專利名稱：半自動太陽跟蹤器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域和太陽能利用領(lǐng)域背景技術(shù) 大家都知道，從地面上某一點(diǎn)來觀察太陽，每天早晨太陽從東方升起，經(jīng)過天空，晚間又從西方落下。但是要精確確定它的位置，就必須用兩個角度表示，一個叫太陽高度角，就是從日輪中心到觀測點(diǎn)間所連直線和通過觀測點(diǎn)的水平面之間的夾角。另一個叫太陽方位角，就是從日輪中心到觀測點(diǎn)間所聯(lián)直線在通過觀測點(diǎn)的水平面上的投影和觀測點(diǎn)正南方向之間的夾角。太陽的高度角和方位角在一天之中是在不斷變化的。
從觀察者來看，太陽在天空中運(yùn)行的軌道就可以由太陽高度角和方位角隨時間的變化來表示。這個運(yùn)行軌道又隨季節(jié)的變化而不同。在春、秋分時，太陽從正東升起，在正午時，太陽高度角在一天中最大，然后從正西落下。在夏至?xí)r，太陽從東北方升起，在正午太陽高度角為一年中最大，然后從西北方落下。在冬至?xí)r，太陽從東南方升起，在正午時，太陽高度角為一年中正午時最小的高度角，然后從西南方落下。
地球的自轉(zhuǎn)速度是不均勻的，但波動不大，地球繞軸旋轉(zhuǎn)的角速度卻幾乎是一個常數(shù)，即15度/小時。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明創(chuàng)造所要解決的技術(shù)問題分別是太陽人圓錐理論的創(chuàng)立和以太陽人圓錐理論為指導(dǎo)的、自動地、間斷地、連續(xù)地跟蹤太陽的技術(shù)。我們知道在一天的時間里，地球自轉(zhuǎn)一周，在一年365天的時間里，地球自轉(zhuǎn)365周，恰好圍繞太陽公轉(zhuǎn)一周。地球的公轉(zhuǎn)軌道是橢圓形的，也就是說相對于地球某一點(diǎn)上的觀測者來講，在一年365天里，觀察者與太陽之間的距離，是有很大不同的，但在一天24小時中，其距離卻可近似地看作是相同的，因此我們可以這樣描述，太陽相對于地球上觀察者的運(yùn)動軌跡，在一天24小時中，如果觀察者處在一圓錐的頂點(diǎn)上，那么太陽相對于觀察者的運(yùn)動軌跡便在這一圓錐的底邊線上，為了敘說方便以下我們便把這種形式的圓錐稱為太陽人圓錐。從圖1-1太陽運(yùn)行軌道示意圖中，我們不難看出，對于地球同一地點(diǎn)上的觀察者來說，在一年365天中，這365個太陽人圓錐隨著時間(天)的變化，其圓錐底面是平行的。其中軸線是重疊的，因此，我們有理由通過以下方式按比例地復(fù)制出太陽人圓錐隨時間(天)變化的軌跡。取一圓形底面，過底面中心作垂直于底面的中軸線，如果以這一圓形底面為太陽人圓錐的底面，那么在它的中軸線上我們就很容易找到一年365個太陽人圓錐的相應(yīng)頂點(diǎn)。為了述說方便，我們便把這種形式的中軸線稱為太陽人圓錐軸。
太陽人圓錐軸的軸向角與觀察者所處的地理緯度有關(guān)。以下我們把太陽人圓錐軸與過軸的水平面之間的夾角稱為太陽人圓錐軸向角。越接近赤道地區(qū)，太陽人圓錐軸向角越小，越接近于零度，越接近南北兩極地區(qū)，太陽人圓錐軸向角越大，越接近于90度，太陽人圓錐的軸向角大小大致與觀察者所處的地理緯度相一致。太陽人圓錐的中軸線在垂直于過正東正西線的平面上，同時又與正東正西線垂直。
