本发明属于太阳能光伏发电和太阳能光热利用 领域， 特别涉及一种混 合式单轴太阳能跟踪装置。 背景技术 太阳能作为一种可持续利用的清洁能源， 是理想的可再生能源。 由于 太阳能量密度低， 能量接收连续性差， 随季节、 昼夜、 气候条件的变化而 变化， 目前的应用主要集中在太阳能热水器和太阳暧 房等能量密度要求不 高， 采光时间不连续， 用户分散的领域。 大力发展太阳能光伏发电和热发 电是节约矿石能源， 降低二氧化碳排放， 确保能源安全， 实现可持续发展 的有效途径。

制约太阳能光伏发电的主要因素是光电转换成 本高， 发电量波动大， 不适合于远距离输送。 在相同天气状况下， 采用太阳能跟踪技术使太阳电 池始终垂直于太阳光线， 有利于提高太阳能的利用率， 在延长发电时间的 同时增加发电量， 既能降低太阳能光伏发电成本， 又能在一定程度上减少 对电网波动的影响。 鉴于以上原因， 太阳能跟踪技术受到了人们的高度重 视。

根据控制部件中控制信号产生的方式广义上可 将跟踪技术分为主动 式、 被动式和混合式三类。 根据转动调级部件中所含转动轴的个数通常将 跟踪技术分为单轴跟踪和双轴跟踪。 将以上两种分类组合后， 太阳能跟踪 技术可分为主动式单轴跟踪、 主动式双轴跟踪、 被动式单轴跟踪、 被动式 双轴跟踪、 混合式单轴跟踪和混合式双轴跟踪。

目前现有技术存在的普遍问题在于： 跟踪设备驱动、 运行能耗高， 跟 踪设备稳定性能差， 跟踪设备制造成本高。 分析其主要原因在于跟踪设备 的中心支撑柱同时承担了以下三个功能： 全部重力支撑、 转动中心、 跟踪 驱动力的反作用力的受力点， 甚至本身就是跟踪驱动力的受力点。 因此， 目前太阳能跟踪技术在太阳能利用中的发展受 到限制。 发明内容 针对上述背景技术存在的缺陷或不足， 本发明的目的在于利用杠杆原 理、 三点定位或点线定位、 中日坐标原点定位计时和一维驱动方式提供一 种结构简单、 稳定性好、 能够便捷精确控制的低耗能侧拉式太阳能自动 跟 踪装置。

为了实现上述任务， 本发明采取如下的技术解决方案予以实现： 一种侧拉式太阳能自动跟踪装置， 包括光强信号采集器、 阳光采集器 固定架， 主支撑柱、 副支撑柱、 升降杆、 套管、 蜗轮蜗杆传动机构、 步进 电机、 控制器、 基座和油池， 主支撑柱和副支撑柱的上端分别与阳光采集 器固定架的南北方向转轴固结， 主支撑柱和副支撑柱下端通过基座与地面 固结， 阳光采集器固定架的上端面安装有光强信号采 集器， 在阳光采集器 固定架南北方向转轴的一侧至阳光采集器固定 架南北轴向的边沿处之间设 置有升降杆， 升降杆与阳光采集器固定架下端面固结， 升降杆与蜗轮蜗杆 机构中的涡轮同轴配置并穿过涡轮中心， 其中， 位于蜗轮蜗杆机构上方的 升降杆外部设置有可伸缩套筒将升降杆封闭在 套筒内， 位于蜗轮蜗杆机构 下方的升降杆置于油池中， 蜗轮蜗杆机构的下端面通过基座与地面固结， 在蜗轮蜗杆机构的外侧安装有步进电机， 步进电机通过电源及控制信号电 缆与控制器连接。

本发明还具有以下其他技术特点： 主支撑柱和副支撑柱的上端分别通过关节轴承 和压力轴承与阳光采集 器固定架的南北方向转轴固结， 升降杆通过推力轴承和关节轴承与阳光采 集器固定架下端面固结， 使得阳光采集器固定架与主支撑柱、 副支撑柱和 升降杆形成三点式或点线式固结结构。

所述的升降杆的上端与阳光采集器固定架下端 面固结， 升降杆摆动过 程中的唯一不动点是升降杆穿过蜗轮蜗杆机构 时， 与轮蜗杆机构的下端面 和基座的交叉点， 该交叉点直接与地面固接。

