两端固定连接在太阳能电池板固定架上， 第二驱动装置驱动刚性半圆弧体转 动。

进一步地， 所述的刚性半圆弧体上具有齿状的传动构造， 所述第二驱动装置 包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速 器的输出轴上安装与齿状的传动构 造相啮合的齿轮。

进一步地， 所述刚性半圆弧体上具有链槽状的传动构造， 所述第二驱动装 置包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减 速器的输出轴上安装与链槽状的传 动构造相配合的链轮。.

所述第二传动部件为包括第一传动绳和第二传 动绳在内的绳状体， 所述第 二驱动装置包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗 轮蜗杆减速器的输出轴上安装可以 和绳状体相配合的绳轮， 所述绳轮为中间直径小、两端直径大的柱状， 且在绳轮 柱面上设有两个关于绳轮中间断面对称的第一 螺旋导向槽和第二螺旋导向槽；所 述的第一传动绳和第二传动绳分别设置在第一 螺旋导向槽和第二螺旋导向槽内， 其一端固定在相应的螺旋导向槽内，另一端连 接在太阳能电池板固定架上，二者 之间为收放关系， 在绳轮旋转时， 两根传动绳一收一放， 且收放量不同， 可以有 效吸收两传动绳直线收放两不同的量。

所述第一传动部件的一端连接在太阳能电池板 固定架上，另一端连接在刚性 支架上。 .

进一步地，所述的第一传动部件为包括第三传 动绳和第四传动绳在内的绳状 体，所述第一驱动装置包括电机和蜗轮蜗杆减 速器，在蜗轮蜗杆减速器的输出轴 上安装与绳状体相配合的绳轮， 所述绳轮为中间直径小、两端直径大的柱状， 且 在绳轮柱面上设有两个关于绳轮中间断面对称 的第三螺旋导向槽和第四螺旋导 向槽；所述的第三传动绳和第四传动绳分别设 置在第三螺旋导向槽和第四螺旋导 向槽内'，其一端固定在对应的螺旋导向槽内� �另一端分别连接在太阳能电池板固 定架和刚性支架上， 二者之间为收放关系。

进一步地，所述的第一传动部件为刚性弧体， 所述的刚性弧体上具有齿状的 传动结构，所述第一驱动装置包括电机和蜗轮 蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器的 输出轴上安装与齿状的传动构造相配合的齿轮 。

进一步地， 所述的第一传动部件为刚性弧体， 所述刚性弧体上具有链槽状 的传动构造，所述第一驱动装置包括电机和蜗 轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器 的输出轴上安装与链槽状的传动构造相配合的 链轮。

进一步地，所述的第一传动部件为刚性弧体， 所述的刚性弧体上具有槽状或 孔状的定位结构，所述的第一驱动装置包括固 定在支撑架上的固定孔和可以穿插 在固定孔和刚性弧体之间的定位销。 所述的第一传动部件为电动直线推杆或液压直 线推杆，其一端铰接在支撑架 上， 另一端铰接在太阳能电池板固定架上或刚性支 架上。

所述第一传动部件为刚性弧体，其一端或连接 在刚性支架上、或铰接在太阳 能电池板固定架上，而另一端连接在支撑架上 ；所述的刚性弧体上具有槽状或孔 状的定位结构，所述的第一驱动装置包括固定 在支撑架上的固定孔和可以穿插在 固定孔和刚性弧体之间的定位销。

本发明的有益效果是：

1 ) 本装置结构简单合理、 力学性能好、 结构牢靠， 且组合方式灵活， 易于 实现规模化生产。

2) 结构合理， 使装置对驱动动力的要求大大降低， 配合定时运行控制程序 以及利用涡轮蜗杆的自锁特性， 大幅度降低了装置自身的运转能耗。

3) 通过俯仰角跟踪构件和左右角跟踪构件的协同 运转， 简化了装置的控制 程序， 利用开环控制系统即可实现精确追踪的目的； 降低了控制系统的成本， 同 时减少了故障的几率， 便于安装和日常维护。

4) 适用范围广， 使大、 小面板的跟踪都能产生可观的经济效益。

5)本装置解决了回归线以内太阳光直射点南北� ��侧摆动问题，使用范围广。 附图说明

图 1 为实施例一的结构图；

图 2 为实施例一的部分构件示意图;

