專利名稱：一種半自動跟蹤太陽灶及其控制方法
一種半自動跟蹤太陽灶及其控制方法技術領域
本發(fā)明屬于太陽能應用技術領域，涉及一種跟蹤太陽光的太陽灶，尤其是一種半 自動跟蹤太陽灶及其控制方法。
背景技術：
目前太陽應用主要為太陽能熱應用和光伏發(fā)電二個領域，其中光伏發(fā)電因為其光 電利用效率低而使其推廣應用受到限制；而太陽能熱能推廣應用中的主要技術障礙是太陽 能密度低，僅能夠應用于低溫段如太陽能熱水器僅能夠提供熱水但是不能夠提供開水飲 用，更不用說工業(yè)熱發(fā)電了 ；而利用聚光器通過匯聚的方法提高太陽能密度就是解決太陽 能量密度低的基本方法。當然對于聚光器必然需要與之相配套的高精度自動跟蹤裝置，如 斯特林太陽能發(fā)電等大系統(tǒng)；但是對于多年來一直提倡的在農(nóng)村推廣應用的太陽灶沒有達 到預期目標，其主要原因就是該系統(tǒng)在實際應用過程中一般因為成本原因采用無跟蹤功能 設計而使其使用性能受到限制；如果配套上普通的自動跟蹤系統(tǒng)，一方面導致其成本上升， 而更主要的另一方面原因是自動跟蹤系統(tǒng)在惡劣的室外環(huán)境下長年累月使用過程中一旦 出現(xiàn)故障，對于廣大農(nóng)村使用者農(nóng)民來說就束手無策。以致于該技術問題已經(jīng)成為太陽灶 推廣應用道路上的攔路虎。
隨著國家節(jié)能降耗政策的具體實施以及防止水土流失、提高農(nóng)村生活質(zhì)量的實際 需要，根據(jù)太陽灶具體工作環(huán)境及特點，改進并設計結構簡單、操作方便、故障率低、能夠滿 足農(nóng)村實際需要的高性價比的具有跟蹤太陽光性能的太陽灶系統(tǒng)，具有很大的實用價值。 這也就是本發(fā)明專利所要解決的技術問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種半自動跟蹤太陽灶及其控 制方法，該太陽灶結構簡單，不必使用復雜的電子跟蹤系統(tǒng)就能實現(xiàn)半自動跟蹤太陽光的 目的，能夠有效減少成本。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的
這種半自動跟蹤太陽灶，包括底架以及垂直固定設置在底架上的主軸，在主軸上 套設有轉(zhuǎn)動軸，所述轉(zhuǎn)動軸固定連接有聚光鏡和支鍋架；所述轉(zhuǎn)動軸與主軸之間設有由卷 簧、承重軸承、定時器、擒縱機構組成的轉(zhuǎn)動控制機構，用以驅(qū)動并控制轉(zhuǎn)動軸繞主軸定時 旋轉(zhuǎn)；在所述聚光鏡的下端中間處安裝有手工轉(zhuǎn)動的手柄和目測對準器。
上述轉(zhuǎn)動控制機構中，承重軸承設置在轉(zhuǎn)動軸的下端并套設在主軸上；所述卷簧 設置在轉(zhuǎn)動軸內(nèi)并套設在主軸上，卷簧的二端分別與主軸和轉(zhuǎn)動軸相連接；在轉(zhuǎn)動軸內(nèi)腔 下部于卷簧下方依次設置定時器和擒縱機構；在所述擒縱機構下方設置有與主軸固定連接 的環(huán)形齒，所述擒縱機構的擒縱輪與環(huán)形齒嚙合，在環(huán)形齒的兩側(cè)還設置有限位栓。
上述底架由三根相互之間為120°的角鐵焊接組成；三根角鐵連接處與所述主軸 垂直焊接成一體。
上述目測對準器由取樣筒三根筋和底盤組成，底盤通過三根筋固定連接在取樣筒 下端，所述底盤直徑大于取樣筒的內(nèi)徑，且在底盤中間刻有直徑與取樣筒的內(nèi)徑相同的園 環(huán)槽。
取樣筒為空心鋼管，內(nèi)壁涂黑。