升降杆外表面设置有与蜗轮蜗杆机构涡轮中心 的内螺紋相配合的外螺 紋， 用于承担蜗轮蜗杆机构的力矩输出； 位于蜗轮蜗杆机构上方的升降杆 外部设置的可伸缩套筒由半径从上到下依次减 小的外套筒、 中套筒和内套 筒组成， 其中， 中套筒根据用户的要求设置成一节或多节。 套筒上端设有 固结法兰， 套筒下端设有固结法兰。

所述的蜗轮蜗杆传动机构的下端面通过双球面 关节轴承固结于基座 上， 升降杆穿过双球面关节轴承中心， 所述的双球面关节轴承能够随升降 杆在水平面内任意摆动。

所述的涡轮蜗杆传动机构包括齿轮组、 涡轮蜗杆系统， 控制器包括微 处理器， 步进电机的驱动力和转速由微处理器中存储的 程序进行控制， 所 述的微处理器中还存储有太阳运行方位信息和 安装地中天对应的当地标准 时间； 在控制器面板上设置有开机、 关机按钮、 防风暴按钮和防冰雹按钮。

光强信号采集器是将太阳的光强信号转变为电 信号， 同时还输出阳光 采集器固定架东西方向的水平信号， 通过控制器控制设备开机、 关机和校 对跟日误差。

本发明的侧拉式太阳能自动跟踪装置与现有技 术相比具有以下技术优 点：

1、 根据杠杆原理， 增加了驱动力臂的长度利用阳光采集器件 （光伏组 件或光热收集器件） 固定架的自然长度作为力臂， 通过改变跟踪设备的整 体机械结构设计有效地降低了跟日的驱动力， 从而降低了跟日能耗。

2、 阳光采集器固定架采用三点式或点线式刚性固 结， 通过采用几何原 理有效提高了设备的稳定性和抗风暴能力。

3、 采用中天坐标零点定位， 提高了时序的对称性， 避免日出方位的变 化引起的零点偏移， 提高了跟日的稳定性和跟日精度。

4、 利用步进电机的转数描述太阳即时位置， 便于精确定位。

5、 阴雨天自动停止跟日， 节约能源。

6、 采用主动与被动相结合的混合式控制， 提高了跟日精度。

7、 每两块组件之间留有通风道。

8、 风暴天气时阳光采集器固定架处在中日位置， 有利于减小风暴的阻 力， 提高抗风暴能力。

9、 设有手动和中央控制室控制功能， 在出现冰雹时， 可以让阳光采集 器固定架与铅垂方向夹角最小， 以提高抗冰雹能力。

10、 所有程序控制参数均具有可调性， 以满足该设备安装地的地理坐 标和气象条件。

11、根据流体力学原理， 本跟踪设备的阳光采集器固定架东西宽度在 2 米左右， 可以拖动的光伏组件大小适宜， 既能躲避高空强风暴， 又能有效 降低成本。 附图说明 图 1为本发明的跟踪装置处于中日和停机状态的� �构原理示意图。 图 2 为本发明跟踪装置处于中天之前某一时刻运行 状态结构原理示意 图。

图 3 为本发明跟踪装置处于中天之后某一时刻运行 状态结构原理示意 图。

图 4为本发明的跟踪装置中升降杆外部密封套筒� �构示意图。

图 5 为本发明的阳光采集器固定架南北极轴方位示 意图。

图 6为本发明的跟踪装置中推力轴承和关节轴承� �合结构示意图。 图 7为本发明的跟踪装置中双球面关节轴承结构� �意图。

附图标记说明

1光强信号采集器、 2阳光采集器固定架、 3南北向转轴、 4主支撑柱、 5套同、 6升降杆、 7蜗轮蜗杆传动机构、 8控制器、 9电源及控制信号电缆、 10油池、 11基座、 12步进电机、 13副支撑柱、 14升降杆上端与关节轴承 连接外螺紋、 15套筒上端固结法兰、 16上套筒， 17中套筒、 18下套筒、 19套筒下端固结法兰、 20阳光采集器固定架南北向转轴， 其中箭头代表极 轴的方向、 21推力轴承、 22关节轴承、 23升降杆通孔、 24双球面轴承、 25连接法兰。 具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术内容作进一步详 细说明。 应当理解的是， 此处所描述的具体方式仅用于说明和解释本发 明， 并不限制本发明。