图 3 为三维活节的多种形式示意图;

图 4 为太阳能电池板 装示意图；

' 图 5 为实施例二的结构图；

图 6 为实施例三的结构图；

图 7 为绳轮的结构图；

图 8 为实施例四的结构图；

图 9 为实施例五的结构图；

图 10 为实施例六的结构图; 图 11为实施例七的结构图；

图中： 1太阳能电池板固定架， 11太阳能电池板， 2支撑架， 3三维活节， 31俯仰角旋转支撑轴， 32左右角旋转支撑轴， 41第三传动绳， 42第四传动绳， 43刚性弧体， 44定位孔， 45定位销， 46直线推杆， 51刚性支架， 5 刚性支 架， 61第一齿轮， 62第二齿轮， 7刚性半圆弧体， 71第一传动绳， 72第二传 动绳， 81第一驱动装置， 82第二驱动装置， 9绳轮， 91第三螺旋导向槽， 92 第四螺旋导向槽。

具体实施方式 '

该种自动跟踪太阳光装置， 包括太阳能电池板固定架 1、 支撑架 2、 俯仰角 跟踪构件和左右角跟踪构件。

实施例一

如图 1〜图 4所示， 为便于叙述， 首先将与太阳能电池板固定架 1所在平面 平行且沿太阳日运行轨迹的方向定义为 Y方向，将与太阳能电池板固定架 1所在 平面平行且沿太阳年运行轨迹的方向定义为 Z方向，则与 YZ平面垂直且朝向太阳 能电池板固定架 1背面的方向为 X方向。

如图 4所示，太阳能电池板固定架 1为焯接式框架结构（或铝型材组合式框 架结构）， 用于固定太阳能电池板 11。 根据使用地区纬度的不同， 太阳能电池板 固定架 1与太阳能电池板 11之间可以平行安装， 也可以相互成一定倾斜角度安 装。

支撑架 2为焊接而成的人字状钢结构，支撑架下端通� �紧固螺栓固定到地基 上， 支撑架 2上端通过三维活节 3连接太阳能电池板固定架 1。

如图 3所示， 三维活节 3包括呈十字状布置的俯仰角旋转支撑轴 31和左右 角旋转支撑轴 32， 两轴的存在形式多样。 根据两轴是否在同一平面上， 可以分 为交叉十字轴（两轴不在同一平面上）和相交 十字轴（两轴在同一平面上）两种 基本形式。

交叉十字轴有两种具体存在形式，一是两轴通 过焊接形成一体，如图 3中的 A所示； 另一种是俯仰角旋转支撑轴 31穿过左右角旋转支撑轴 32， 且俯仰角旋 转支撑轴 31可以相对左右角旋转支撑轴 32旋转， 形成活结情况。 相交十字轴有两种存在形式，一是两轴都焊接 在连接块上，且两轴不在同一 平面上， 如图 3中的 B所示； 另一情况是， 一根轴悍接在连接块上， 另一根轴穿 设在连接块上的通孔内， 形成图 3中的 C所示情形。

上述几种情况都可以实现太阳能电池板固定架 1 分别绕左右角旋转支撑轴 32和俯仰角旋转支撑轴 31旋转的功能。三维活节 3设置在太阳能电池板固定架 1的重心点上， 以达到合理分配太阳能电池板 11和太阳能电池板固定架 1的重 力， 是主要受力点。

俯仰角跟踪构件包括：第一传动部件， 该传动部件优选设有传动构造的刚性 的圆弧 ^的弧体,标记为刚性弧体 43。 刚性弧体 43—端铰接在太阳能电池板固 定架 1的背面，最佳地，其铰接点应位于三维活节 3的左右角旋转支撑轴向下的 延长线上，另一端通过悍接或栓接固定在刚性 支架 51的自由端，所以刚性弧体、 刚性支架、 左右角旋转支撑轴连成一体且位于同一平面内 。 刚性支架 51为一个 H型杆架， 焊接在三维活节 3的左右角旋转支撑轴上， 只能随太阳能电池板固定 架 1的俯仰角进行同步转动，不随太阳能电池板� �定架 1左右转动。第一驱动装 置 81固定安装在支撑架 2上，该驱动装置优选同步电机并配以蜗轮蜗� �减速器。 蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装齿轮， 此处标记为第一齿轮 61， 该第一齿轮 61 与刚性弧体 43上的齿相啮合， 第一齿轮 61控制刚性弧体 43的运转， 带动太阳 能电池板固定架 1以三维活节的俯仰角旋转支撑轴 31为中心进行转动， 可以起 到调整俯仰角的目的。