本發(fā)明還提出一種上述半自動跟蹤太陽灶的控制方法每天早晨在使用者手工操 作下，通過手柄把聚光鏡由左向右圍繞主軸轉(zhuǎn)動到被限位栓擋住的位置，這時候聚光鏡在 對準太陽光的位置，且此時已通過手工操作給卷簧和游絲貯存了能量；隨后在定時器的控 制下，通過擒縱機構使安裝于轉(zhuǎn)動軸內(nèi)的擒縱輪每隔一定時間相對環(huán)形齒動作一次，這樣 在卷簧驅(qū)動下利用轉(zhuǎn)動控制機構控制太陽灶從右向左與太陽自轉(zhuǎn)方向和平均角速度相同 的間歇轉(zhuǎn)動，一直到達左極限位置而停止，實現(xiàn)自動跟蹤太陽光。
本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明在具體分析研究農(nóng)民主要使用太陽灶燒水煮飯以及使用具體時間不確定 的特點及太陽灶的工作環(huán)境與狀態(tài)的基礎上，結合太陽灶本身結構，在完全避免使用電子 自動跟蹤系統(tǒng)及其驅(qū)動電源的前提下，設計制作出具有半自動跟蹤太陽光功能的太陽灶， 不但具有簡單的目測太陽光對準裝置，而且利用操作者每天開始使用時手動操作太陽聚光 灶體對準太陽光的操作動作同時完成隨后自動跟蹤太陽光所需要的機械能量貯備，并通過 機械振動定時和擒縱機構以及專用軌道實現(xiàn)從此時刻開始的太陽灶自動跟蹤太陽光功能； 從而使得太陽灶達到結構簡單、操作方便、性價比高的使用要求，為在農(nóng)村大量推廣應用從 技術上鋪平道路。


圖1為本發(fā)明的半自動跟蹤太陽灶結構原理圖2為本發(fā)明的目測對準器3結構示意圖3為本發(fā)明的轉(zhuǎn)動控制機構結構示意圖。
其中1為底架；2為主軸；3為目測對準器；3.1為取樣筒；3. 2為錐臺形底盤；4為 手柄；5為聚光鏡；6為支鍋架；7為開水壺；8為卷簧；9為轉(zhuǎn)動軸；10為擒縱機構；10.1為 環(huán)形齒；10. 2為限位栓；10. 3為擒縱輪；11為定時器；12為承重軸承。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述
參見圖1，本發(fā)明的半自動跟蹤太陽灶，包括底架I以及垂直固定設置在底架I上 的主軸2，在主軸2上套設有轉(zhuǎn)動軸9，轉(zhuǎn)動軸9固定連接有聚光鏡5和支鍋架6 ;轉(zhuǎn)動軸9 與主軸2之間設有由卷簧8、承重軸承12、定時器11、擒縱機構10組成的轉(zhuǎn)動控制機構，用 以驅(qū)動并控制轉(zhuǎn)動軸9繞主軸2定時旋轉(zhuǎn)；在聚光鏡5的下端中間處安裝有手工轉(zhuǎn)動的手 柄4和目測對準器3。本發(fā)明聚光鏡5安裝固定于支架上，伸向左右二邊的聚光鏡支架(圖 中未畫出)連接固定于轉(zhuǎn)動軸筒上。
底架I由一定長度的三根相互之間為120° (平面內(nèi))的角鐵焊接組成，三根角鐵 連接處與所述主軸2垂直焊接成一體，構成太陽灶的支撐架而固定于地面。
如圖3所示本發(fā)明的轉(zhuǎn)動控制機構中，承重軸承12設置在轉(zhuǎn)動軸9的下端并套設在主軸2上；卷簧8設置在轉(zhuǎn)動軸9內(nèi)并套設在主軸2上，卷簧8的二端分別與主軸2和轉(zhuǎn)動軸9相連接，在使用者操作對準轉(zhuǎn)動聚光體過程中所產(chǎn)生并存儲于卷簧和游絲的能量分別作為聚光鏡5轉(zhuǎn)動與定時器11工作的動力源；在轉(zhuǎn)動軸9內(nèi)腔下部于卷簧8下方依次設置定時器11和擒縱機構10 ;在擒縱機構10下方設置有與主軸2固定連接的環(huán)形齒10. 1， 擒縱機構10的擒縱輪10. 3與環(huán)形齒10.1嚙合，安裝在轉(zhuǎn)動軸上的齒輪能否在卷簧驅(qū)動下于環(huán)形齒上轉(zhuǎn)動又受制于擒縱機構。在環(huán)形齒10.1的兩側(cè)還設置有限位栓10. 2。