綜上所述，我們便把太陽相對于地球上觀察者的運(yùn)動軌跡的學(xué)說稱為太陽人圓錐理論。根據(jù)太陽人圓錐理論，我們可以做如下論斷(1)太陽人圓錐的軸向角與觀察者所處的地理緯度有關(guān)，其角度的大小大致相當(dāng)于其所處地理緯度的大小。而與一年四季中時間(天)的變化無關(guān)。(2)太陽人圓錐頂點(diǎn)在太陽人圓錐軸上的相應(yīng)位置與一年四季中時間(天)的變化有關(guān)，越靠近夏天，頂點(diǎn)位置就越近太陽人圓錐底面，越靠近冬天，頂點(diǎn)位置就越遠(yuǎn)離太陽人圓錐底而。(3)相對于一年四季中的某一天來講，太陽人圓錐的軸向角和頂點(diǎn)位置都是一定的，不變的，也就是說在一天中太陽相對于地球上觀察者的運(yùn)動軌跡是可以通過太陽人圓錐機(jī)械地描繪出的，由于地球繞軸旋轉(zhuǎn)的角速度幾乎是一個常數(shù)，即15度/小時。這就為我們機(jī)械地、自動地、勻速地跟蹤太陽提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。
取一杠杠桿，取名為太陽人圓錐杠桿。杠桿的一端與太陽人圓錐頂點(diǎn)間呈具有四個自由度的球與圓柱連接，杠桿的另一端與太陽能集熱器呈固定連接，其中杠桿垂直于太陽能集熱器的集熱面。太陽人圓錐杠桿在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)中的構(gòu)造是聯(lián)接多個機(jī)械部件的機(jī)架，在外形上不可能為一直線性的杠桿，但太陽人圓錐頂點(diǎn)和太陽能集熱器固定點(diǎn)之間的直線，在太陽人圓錐系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，卻必須始終垂直于太陽能集熱器的集熱面。如果杠桿的近太陽能集熱器端可在太陽人圓錐的底邊作15度/小時勻角速度滑動，且滑動接觸面在太陽人圓錐杠桿上的位置始終保持不變。那么，太陽能集熱器的集熱面就可以始終垂直于太陽輻射線。太陽能的利用率就會最大限度地接近太陽常數(shù)。
在現(xiàn)實(shí)生活中，要做到機(jī)械地、自動地、同步地跟蹤太陽、技術(shù)上的要求太過復(fù)雜，不便于推廣，但要做到在某幾個連續(xù)的時間點(diǎn)上，連續(xù)地、同步地跟蹤太陽，技術(shù)上的要求卻很簡單、很易于推廣。比如讓太陽能集熱器的集熱面分別在上午9時、10時、11時、12時，下午1時、2時、3時分別地、連續(xù)地正對太陽輻射一次，即便這樣，其太陽能的利用率也將會大大提高。


圖1-1是太陽運(yùn)行軌道示意圖。
圖1-2是定時栓裝置結(jié)構(gòu)與分布示意圖。
圖1-3是半自動太陽跟蹤器制作示意圖。
1、太陽人圓錐底面 2、太陽人圓錐底邊的滑行軌道，簡稱滑行軌道3、嵌壓裝置4、太陽人圓錐杠桿 5、定時栓6、圓柱螺旋壓縮彈簧A，彈簧的一端固定在定時栓上，另一端固定在太陽人圓錐底面板上，在彈性限度內(nèi)，當(dāng)定時栓由凹入滑行軌道的狀態(tài)被牽拉至凸出狀態(tài)時，其自身被拉長，彈性勢能增加，而在凹入狀態(tài)時，其彈性勢能為零。
7、定時栓起落柄裝置，既具有時間設(shè)定功能又具有牽掛定時栓的作用，可以人工牽拉定時栓由凹入滑行軌道的狀態(tài)變?yōu)橥钩龅臓顟B(tài)，凸出狀態(tài)時，可阻擋太陽人圓錐杠桿的滑動，而凹入狀態(tài)時就不起阻擋作用。如果要實(shí)現(xiàn)定時栓由凸出狀態(tài)向凹入狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，就需要定時栓起落栓裝置的時間設(shè)置功能來自動完成。