为保证跟踪准确， 控制程序设置简单合理， 刚性弧体 43上的齿按照与 180° 成合理的比例设置，其所形成的扇面与地平面 沿地球经线方向垂直， 并与刚性半 圆弧体 7所在的扇面垂直。

左右角跟踪构件包括一个设有传动构造的半圆 状的刚性半圆弧体 7， 该传动 构造是根据太阳日角度变化数据按比例设在刚 性半圆弧体上的齿， 形成大齿圈 状。该刚性半圆弧体 7两端通过螺栓固定或焊接在太阳能电池板固� �架 1上，最 佳地，两固定点位于三维活节的俯仰角旋转支 撑轴的虚拟延长线上，用于控制太 阳能电池板固定架绕三维活节的左右角旋转支 撑轴进行转动。 第二驱动装置 82 优选同步电机并配以蜗轮蜗杆减速器； 它固定安装在刚性支架 51的自由端， 并 在蜗轮蜗杆减速器输出轴上安装齿轮， 此处标记为第二齿轮 62， 第二齿轮与刚 性半圆弧体 7相啮合，控制刚性半圆弧体 7的运转，进而实现控制太阳能电池板 固定架 1调整左右角的目的。

因为每年春分后至秋分前地球上大多数地区太 阳初升时（或日落时）存在一 定偏北角度 （以北半球为例）， 所以将支撑架 2根据使用地区纬度不同， 倾斜一 定角度呈人字形安装， 或者将太阳能电池板固定架 1上的太阳能电池板 11， 分 组按照一定倾斜角度安装，就可以将太阳能电 池板固定架 1的初始启动位置扩展 到东偏北的角度。

为保证跟踪准确， 简化控制程序， 刚性半圆弧体 7其所在的扇面与太阳能电 池板固定架 1所在面垂直。

控制第一驱动装置 81和第二驱动装置 82运转的程序控制箱可以安装在支撑 架 2上， 也可以采用中心控制系统。 电机运转控制程序按照天文常数设定， 通过 设定合理的程序， 两驱动装置协同工作， 模拟太阳日运行轨迹， 使设备具备双轴 精确追踪太阳的功能。

具体为： 早上日出前， 自动跟踪太阳光装置处于初始状态， 正对日出方位； 从早上日出后的初始状态开始，程序控制第二 驱动装置工作，进而通过第二 传动部件带动太阳能电池板固定架在左右角方 、向上转动，直至日落前设定时分停 止； 同时， 程序控制第一驱动装置工作， 进而通过第一传动部件带动太阳能电池 板固定架按程序设定的角度进行运转，直至中 午时分达到太阳当天最大高度角的 对应点后， 第一驱动装置在程序的控制下按反向回转到设 定角度， （这样就将复 杂的天文计算，简化为由刚性弧体 43和刚性半圆弧体 72两个垂直交叉的传动部 件之间，通过左右角按规定时间旋转规定度数 所对应的齿数和俯仰角每规定时间 旋转规定度数所对应的齿数， 协调运转， 来实现坐标点的对应）。 实现在俯仰角 方向上的修正， 保证太阳能电池板 11始终与太阳光保持垂直。

两个驱动装置协同运行，直至下午日落前规定 的时间停止运转，最后程序控 制自动跟踪太阳光装置返回至早上的初始状态 。

当风力达到设定级别时，程序控制太阳能电池 板固定架处于水平状态， 为避 风状态； 降雪时， 程序控制太阳能电池板固定架处于竖直， 为避雪状态。

此运转方式其优点是跟踪准确，最大限度地减 少光的折射损耗，尤其适合于 对跟踪准确度要求较高的聚光式太阳能发电装 置， 实现了对太阳光的准确跟踪。 同时，分组按照一定倾斜角度安装的太阳能电 池板，也起到了减小风阻的有效效 果。 缺点是两个驱动装置都必须适时工作， 装置本身电能消耗较多。

