阅读说明：本技术 一种基于压电驱动的自动跟踪太阳能收集装置 (Automatic tracking solar energy collection device based on piezoelectric drive ) 是由 运侠伦 庞哲凯 梅雪松 姜歌东 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：一种基于压电驱动的自动跟踪太阳能收集装置,包括结构支架,结构支架下方连接有三角支撑机构,结构支架上方连接有太阳能收集板和太阳方位测定盘,太阳方位测定盘的信号输出传输给三个对顶式直线型压电驱动调姿机构,通过对顶式直线型压电驱动调姿机构调整太阳能收集板和太阳对准；本发明具有更高跟踪精度、更高转换效率的优点。(An automatic tracking solar energy collecting device based on piezoelectric drive comprises a structural support, a triangular support mechanism is connected below the structural support, a solar energy collecting plate and a solar direction measuring disc are connected above the structural support, the signal output of the solar direction measuring disc is transmitted to three opposite-top linear piezoelectric drive posture adjusting mechanisms, and the solar energy collecting plate is adjusted to be aligned with the sun through the opposite-top linear piezoelectric drive posture adjusting mechanisms; the invention has the advantages of higher tracking precision and higher conversion efficiency.)

一种基于压电驱动的自动跟踪太阳能收集装置

技术领域

本发明涉及太阳能发电领域，具体涉及一种基于压电驱动的自动跟踪太阳能收集装置。

背景技术

随着现代工业发展，人类对能源需求越来越高，而传统能源如石油、煤炭等矿物燃料储量有限，且使用过程中会造成严重的环境污染，因此，绿色能源的开发具有重要的时代意义。太阳能作为一种最为常见的绿色能源之一，能源本身具有“无限”储量特性、普遍性、清洁性等优点。但是由于太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，因此太阳能的收集的最大化成了研究重点和热点。目前市场上已经有很大一部分太阳能设备如太阳能热水器、太阳能电池等，但这类产品的太阳能利用率并不高，因此提高太阳能利用率对太阳能能源发展有着极其关键的作用。

为了提高太阳能利用率，自动跟踪太阳方位的太阳能收集装置逐步取代了固定角度的太阳能收集装置。一般的自动跟踪装置有单轴跟踪，这种方式都是单轴转动对南北向或东西向进行跟踪，虽然结构简单，但装置位姿调整是根据事先计算的太阳方位变化进行调整，因此在不同的经纬度地区计算方法不同，同时由于是单轴跟踪，太阳利用效率不高；另一种常见的是双轴跟踪，这种方式跟单轴相比可以适应不同地区不同季节的太阳方位变化，但在结构上较为复杂，且用于装置位姿调整的驱动装置受环境干扰较大，精度波动大。而压电驱动方式与传统电机驱动方式相比，具有结构简单，无其他减速机构、响应速度快、精度高、抗干扰性强的优点，因此被广泛使用于高精密、复杂环境应用场合下。

自动跟踪太阳能收集装置另一个研究关键是太阳方位的辨识，即如何调整装置以实现转换效率最大化。目前常见的几种方法有：时钟式，即根据当地太阳在空中的运行时间预设电机的调整速度和角度，该装置控制方法简单，但存在跟踪精度不够，适应性差的缺点。压差式，该方法利用空气受照射不同产生压力差的原理，对太阳方位角进行判断，从而计算出跟踪信号，虽然该方法跟踪精度高，但仅适用单轴跟踪方式的装置。光电式，该方法通过利用光敏传感器或图像传感器测定太阳光线的位置，从而计算出跟踪信号，可以实现对太阳高度和方位角的全跟踪，该方法由于控制精度高，易实现等优点被广泛使用。

目前还没有基于压电驱动的自动跟踪太阳能收集装置相关文献公开。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于压电驱动的自动跟踪太阳能收集装置，具有更高跟踪精度、更高转换效率的优点。