参见图 1一图 5， 本发明的侧拉式太阳能自动跟踪装置， 包括光强信号 采集器 1、 阳光采集器固定架 2， 主支撑柱 4、 副支撑柱 13、 升降杆 6、 套 管 5、 蜗轮蜗杆传动机构 7、 步进电机 12、 控制器 8、 基座 11和油池 10， 固定在地面上的主支撑柱 4、 副支撑柱 13的顶部分别通过关节轴承和压力 轴承共同固定在阳光采集器固定架 2的南北向转轴 3上， 确保南北向转轴 在跟踪过程中固定不变。 本发明的副支撑柱 13也可以略去， 此种情况下主 支撑柱 4的上端通过关节轴承和推力轴承与阳光采集� �固定架 2的中心点 固结。阳光采集器固定架 2的上端面安装有光强信号采集器 1。在阳光采集 器固定架 2南北方向转轴 3的一侧至阳光采集器固定架 2南北轴向的边沿 处之间设置有升降杆 6，阳光采集器固定架 2在升降杆 6的推拉作用下只能 绕南北向转轴转动， 从而实现阳光采集器固定架 2及其与它固定的光伏组 件或集热器对太阳能方位角的跟踪。如果在低 纬度地区， 主支撑柱 4、 副支 撑柱 13和升降杆 6上端连接的推力轴承也可以省去。光强信号� �集器 1还 具有沿阳光采集器固定架 2东西方向方位角的跟踪过程中的水平信号采� � 功能， 该功能也可以用一个水平信号传感器单独实现 。 光强信号采集器 1 通过电缆将采集到的有关信号传输到控制器 8 中进行信号处理和输出。 阳 光采集器固定架 2的材质和形状、 尺寸可根据用户要求进行设计。

升降杆 6通过推力轴承 21和关节轴承 22与阳光采集器固定架 2下端 面固结。升降杆 6摆动过程中的唯一交叉点是升降杆 6穿过蜗轮蜗杆机构 7 时， 与轮蜗杆机构 7的下端面和基座 11的交汇点处， 该交叉点通过基座直 接与地面固结， 实现对传统跟踪装置中心柱或者基座多重功能 分解。 本发 明巧妙地将跟踪驱动力的支撑点通过升降杆 6从中心支撑柱上分离出来， 对传统的中心柱或者基座功能进行分解， 保留跟踪装置转动中心和部分重 力支撑功能， 把跟踪驱动力作用和部分重力支撑从中心柱或 者基座中实现 分离。

与此同时， 本发明利用物理学中的杠杆原理， 利用阳光采集器托架 2 的固有几何线度， 将跟踪驱动力从中心转轴上移到转轴和外廓线 之间的合 适位置， 移到了远离中心主支撑柱 4的一侧， 通过升降杆 6作用到阳光采 集器固定架 2的一侧， 相对于南北向转轴 3来说， 满足增加了驱动力臂的 条件， 从而有效地降低了跟踪驱动力和驱动能耗。

由此可见， 发明利用几何学中一条直线和直线外一个点唯 一决定一个 平面， 或者不在同一直线上的三点可以唯一决定一个 平面的几何原理， 使 阳光采集器托架平面通过一条固定的南北方向 转轴 （直线） 和一个支撑点 (即： 升降杆与阳光采集固定架固结点）， 或者通过三个支撑点 （即： 主、 副支撑柱和升降杆分别与阳光采集固定架固结 点） 使其在跟踪的任意时刻 都被完全确定， 即实现了唯一决定固定的南北极轴 3与升降杆 6上端面的 阳光采集器固定架 2 的运动状态， 即光伏组件的平面位置。 形成三点式或 点线式固结结构， 有效提高了阳光采集器固定架的稳定性， 也为提高抗风 暴能力奠定了基础。