实施例二

如图 5所示， 与实施例一不同之处在于： 刚性弧体 43上具有孔状的定位结 构， 该定位结构为均布在刚性弧体上的定位孔 44阵列， 使之具备角度调节并固 定的功能。 支撑架 2上靠近刚性弧体处设有与定位孔 44对应的固定孔。 一根定 位销 45 (圆销）可以插设在定位孔 44和固定孔之间， 可以将刚性弧体和支撑架 锁定在一起。组成了一个简易的手工控制的第 一驱动装置，从而实现手动调节俯 仰角的目的。

左右角跟踪构件与实施例一相同。

该种方式可以实现单轴自动跟踪太阳光的目的 ，而俯仰角的调整需要借助人 工进行间隔调整。 其中， 第二传动部件按规定时间旋转规定度数所对应 的齿数， 带动太阳能电池板固定架 1跟踪太阳每天中的位置变化，直至下午日落� �规定的 时间停止运转，最后返回至早上时的初始状态 。而俯仰角由人工按照太阳一年中 的高度角变化每固定天数加以调整，可以将实 施例一中的同步电机省略， 改用定 位销 45锁定。 因装置自身的重力平衡设计， 再加刚性支架 51的杠杆作用， 该工 作简单易行，通过安装在支撑架上的手动定位 装置锁定，实现调节俯仰角的目的， 具备单轴自动跟踪太阳的功能。 其优点是减少了成本， 降低了跟踪的电能消耗， 驱动程序也仅仅需要控制左 右角规律旋转即可， 做到了最简单化， 成本也大大降低； 缺点是需要人工调节俯 仰角， 而且存在一定的跟踪误差（全年平均低于 5%)， 不能达到最大限度利用太 阳能的目的。

实施例三

如图 6、 图 7所示， 与实施例一不同之处在于： 第一传动部件为绳状体的传 动绳， 包括第三传动绳 41和第四传动绳 42。

所述第一驱动装置包括电机和蜗轮蜗杆减速器 ，在蜗轮蜗杆减速器的输出轴 上安装与传动绳相配合的绳轮 9， 该绳轮 9为中间直径小、 两端直径大的柱状， 且直径自中间向两侧渐变。在绳轮柱面上设有 两个关于绳轮中间断面对称的第三 螺旋导向槽 91和第四螺旋导向槽 92， 两螺旋导向槽的旋向相反， 两导向槽的深 度根据传动绳缠绕的需要进行设计。第三传动 绳 41和第四传动绳 42分别设置在 第三螺旋导向槽和第四螺旋导向槽内， 其中， 第三传动绳 41的一端固定在第三 螺旋导向槽 91右侧， 另一端连接在太阳能电池板固定架 1 上； 第四传动绳 42 一端固定在第四螺旋导向槽 92右侧， 另一端连接在刚性支架 51上。当绳轮旋转 时， 第三传动绳收绳， 第四传动绳放绳， 二者之间为收放关系， 反之亦然。 通过 设置合理的螺旋导向槽参数， 可以保证平稳调节俯仰角。

实施例四

如图 8所示， 与实施例一不同之处在于：所述的俯仰角跟踪 构件是一个两端 分别铰接在刚性支架 51和支撑架 2上的直线推杆 46， 该直线推杆由电机驱动螺 杆伸缩， 控制太阳能电池板固定架 1绕俯仰角旋转支撑轴 31旋转相应角度。

同理， 液压直线推杆和气压直线推杆可对电动直线推 杆进行等效替换。 实际使用过程中，既可以采用实施例一中俯仰 角跟踪构件与左右角跟踪构件 规律运动相配舍的准确跟踪方式， 但由于直线推杆 46自身的局限性， 使得装置 跟踪的角度会受到一定限制； 也可以采用每隔固定天数由直线推杆 46按照太阳 一年中的高度角变化规律进行角度调节的办法 。