環(huán)形齒10.1每個齒輪的齒寬為W=(2JiR/360)*(n/60)，其中R為環(huán)形齒10.1的旋轉(zhuǎn)半徑，η為轉(zhuǎn)動一個齒輪的周期(即幾分鐘轉(zhuǎn)動一個齒輪)；在環(huán)形齒10.1左右的二個限位栓10. 2與底架I的二個角鐵A和B在水平內(nèi)面角度相同，平面夾角為120° (根據(jù)緯度不同或者更大一些，接近赤道時可到150° )，另外，承重軸承12是園臺形承重軸承，與轉(zhuǎn)動軸9上的軸瓦組成負重軸承組，承載聚光鏡5及其他轉(zhuǎn)動部件的重量。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)動控制機構利用機械等時振動裝置控制擒縱機構10的卡、放動作(具體機構與工作原理和鐘表中的機械定時器及擒縱機構相同，這里不再敘述)，進而控制轉(zhuǎn)動軸安裝的齒輪在固定軸環(huán)形齒上的的運動狀態(tài)(停止或者轉(zhuǎn)動的間歇運動狀態(tài))，實現(xiàn)聚光鏡等轉(zhuǎn)動部分在卷簧驅(qū)動下按照設計的平均角速度15° /小時的間斷性轉(zhuǎn)動，從而完成自動跟蹤太陽光的功能；通常又通過組合齒輪把手工操作對準太陽光提供的轉(zhuǎn)數(shù)增加后再傳遞給游絲的方法，以便提供(補充)機械等時振動裝置的能量，這種方法及其相應機構因為常用，一說即明白，所以在整體結構圖中省略未畫出。
本發(fā)明實現(xiàn)控制功能的另一個方法就是利用電子電路定時輸出信號，然后通過電磁繼電器間歇吸合與斷開方式控制轉(zhuǎn)動軸上齒輪在卷簧作用下在固定軸環(huán)形齒條上的平均轉(zhuǎn)動速度，并將此轉(zhuǎn)換為聚光體的水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，從而同樣能夠?qū)崿F(xiàn)聚光體自動跟蹤太陽光的效果。但是此方法雖然簡單易行，卻需要通過光伏電池板或者干電池方式提供電能源，使得使用成本增大。
另外，在聚光鏡5下端中間處安裝有手工轉(zhuǎn)動的手柄4和目測對準器3，而且要求目測對準器3的中心線必須處于與聚光鏡5截面垂直的方向，如圖2所示。所述目測對準器3由取樣筒3.1三根筋3. 2和底盤3. 3組成，底盤3. 3通過三根筋3. 2固定連接在取樣筒3.1下端， 所述底盤3. 3直徑D2大于取樣筒3.1的內(nèi)徑Dl，且在底盤3. 3中間刻有直徑與取樣筒3.1的內(nèi)徑Dl相同的園環(huán)槽3.4 (光圈)。取樣筒3.1為空心鋼管，內(nèi)壁涂黑，長度 L > 130mm ;
實施方法
I)對于北半球地區(qū)使用者來說，安裝太陽灶時三根角鐵中的A與B固定端的連線 AB必須與赤道方向平行(東西方向)。這樣一來由于固定軸上二個定位栓與此角度相同，從而保證轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度范圍為120°，即從每天早晨9點到下午4點的8小時時間內(nèi)為太陽灶有效工作時間且具有自動跟蹤功能，。(這里以此數(shù)據(jù)舉例說明，實際上對于不同緯度和季節(jié)來說，可能夠工作10小時，如夏天在深圳有效工作時間可以延長到從早上8點到下午的5點期間的10個小時都是有效工作時間。那么對應的在固定軸上的二個定位栓之間的角度應該是150°而不是120°。)
2)動力源卷簧的安裝要求是在轉(zhuǎn)動軸處于左限制位置時，卷簧仍然具有滿量程 1/4的貯能狀態(tài)而非自由狀態(tài)；而一旦每天早上使用者手工操作把轉(zhuǎn)動軸從左極限位置搬到右極限位置時，卷簧應該處于滿量程3/4的貯能狀態(tài)。