8、定時栓裝置其組成包括定時栓，定時栓起落柄裝置和圓柱螺旋壓縮彈簧A，定時栓位置的確定與太陽人圓錐底邊的角弧度有關(guān)，以太陽人圓錐底邊上距底座水平面最高的一點(diǎn)為12點(diǎn)定時栓位置，左右每間隔一個15度(或7.5度)角弧度便設(shè)定一個定時栓裝置。
9、底座調(diào)節(jié)螺桿 10、底座調(diào)節(jié)螺母 11、機(jī)架 12、底座底座調(diào)節(jié)螺桿和底座調(diào)節(jié)螺母的作用是調(diào)節(jié)底座面與水平面相平行。
13、調(diào)節(jié)螺母 14、調(diào)節(jié)螺桿 15、活頁，即只能繞軸作旋轉(zhuǎn)活動的平面機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)副。該活頁的名稱為太陽人圓錐軸活頁。
當(dāng)調(diào)節(jié)螺母在調(diào)節(jié)螺桿上作旋轉(zhuǎn)移動時，太陽人圓錐軸活頁只能隨調(diào)節(jié)螺母沿調(diào)節(jié)螺桿作前后移動，而不能作同步旋轉(zhuǎn)移動。太陽人圓錐軸活頁同時還具有以下功能，即當(dāng)調(diào)節(jié)螺母在調(diào)節(jié)螺桿上作旋轉(zhuǎn)移動時，可通過活頁本身的適度旋轉(zhuǎn)，而臨時改變太陽人圓錐軸的長度，從而使調(diào)節(jié)螺母的旋轉(zhuǎn)移動時，可通過活頁本身的適度旋轉(zhuǎn)，而臨時改變太陽人圓錐軸的長度，從而使調(diào)節(jié)螺母的旋轉(zhuǎn)移動行為得以進(jìn)行。同時該活頁還具有臨時喪失自身的旋轉(zhuǎn)功能，從而確保在太陽人圓錐系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，太陽人圓錐軸應(yīng)處于平直狀態(tài)的需要。
16、太陽人圓錐軸調(diào)節(jié)螺母17、太陽人圓錐軸調(diào)節(jié)螺桿 18、太陽人圓錐軸的螺桿傳動整體螺母 19、太陽人圓錐杠桿與太陽人圓錐軸上的螺桿傳動整體螺母之間的可調(diào)連接 20、具有三個自由度的球面運(yùn)動副太陽人圓錐軸調(diào)節(jié)螺母在太陽人圓錐軸調(diào)節(jié)螺桿上作旋轉(zhuǎn)移動時可縮短或延長太陽人圓錐軸的長度。當(dāng)太陽人圓錐軸的螺桿傳動整體螺母在太陽人圓錐軸調(diào)節(jié)螺桿上作旋轉(zhuǎn)移動時太陽人圓錐軸長度不變，而只引起太陽人圓錐杠桿的長度變化。當(dāng)整體螺母作旋轉(zhuǎn)移動時太陽人圓錐杠桿與太陽人圓錐軸上的螺桿傳動整體螺母之間的可調(diào)連接，不作同步旋轉(zhuǎn)活動，而只隨整體螺母沿太陽人圓錐軸方向上移動。整體螺母作旋轉(zhuǎn)移動時，具有三個自由度的球面運(yùn)動副可適度彎曲太陽人圓錐杠桿，從而使整體螺母的旋轉(zhuǎn)移動行為得以進(jìn)行。同時當(dāng)太陽人圓錐杠桿需要處于平直、長度不變的狀態(tài)時，球面運(yùn)動副還具有臨時固定、維持這種狀態(tài)的功能?？烧{(diào)連接和球面運(yùn)動副，實(shí)質(zhì)上為一個機(jī)械部件的兩個功能方面。
21、太陽人圓錐杠桿調(diào)節(jié)螺母 22、太陽人圓錐杠桿調(diào)節(jié)螺桿當(dāng)太陽人圓錐杠桿調(diào)節(jié)螺母在太陽人圓錐杠桿調(diào)節(jié)螺桿上作旋轉(zhuǎn)移動時，可縮短或延長太陽人圓錐杠桿的長度。