上述直线推杆 46两端分别铰接在太阳能电池板固定架 1和支撑架 2上同样 可以实现调整俯仰角的目的。

实施例五

如图 9所示， 三维活节 3、 太阳能电池板固定架 1、 支撑架 2， 及左右角跟 踪构件与实施例一基本相同， 不同之处在于： 第一传动部件和第二传动部件皆为 带齿状传动构造的刚性的圆弧体， 记为刚性弧体 43和刚性半圆弧体 7， 刚性弧 体 43为四分之一圆弧， 刚性半圆弧体 7为半圆弧。 刚性支架 5 为与刚性弧体 43半径相等的四分之一圆弧， 且两者连接组合成一个半圆弧。 所述的俯仰角跟踪构件包括太阳能电池板固定 架 1、刚性弧体 43、刚性支架 51 '、 支撑架 2、 三维活节 3、 第一驱动装置 81。

刚性弧体 43和弧形的刚性支架 51 ' 连接为一体， 构成整体为 180度的半圆 弧， 其两端沿 Z轴铰接在太阳能电池板固定架 1上， 最佳地， 两铰接点位于三维 活节 3的左右角旋转支撑轴的延长线上。 刚性弧体 43的外沿 （或内沿） 根据太 阳高度角的年变化数据按比例设齿。

安装在支撑架 2上的第一驱动装置 81通过其输出轴上的齿轮， 可以有效驱 动刚性弧体 43运动。通过控制程序，控制刚性弧体 43转动与太阳高度角的年变 化所对应的齿数，带动太阳能电池板固定架 1旋转相对应的角度数， 以达到跟踪 太阳年角度变化的目的。

本实施例中的刚性半圆弧体上的传动构造可用 链槽链轮传动构造、摩擦轮传 动构造替代齿轮传动， 能取得相同的传动效果。

实施例六

如图 10所示， 与实施例五不同之处在于： 第二驱动装置 82落在支撑架 2 的内部， 使第二驱动装置 82的运行区间在支撑架 2上端的开角内部。

所述支撑架 2整体为上部有开角的 "A"状框架结构， 固定安装在基座上。 当本装置工作环境在低纬度地区（南北回归线 之间）时， 太阳的直射点会越 过天顶，太阳能电池板固定架 1的仰角有时将超过 180度， 为防止支撑架 2阻碍 安装在刚性支架 51上的第二驱动装置 82的移动，从而影响到太阳能电池板固定 架 1的运转范围， 因此支撑架 2上部要设计成开角式结构， 有效开角应大于 46 ° 52 ' ， 使太阳能电池板固定架 1能准确跟踪赤道附近太阳年高度角南北 23. 5 度的变化。

实施例七

如图 11所示， 三维活节、 太阳能电池板固定架、 支撑架、 刚性支架与实施 例一基本相同。 且俯仰角跟踪构件与实施例三基本相同。

不同之处在于，第二传动部件为包括第一传动 绳 71和第二传动绳 72在内的 绳状体， 第二驱动装置 82包括电机和蜗轮蜗杆减速器， 在蜗轮蜗杆减速器的输 出轴上安装可以和传动绳相配合的绳轮， 该绳轮与实施例三中的的绳轮结构相 同， 同样为中间直径小、两端直径大的柱状， 且在绳轮柱面上设有两个关于绳轮 中间断面对称的第一螺旋导向槽和第二螺旋导 向槽； 第一传动绳 71和第二传动 绳 72分别设置在第一螺旋导向槽和第二螺旋导向� ��内， 其一端固定在相应的螺 旋导向槽内， 另一端连接在太阳能电池板固定架 1上， 二者之间为收放关系。可 以有效吸收直线和圆弧关系产生的余量， 进而实现控制太阳能电池板固定架 1 调整左右角的目的。

以上各实施例可以在不同环境条件下相互结合 使用。

在大型光伏电站系统实施中， 本发明可将控制箱改为由总控制中心集中控 制， 以实现光感应跟踪， 抗风防雪功能等多种控制方式， 而装置自身设计即具有 良好的防沙、 防锈功能。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施 方式进行描述，并非对本发明 的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的 前提下，本领域相关技术人员对本 发明的各种变形和改进， 均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围 内。