升降杆 6与蜗轮蜗杆机构 7中的涡轮同轴配置并穿过涡轮中心， 升降 杆 6外表面设置有与蜗轮蜗杆机构 7中涡轮中心的内螺紋相配合的外螺紋 14, 以便承担蜗轮蜗杆机构 7的力矩输出。 通过蜗轮中心的升降杆 6可以 随蜗轮蜗杆机构 7—起绕蜗轮蜗杆机构 7底盘固定中心摆动， 以满足阳光 采集器固定架 2在跟踪时间内绕南北转轴 3转动时引起的升降杆 6对铅垂 线的偏离。

其中， 位于蜗轮蜗杆机构 7上方的升降杆 6外部设置有可伸缩套筒 5， 将升降杆 6封闭在套筒 5内， 可伸缩套筒 5由半径从上到下依次减小的上 套筒 16、 中套筒 17和下套筒 18组成， 其中， 中套筒 17根据用户的要求设 置成一节或多节， 套筒 5上端设有固结法兰 15， 套筒 5下端设有固结法兰 19。本发明中升降杆 6外部设置的可伸缩的套筒 5， 其设计主要是为了保护 升降杆不受风吹雨淋和灰尘影响， 由于升降杆 6仅仅承受套筒本身重量， 所以对其材质、 强度没有严格要求。 该伸缩套筒由半径从上到下依次减小 是为了防止雨水下流时流入套筒内部。

位于蜗轮蜗杆机构 7下方的升降杆 6置于油池 10中， 油池 10内填充 的润滑油经过升降杆上下运动和蜗轮齿紋间的 作用润滑升降杆 6。蜗轮蜗杆 传动机构 7的下端面通过双球面轴承 24固结于基座 11和地面上， 油池 10 与蜗轮蜗杆机构下部的双球面轴承 24固结， 升降杆 6穿过双球面轴承 24 中心， 从而实现双球面轴承 24能够随升降杆 6在水平面内任意摆动。 蜗轮蜗杆机构 7包括齿轮组、 涡轮蜗杆系统和与蜗轮固结的力矩输出 齿轮。 位于在蜗轮蜗杆机构 7的外侧安装有步进电机 12， 用于提供蜗轮蜗 杆传动机构 7的动力力矩。 升降杆 6上端与阳光采集器固定架 2的南北方 向转轴 3的一侧至阳光采集器固定架 2南北轴向的边沿处之间位置的确定 受驱动力臂的大小、 步进电机的最佳转速和对应的输出力矩、 驱动能耗、 升降杆的长度和主支撑柱的高度和需要提供的 抗风暴能力等因素影响。 通 常以电机的最佳转速和对应的输出力矩、 驱动能耗、 升降杆的长度为主要 依据权衡决定。

某地太阳能跟踪的最佳仰角是 30° ， 阳光采集器固定架东西方向的宽 度是 2米， 长 3.6m， 拖运光伏组件 940Wp， 跟踪时间为每天 10小时 （即 本发明中提出的中天时序间隔为 -5点~5点， 相当于北京地区的北京时间 7 点~15点）， 主支撑柱在阳光采集器固定架中部固结， 在阳光采集器固定架 东西方向边沿的最大推力要求为 6kg。 因为太阳每小时平均运行角度是 15 ° ， 根据跟踪时间可知， 光伏组件在一天内的转动角度为 150° ， 考虑到跟 踪相对于中天位置对称， 上午和下午分别为 75 ° 。 上午跟踪开始位置决定 升降杆的最大长度： 光伏组件一边长为 lm， 75 ° 的余弦为 0.259m， 因为 1.8sin30° +1.0cos75° =1.159m， 主支撑柱的高度应大于 1.159m， 假设取为 1.30m , 升降杆在蜗轮蜗杆机构下端保留的最小量为 0.15m， 考虑到升降杆 与阳光采集器固定架连接时在外边沿应该留有 足够的余量， 假设这余量为 0.05m ， 则 0.95cos75 ° 为 0.246m ， 升降杆的最大长度应为 1.3+0.246+0.15=1.696 米， 实际取 1.7 米。 升降杆在油池中的最大深度为 ( 0.246 X 2 ) m+0.15m=0.642m。 升降杆采用 T20 X 4 螺紋， 步进电机用 42BYG250型， 额定电流 0.4A, 保持转矩 210mn.m即可满足推力要求。