運動特點每天早晨9點在使用者手工操作下，聚光鏡與轉(zhuǎn)動軸一起從左極限位 置轉(zhuǎn)動到右極限位置并且同時貯能(或者與操作時刻太陽光對準位置)；然后在卷簧驅(qū)動下 利用控制部件有效控制太陽灶從右向左與太陽自轉(zhuǎn)方向和平均角速度相同的間歇轉(zhuǎn)動，一 直到達左極限位置而停止；從而達到自動跟蹤太陽光的目標。
在按照上述方法安裝的太陽灶的基礎上，每天早上使用者出工前的9點(或者8 點)首先通過手柄把聚光體由左向右圍繞固定軸轉(zhuǎn)動到被限位栓擋住的位置，這時候必然 是對準太陽光的位置，而且此時已經(jīng)通過手工操作轉(zhuǎn)動聚光體的動作給卷簧和游絲貯存了 能量。隨后在定時器的控制下，通過擒縱機構使得安裝于轉(zhuǎn)動軸里的齒輪按照設計要求每 隔一定時間(例如每4分鐘)動作一次,那么就意味著這一次轉(zhuǎn)動一個齒輪的弧長對應的角 度為(15° /60)*4=1°。實際上聚光體由于在卷簧作用下以及定時器有效控制下將間歇性 轉(zhuǎn)動可以看成是以平均每小時15°的均勻角速度轉(zhuǎn)動，即與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，雖然只 是間歇(通過試驗證明一般3-5分鐘轉(zhuǎn)動一次即可，具體根據(jù)需要設定)而不是像地球一樣 連續(xù)均勻的自轉(zhuǎn)，但是由于采用匯聚的太陽光把開水壺的水加熱止沸騰即可，不需要精確 跟蹤太陽實現(xiàn)成像聚光，所以只要把太陽光能夠有效的聚焦在一定區(qū)域即可，從而基本實 現(xiàn)自動跟蹤太陽光的功能，滿足了實際使用的需要，但是卻在不消耗(或者在電子定時器中 消耗很小能源)能源和巧妙設計的機械結構，利用操作者每天開始使用時刻對準太陽光的 動作實現(xiàn)驅(qū)動能量貯存，保證了當天此刻以后太陽灶自動跟蹤太陽光功能，實現(xiàn)了結構簡 單、操作方便、使用成本低等技術優(yōu)勢，從而大大提高了太陽灶的性價比，為其推廣應用從 技術方面掃平了障礙。
但是在農(nóng)村，太陽灶使用者很可能在早上出工后12點左右回來才使用太陽灶燒 開水等用途，這種情況下操作者利用手柄由左向右轉(zhuǎn)動聚光體的同時，用眼睛關注目測對 準器中穿過圓柱筒的太陽光是否與底盤上刻制的光環(huán)重合，一旦重合，證明目前聚光體已 經(jīng)對準太陽光，這時候把開水壺放置于支架上即可。因為此后聚光體和前述運動狀態(tài)相同， 將在卷簧的推動下，由于定時器的有效控制而一直間歇式轉(zhuǎn)動方式實現(xiàn)自動跟蹤太陽光， 直到下午4點或者5點被限位栓擋住而停止間歇式運動。
值得一提的是，此方法同樣可以推廣應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池板的半自動跟蹤 功能來提高發(fā)電量。特別是如果采用電子定時器，則把其所使用的電源用可充電池代替，每 天利用光伏電池板的所發(fā)的電力給蓄電池充電，那么在實現(xiàn)自動跟蹤前提下，使用成本幾 乎和全部機械結構差不多，但是結構簡單多了，推廣應用更有優(yōu)勢。
權利要求
1.一種半自動跟蹤太陽灶，其特征在于，包括底架(I)以及垂直固定設置在底架(I)上的主軸(2 )，在主軸(2 )上套設有轉(zhuǎn)動軸(9 )，所述轉(zhuǎn)動軸(9 )固定連接有聚光鏡(5 )和支鍋架(6);所述轉(zhuǎn)動軸(9)與主軸(2)之間設有由卷簧(8)、承重軸承(12)、定時器(11)、擒縱機構(10)組成的轉(zhuǎn)動控制機構，用以驅(qū)動并控制轉(zhuǎn)動軸(9)繞主軸(2)定時旋轉(zhuǎn)；在所述聚光鏡(5 )的下端中間處安裝有手工轉(zhuǎn)動的手柄(4 )和目測對準器(3 )。