23、機(jī)架 24、太陽人圓錐底面活頁 25、太陽人圓錐軸與太陽人圓錐底面間的固定連接26、空間機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)副 27、動力軸28、、動力傳動軸 29、動力傳動軸調(diào)節(jié)裝置機(jī)架的作用是維持太陽人圓錐系統(tǒng)在地面上的固定。太陽人圓錐底面活頁的放置軸與正東正西線平行，同時又垂直于正南正北線。空間機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)副的作用是當(dāng)動力軸作繞軸方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，帶動動力傳動軸作同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時又圍繞太陽人圓錐軸與太陽人圓錐底面間的固定連接作同步同向旋轉(zhuǎn)，動力軸必須始終垂直于太陽人圓錐底面。
30、平面渦卷螺旋彈簧有足夠的驅(qū)動力，能帶動集熱器沿太陽人圓錐底邊滑行全程，且能抵御一定的風(fēng)力影響。
31、太陽能集熱器 32、太陽能集熱器活頁33、太陽人圓錐杠桿 34、太陽人圓錐杠桿和太陽人圓錐底邊之間的嵌壓裝置，簡稱嵌壓裝置。
太陽能集熱器與太陽人圓錐杠桿間成固定連接，同時太陽人圓錐杠桿又垂直于太陽能集熱器的集熱面。當(dāng)動力傳動軸旋轉(zhuǎn)時通過太陽能集熱器活頁的作用，可帶動太陽能集熱器連同太陽人圓錐杠桿沿太陽人圓錐底邊的滑行軌道作旋轉(zhuǎn)移動。同時動力傳動軸還具有適應(yīng)太陽人圓錐杠桿以太陽人圓錐底邊為旋轉(zhuǎn)軸作旋轉(zhuǎn)移動時而臨時改變自身長度的功能。太陽人圓錐杠桿和嵌壓裝置間屬于固定連接，太陽人圓錐杠桿連同太陽能集熱器通過嵌壓裝置既可以沿太陽人圓錐底邊做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，又可以太陽人圓錐底邊為旋轉(zhuǎn)軸做適度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時，嵌壓裝置與滑行軌道間不會因各種外力的作用而分離，也就是說這兩個滑動接觸面間始終是緊貼的。當(dāng)半自動太陽跟蹤器處于工作狀態(tài)時，嵌壓裝置不會發(fā)生沿太陽人圓錐杠桿方向上的移位，同時太陽人圓錐的頂點(diǎn)與太陽人圓錐杠桿和太陽能集熱器固定點(diǎn)間的連線必須始終垂直于太陽能集熱器的集熱平面。
35、把手，固定在太陽人圓錐杠桿上，可在人工作用下帶動太陽能集熱器連同太陽人圓錐杠桿沿太陽人圓錐底邊作往復(fù)的旋轉(zhuǎn)移動。
具體實(shí)施例方式
以居住在北半球北緯45度上的人為例，取一半自動太陽跟蹤器，將機(jī)架放置平穩(wěn)后，調(diào)試底座，使底座平面處在水平面上，再調(diào)試太陽人圓錐軸，使太陽人圓錐的軸向角為45度，再調(diào)試太陽人圓錐杠桿和動力傳動軸，使太陽人圓錐項(xiàng)點(diǎn)與太陽人圓錐杠桿和集熱器固定點(diǎn)間的連線平行于太陽輻射線。然后通過把手，將集熱器旋轉(zhuǎn)至起始位置，再將各個定時栓牽拉至凸出滑行軌道的狀態(tài)，再分別設(shè)定各個定時栓裝置的起動時間，例如，如果將12點(diǎn)定時栓裝置設(shè)定為11點(diǎn)30分，那么前二個定時栓裝置就應(yīng)當(dāng)分別設(shè)定在10點(diǎn)30分和9點(diǎn)30分。