阳光采集器固定架南北向转轴方位随地理纬度 的变化而变化， 即光伏 组件平面或阳光采集器平面与水平面的夹角 （仰角） 随地理纬度的变化而 变化， 这一夹角的变化可以通过主副支撑柱的高度差 来调节。 对于单轴跟 踪， 当地理位置给定后这个夹角是确定不变的。

步进电机通过电源及控制信号电缆 9与控制器 8相连。 控制器 8包括 微处理器，步进电机 12的驱动力和转速由微处理器中存储的程序进� ��控制， 所述的微处理器中还存储有太阳能运行方位信 息和设备安装地的中天信 息； 在控制器面板上设置有开机、 关机按钮、 防风暴按钮和防冰雹按钮。

需要强调说明的是， 本发明所述的南北向转轴 3必须包含在地球南北 向极轴的铅垂面内。

本发明根据中天位置总是对应于水平位置这一 特征， 引入 "中天定位" 控制， 将零点选在中天， 并用当地时间作为控制时序。 这样光伏组件平面 从中天位置向两边转动过程中完全是对称的， 与现有控制相比， 带来以下 优点：

( 1 ) 增加了光伏组件在运行中的对称性， 按照对称性理论， 可以减少 了 50%的控制变量， 从而简化了控制程序， 提高了控制精度；

( 2 ) 为设备维修提供了一个永恒的参考点， 改变了现有跟踪设备中控 制维修一次， 零点漂移一次的疑难问题；

( 3 ) 将零点选在中天， 当地时就以中天对称， 有效简化控制程序， 提 高控制精度提供了基础。

以下是本发明 "中天定位" 的主控制原理： 由微处理器给出设备安装 的当天中日北京时间， 并定义该时间为当日零点时刻， 即控制程序使用的 时间 （简称控制时间） =设备安装地当时本地区标准时间 （如北京时间）一 设备安装地当天中日对应的本地区标准时间。 根据设定的开机时间对应的 转动角度， 将该角度转化为驱动步进电机快速转动的脉冲 数输出， 使驱动 电机让阳光采集器固定架 2快速转动到开机时正对太阳的位置； 此后微处 理器根据设定的阳光采集器固定架 2与太阳同步转速对应的同步转动脉冲 数输出， 使驱动电机让阳光采集器固定架 2与太阳同步转动跟踪。

控制器 8校正步骤原理如下： 当光强信号采集器 1探测到阳光采集器 固定架 2跟踪滞后时即时向微处理器发出滞后信号， 微处理器给步进电机 12输出快速转动的脉冲， 使阳光采集器固定架 2快速转动到即时正对太阳 的位置； 当阳光采集器固定架 2快速转动到即时正对太阳的位置时， 光强 信号采集器 1告知微处理器， 微处理器给步进电机 12输出与太阳同步转速 对应的同步转动脉冲数输出， 使步进电机 12让阳光采集器固定架 2与太阳 同步转动跟踪。 当光强信号采集器 1探测到阳光采集器固定架 2跟踪超前 时即时向微处理器发出超前信号， 微处理器停止给步进电机输出转动脉冲， 使阳光采集器固定架 2停止转动等待该方位正对太阳的位置； 当阳光采集 器固定架 2正对太阳的位置时， 光强信号采集器告知微处理器， 微处理器 给步进电机 12输出与太阳同步转速对应的同步转动脉冲数� ��出， 使步进电 机 12让阳光采集器固定架 2与太阳同步转动跟踪。

由于阳光采集器固定架 2在绕南北向转轴 3转动的过程中， 阳光采集 器固定架 2上一侧的给定点在水平面上的投影是运动的� � 当跟踪驱动力支 撑点， 即蜗轮蜗杆机构 7底盘固定中心位置选在升降杆 6与阳光采集器固 定架 2接点分别在早上起始跟踪时间和下午结束跟� �时间在地面上的两个 投影点连线上， 并使起始跟踪时间和下午结束跟踪时间时升降 杆与铅垂线 的两个夹角相等。 该位置能确保跟踪装置达到尽可能长的跟踪时 间。