为了达到上述目的，本发明采取技术方案如下：

一种基于压电驱动的自动跟踪太阳能收集装置，包括结构支架13，结构支架13下方连接有三角支撑机构，结构支架13上方连接有太阳能收集板1和太阳方位测定盘，太阳方位测定盘的信号输出传输给三个对顶式直线型压电驱动调姿机构，通过对顶式直线型压电驱动调姿机构调整太阳能收集板1和太阳对准；

所述的结构支架13包括支撑盘C3，支撑盘C3的下方中心连接有底柱C4，支撑盘C3的下方均布有三个铰链C5，支撑盘C3的上方中心和连接立柱C2下端连接，连接立柱C2上端和主立柱C1连接，连接立柱C2的侧面和直角连接柱C6下端连接，直角连接柱C6上端和测定立柱C7连接，直角连接柱C6和连接立柱C2为空心柱，其中留有线缆和控制器位置；

所述的结构支架13的主立柱C1顶端通过大球铰链14和太阳能收集板1背面中心连接，太阳能收集板1背面上三个角设有的小球铰链2通过钢丝绳3和三个对顶式直线型压电驱动调姿机构的带滑轮压电驱动器11连接，每一个带滑轮压电驱动器11和一个不带滑轮压电驱动器10之间通过一根行程杆12连接，行程杆12上设有可调滑块4，可调滑块4与行程杆12之间设有与行程杆12同轴连接的摩擦片5；

所述的结构支架13的测定立柱C7安装有识别盘15，识别盘15上同轴连接有测定标柱17，识别盘15上设有识别盘端盖16，识别盘15、识别盘端盖16、测定标柱17构成太阳方位测定盘。

所述的对顶式直线型压电驱动调姿机构包括带滑轮压电驱动器11和不带滑轮压电驱动器10，带滑轮压电驱动器11包括通过螺栓连接的驱动器前端A5、四片压电片A6和驱动器后端A7,驱动器前端A5通过螺栓固定在驱动器外壳A4内壁，驱动器后端A7通过螺栓与驱动器端盖A1连接；驱动器外壳A4顶部连接有滑轮支架A3，滑轮支架A3上安装有滑轮A2；

所述的不带滑轮压电驱动器10和带滑轮压电驱动器11的驱动器外壳A4内部结构相同，只是驱动器外壳A4顶部没有安装滑轮支架A3和滑轮A2。

所述的识别盘15表面分布有四圈周向十二均分光敏传感器B1，识别盘端盖16材料为透光材料。

所述的三角支撑机构包括三个尖角支撑柱8，尖角支撑柱8底部尖角端立于支撑面，尖角支撑柱8顶端与结构支架13的铰链C5连接，结构支架13的底柱C4上连接有滑套9，滑套9和三根均布的连接杆6一端通过铰链连接，连接杆6另一端与固定在尖角支撑柱8上的套筒7相连。

本发明与现有自动跟踪太阳能收集装置相比，具有以下优点：

1、本发明采用三自由度并联式调整机构，通过固定在太阳能收集板的三条钢丝绳，进行方位角的调整，结构简单，跟踪范围大，可实现全方位跟踪。

2、本发明采用对顶式直线型压电驱动机构，通过对压电材料外加电压激励，利用逆压电效应，压电片将产生纵向行波和横向行波，而调整好预压力的可调滑块由于摩擦力的作用，做与行波前进方向的反方向直线运动，从而带动调整太阳能收集板的钢丝绳运动。由于压电材料抗干扰性强，因此整个装置不易受环境干扰，由于压电驱动中间传动环节少，因此整个装置响应速度快。由于运动的驱动力为摩擦力，因此整个装置断电自锁，定位精确。

3、本发明利用投影原理，设计有类似日晷的测定标柱，通过四圈轴向等均分的光敏传感器对测定标柱阴影进行识别，从而更精准地测定出太阳高度和方位。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明结构支架13的示意图。

图3为本发明带滑轮压电驱动器11和不带滑轮压电驱动器10的连接示意图。

图4为本发明识别盘15的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种基于压电驱动的自动跟踪太阳能收集装置，包括结构支架13，结构支架13下方连接有三角支撑机构，结构支架13上方连接有太阳能收集板1和太阳方位测定盘，太阳方位测定盘的信号输出传输给三个对顶式直线型压电驱动调姿机构，通过对顶式直线型压电驱动调姿机构调整太阳能收集板1和太阳对准；