2.根據(jù)權利要求1所述的半自動跟蹤太陽灶，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動控制機構中，承重軸承(12)設置在轉(zhuǎn)動軸(9)的下端并套設在主軸(2)上；所述卷簧(8)設置在轉(zhuǎn)動軸(9) 內(nèi)并套設在主軸(2 )上，卷簧(8 )的二端分別與主軸(2 )和轉(zhuǎn)動軸(9 )相連接；在轉(zhuǎn)動軸(9 ) 內(nèi)腔下部于卷簧(8)下方依次設置定時器(11)和擒縱機構(10);在所述擒縱機構(10)下方設置有與主軸(2)固定連接的環(huán)形齒(10.1 )，所述擒縱機構(10)的擒縱輪(10. 3)與環(huán)形齒(10.1)嚙合，在環(huán)形齒(10.1)的兩側(cè)還設置有限位栓(10. 2)。
3.根據(jù)權利要求2所述的半自動跟蹤太陽灶，其特征在于，所述底架(I)由三根相互之間為120°的角鐵焊接組成；三根角鐵連接處與所述主軸(2)垂直焊接成一體。
4.根據(jù)權利要求1所述的半自動跟蹤太陽灶，其特征在于，所述目測對準器(3)由取樣筒(3.1)三根筋(3. 2)和底盤(3. 3)組成，底盤(3. 3)通過三根筋(3. 2)固定連接在取樣筒 (3.1)中心延長線的下端，且中心線的方向就是太陽灶接收截面的方向；所述底盤(3. 3)直徑大于取樣筒(3.1)的內(nèi)徑，且在底盤(3. 3)中間刻有直徑與取樣筒(3.1)的內(nèi)徑相同的園環(huán)槽(3. 4)。
5.根據(jù)權利要求4所述的半自動跟蹤太陽灶，其特征在于，所述取樣筒(3.1)為空心鋼管，內(nèi)壁涂黑。
6.一種權利要求1-5任意一項所述半自動跟蹤太陽灶的控制方法，其特征在于，每天早晨在使用者手工操作下，通過手柄(4)把聚光鏡(5)由左向右圍繞主軸(2)轉(zhuǎn)動到被限位栓(10. 2)擋住的位置，這時候聚光鏡(5)在對準太陽光的位置，且此時已通過手工操作給卷簧(8)貯存了能量；隨后在定時器(11)的控制下，通過擒縱機構(10)使安裝于轉(zhuǎn)動軸 (9)內(nèi)的擒縱輪(10. 3)每隔一定時間相對環(huán)形齒(10.1)動作一次，這樣在卷簧(8)驅(qū)動下利用轉(zhuǎn)動控制機構控制太陽灶從右向左與太陽自轉(zhuǎn)方向和平均角速度相同的間歇轉(zhuǎn)動，一直到達左極限位置而停止，實現(xiàn)每天手動操作后自動跟蹤太陽光功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半自動跟蹤太陽灶及其控制方法，該太陽灶包括底架以及垂直固定設置在底架上的主軸，在主軸上套設有轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)動軸固定連接有聚光鏡和支鍋架；轉(zhuǎn)動軸與主軸之間設有由卷簧、承重軸承、定時器、擒縱機構組成的轉(zhuǎn)動控制機構，用以驅(qū)動并控制轉(zhuǎn)動軸繞主軸定速旋轉(zhuǎn)；在聚光鏡的下端中間處安裝有手工轉(zhuǎn)動的手柄和目測對準器。該太陽灶結構簡單，利用手工對準太陽操作過程中提供的能量存貯在不使用復雜的電子跟蹤系統(tǒng)條件下就能實現(xiàn)半自動跟蹤太陽光的目的，能夠有效降低制造與使用成本,并且操作簡單，使用方便。
文檔編號F24J2/54GK103032969SQ20121055187
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權日2012年12月18日
發(fā)明者寧鐸, 姚君霞, 劉天虎, 黨舒煜, 吳彥銳, 王紅鑫 申請人:陜西科技大學