阴晴天判断控制步骤原理如下： 当光强信号采集器 1探测到晴天时， 主控制和校正步骤按上述常规方式进行。 当光强信号采集器 1探测到阴天 时， 主控单元停止向步进电机输出驱动信号， 停止跟踪； 当停止跟踪时间 达到设定时间时， 微处理器驱动步进电机快速转动， 让设备恢复到中日位 置。 以下给出本发明的几个具体实施例：

初始状态： 阳光采集器固定架平面法线正对中日位置（参 见图 1 ); 设备 参数： 夏季跟日时间： -4:00~5:00 (这对应于安装地在北京的北京时间 8:00-17:00)；晴转阴等待时间： 30分钟；抗风能力：设备高度 1.5m处抗 10 级 （28m/s) 风力， 这相当于可抗高空 10m处 12级台风。

实施例 1: 全天晴天， 正常跟日

-4:15：设备自动启动， 由光强信号采集器探测太阳光强是否达到设定 值。 如果没有达到， 设备处于中日位置的等待状态； 如果达到， 设备由中日位 置自动快速转向当日 -4:00所对应方位；

-4:00： 设备自动跟日。在跟日过程中，如果因某种原 因使设备跟日滞后， 当光强信号采集器探测到设备滞后达到设定角 度时， 光强信号采集器发出 校正信号使设备快速转动到达即时跟踪方位； 如果因某种原因使设备跟日 超前， 当光强信号采集器探测到设备超前达到一定角 度时， 光强信号采集 器发出校正信号使设备停止转动， 当设备到达即时跟踪方位时再恢复自动 跟日。

5:00： 设备自动跟日结束， 开始自动返回直到中日位置。

实施例 2: 跟日途中晴变阴雨

天气状况： -3:00开始由晴变阴。

-4:00-3:00： 正常跟日； -3:00： 光强信号采集器探测到阴雨天气信息， 并发出停止跟日信号， 令设备待机， 待机 30分钟内光强信号采集器仍没有 探测到阴变晴的信息后便自动返回中日位置待 机， 5:00待机结束。

实施例 3: 跟日途中晴变阴雨再转晴

天气状况： -3:00开始由晴变阴， 25分钟或 40分钟后转晴。

-2:35： 光强信号采集器探测到阴变晴的信息后， 由于阴变晴的时间不足 30分钟所以设备仍停留在 -3 : 00位置。 或： -2:20: 光强信号采集器探测到阴变晴的信息后， 设备从中日待机状态快 速旋转并校对到 -2:20时的太阳位置， 然后开始跟日。

实施例 4: 跟日途中突遇暴风

天气状况： 3:00突遇暴风。

此种情况分为家用单台设备和光伏电站多台设 备两类情况处理。

对家用单台或几台设备， 由于家庭院落和村庄环境， 通常设备安装地 的风力小于旷野， 此时可不予考虑； 如果家庭院落和村庄内的风力达到 10 级 （28m/s)， 可用启用手动按钮让设备快速返回到中日位置 并停机。

对光伏电站多台设备， 当风力达到 10级 （28m/s ) 时， 中央控制室值 班人员通过抗风暴按钮发出信号使全部跟日设 备快速返回到中日位置并停 实施例 5: 跟日途中突遇暴风后转晴

暴风雨后， 设备处于中日位置， 当光强信号采集器探测到阴变晴的信 息后， 设备从中日待机状态快速旋转并校对到即时的 太阳位置， 然后开始 跟日。

实施例 6: 跟日途中突遇冰雹

对家用单台或几台设备， 当冰雹来临时， 可用手动按钮让设备快速返 回到 -4:00或 5:00位置并停机。

对光伏电站多台设备， 当冰雹来临时， 中央控制室值班人员通过防冰 雹按钮发出信号使全部跟日设备快速返回到 -4:00或 5:00位置并停机。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方 式， 但是， 本发明并不 限于上述实施方式中的具体细节， 在本发明的技术构思范围内， 可以对本 发明的技术方案进行多种简单变型， 这些简单变型均属于本发明的保护范 围。 另外， 需要说明的是， 在上述具体实施方式中所描述的个个具体技术 特征， 在不矛盾的情况下， 可以通过任何合适的方式进行组合。 为了避免 不必要的重复， 本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。 此外， 本发 明的各种不同的实施例的之间也可以进行任意 组合， 只要不违背本发明的 思想， 其同样应当视为本发明所公开的内容。