所述的结构支架13包括支撑盘C3，支撑盘C3的下方中心连接有底柱C4，支撑盘C3的下方均布有3个铰链C5，支撑盘C3的上方中心和连接立柱C2下端连接，连接立柱C2上端和主立柱C1连接，连接立柱C2的侧面和直角连接柱C6下端连接，直角连接柱C6上端和测定立柱C7连接，直角连接柱C6和连接立柱C2为空心柱，其中留有线缆和控制器位置；

所述的结构支架13的主立柱C1顶端通过大球铰链14和太阳能收集板1背面中心连接，太阳能收集板1背面上三个角设有的小球铰链2通过钢丝绳3和三个对顶式直线型压电驱动调姿机构的带滑轮压电驱动器11连接；每一个带滑轮压电驱动器11和一个不带滑轮压电驱动器10之间通过一根行程杆12连接，行程杆12上设有可调滑块4，可调滑块4与行程杆12之间设有与行程杆12同轴连接的摩擦片5，摩擦片5固定在可调滑块4内壁，可调滑块4通过螺栓进行预压力调整，以满足可调滑块4正常直线运行的功能要求；

所述的结构支架13的测定立柱C7安装有识别盘15，识别盘15上同轴连接有测定标柱17，识别盘15上设有识别盘端盖16，识别盘15、识别盘端盖16、测定标柱17构成太阳方位测定盘。

所述的三角支撑机构包括三个尖角支撑柱8，尖角支撑柱8底部尖角端立于支撑面，尖角支撑柱8顶端与结构支架13的铰链C5连接，结构支架13的底柱C4上连接有滑套9，滑套9和三根均布的连接杆6一端通过铰链连接，连接杆6另一端与固定在尖角支撑柱8上的套筒7相连，三个套筒7在三根尖角支撑柱8上的高度相同以保证结构支架13水平；在连接杆6开合的过程中，滑套9在底柱C4上作直线运动，底柱C4的长度设计为滑套9的运动行程。

参照图3，所述的对顶式直线型压电驱动调姿机构包括带滑轮压电驱动器11和不带滑轮压电驱动器10，带滑轮压电驱动器11包括通过螺栓连接的驱动器前端A5、四片压电片A6和驱动器后端A7,驱动器前端A5通过螺栓固定在驱动器外壳A4内壁，驱动器后端A7通过螺栓与驱动器端盖A1连接；驱动器外壳A4顶部连接有滑轮支架A3，滑轮支架A3上安装有滑轮A2；

所述的不带滑轮压电驱动器10和带滑轮压电驱动器11的驱动器外壳A4内部结构相同，只是驱动器外壳A4顶部没有安装滑轮支架A3和滑轮A2；

工作时根据太阳方位测定盘得到的信号给压电片A6施加相应的电压激励，以提供产生摩擦力驱动可调滑块4动作的纵向行波，不带滑轮压电驱动器10用以吸收带滑轮压电驱动器11产生的纵向行波。

参照图4，所述的识别盘15表面分布有四圈周向十二均分光敏传感器B1，识别盘端盖16材料为透光材料，在太阳光线的照射下，测定标柱17投影在识别盘15上的光敏传感器B1，从而测定出太阳的高度和方位。

本发明的工作原理为：

在三角支撑机构稳定支撑下，根据测定标柱17在识别盘15上的投影判断出太阳的高度和方位，给出相应的跟踪信号，带滑轮压电驱动器12在接收到跟踪信号后，利用压电片A6逆压电效应产生纵向行波，并通过驱动器后端A7的传导在行程杆12上形成纵向行波，由于摩擦片5的存在，可调滑块4作与纵向行波前进方向相反的直线运动，带动固定在可调滑块4上的钢丝绳3，通过事先计算好的位置，三对对顶式直线型压电驱动调姿机构做出相应的响应，从而趋向理想位置，实现太阳光线的自动跟踪，达到太阳能转化效率最大化。