由于集熱器在上午9點(diǎn)30分和10點(diǎn)30分期間，在10點(diǎn)定時栓位置上固定，在此期間集熱器的集熱面只有在10點(diǎn)時才恰好正對太陽輻射線，在其余的時間里，將和太陽輻射線具有一定的歪斜度，由于平面渦卷螺旋彈簧具有足夠的彈性勢能為集熱器提供全程的驅(qū)動力服務(wù)，且能抵御適度的風(fēng)力干擾，在預(yù)先設(shè)定好各個定時栓裝置的起動時間后，我們就有充分的理由相信，集熱器將按設(shè)計(jì)要求在白天10余個小時的時間內(nèi)自動地、間斷地、全程地跟蹤太陽，使太陽能的利用率足夠高。
權(quán)利要求
1.以太陽人圓錐理論為指導(dǎo)的太陽運(yùn)行軌跡描繪技術(shù)如果觀察者處在一圓錐的頂點(diǎn)上，那么太陽相對于觀察者的運(yùn)動軌跡便在這一圓錐的底邊上。我們把以這種形式存在的圓錐稱為太陽人圓錐。太陽人圓錐的中軸線與水平面間的夾角稱為太陽人圓錐的軸向角，太陽人圓錐的軸向角與觀察者所處的地理緯度有關(guān)，其大小大致相當(dāng)于地理緯度的大小。太陽人圓錐頂點(diǎn)在其中軸線上的位置與一年四季中的時間(天)有關(guān)，越靠近夏天，其位置就越接近太陽人圓錐的底面。越靠近冬天，其位置就越遠(yuǎn)離太陽人圓錐的底面。太陽人圓錐的中軸線在垂直于過正東正西線的平面上，同時又與正東正西線垂直。
2.以太陽人圓錐理論為指導(dǎo)的半自動太陽跟蹤器制作技術(shù)太陽人圓錐軸的制作特點(diǎn)是能滿足太陽人圓錐理論中軸向角的精確確定。太陽人圓錐杠桿的制作特點(diǎn)是能滿足太陽人圓錐理論中圓錐項(xiàng)點(diǎn)位置的精確確定，太陽能集熱器的集熱面要始終垂直于太陽人圓錐杠桿與集熱器連接點(diǎn)和太陽人圓錐頂點(diǎn)間的連線。太陽人圓錐底邊定時栓裝置的制作及分布特點(diǎn)是定時栓位置的確定與太陽人圓錐地邊角弧度有關(guān)，每15度角弧度或7.5度角弧度間隔為一個小時或半個小時的時間間隔，太陽人圓錐底邊距水平面的最高點(diǎn)為中午12點(diǎn)定時栓裝置，定時栓的時間設(shè)定裝置要能人工設(shè)定時間，在其設(shè)定的時間上能自動驅(qū)動定時栓由凸出滑行軌道表面的狀態(tài)轉(zhuǎn)為凹入滑行軌道表面的狀態(tài)，定時栓的作用是有規(guī)律地阻礙太陽能集熱器的滑行。
全文摘要
本發(fā)明產(chǎn)品——半自動太陽跟蹤器是屬于機(jī)械制造領(lǐng)域和太陽能開發(fā)利用領(lǐng)域的產(chǎn)品。如果太陽能集熱器的集熱面在白天中能始終垂直于太陽輻射線，那么該集熱器的太陽能利用率將會最高，要滿足跟蹤太陽的要求，就必須使太陽跟蹤器的跟蹤軸能和太陽的高度角和方位角作同時同步的變化，依據(jù)太陽人圓錐理論而設(shè)計(jì)出的太陽人圓錐，可以人工復(fù)制出太陽相對于地球上觀察者的運(yùn)動軌跡，依靠半自動太陽跟蹤器，在白天的時間里，每間隔一定時間，太陽能集熱器的集熱面就可以機(jī)械地、自動地正對太陽輻射線一次。如此，太陽能集熱器的太陽能利用率也將會極大地提高，由于半自動太陽跟蹤器具有抗風(fēng)力干擾能力強(qiáng)，設(shè)備簡便，操作方便，太陽能的利用率高等優(yōu)點(diǎn)，其市場開發(fā)價(jià)值將是巨大的。
文檔編號F24J2/38GK1892146SQ200510079359
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者鄧培友 申請人:鄧培友