CN106160639B - 太阳能电池智能定日跟踪机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的太阳能电池跟踪智能定日机器人，包括竖向设置的管状主体立架，在主体立架上端转动连接有水平旋转主轴架，水平旋转主轴架与主体立架同轴设置，减速步进电机固定安装在主体立架上部内侧，减速步进电机的输出轴与水平旋转主轴架的下端固定连接；在水平旋转主轴架的两侧对称连接有太阳能电池板。本发明的太阳能电池跟踪机器人在工作时段，只通过对日平面旋转角度的一维跟踪，而由机械联动自动完成当日俯仰角跟踪和每天初始俯仰角调整的三维跟踪；无论在每一天的上午、中午还是下午，或者一年四季（春、夏、秋、冬）当中，可始终保持太阳能电池板垂直于太阳光线，明显提高太阳能电池板的发电效率。

Description

太阳能电池智能定日跟踪机器人

技术领域

本发明涉及一种工业机器人，特别是一种太阳能电池智能定日跟踪机器人，本机器人通过数学建模于机械联动结构中，采用人工智能时间区域控制运行，原智能机械工位自动执行调节，可保证太阳能电池板精确按照天地自然运行规律，在一年四季的每一天中的每一刻自动跟随太阳移动，保持太阳光线始终与太阳能电池板垂直，提高太阳通电池板的发电产能。

背景技术

目前太阳能电池板在室外安装大多采用固定式，即太阳能电池板的受光面处于朝阳方向，所谓朝阳是指以安装地春分、秋分当日白天中午处于太阳光线直射状态；但是平日里，或上午和下午，特别是早晨太阳初升或近傍晚太阳西下时，太阳光线与太阳能电池板的角度偏离较大，发电效率低，早晨到中午时间段太阳能电池板的发电效率逐渐提高，中午到晚上太阳能电池板的发电效率逐渐降低；况且,自然界太阳光的入射角,是随着冬至——春分——夏至——秋分——冬至的节气变化而每天变化的,这样,就造成现有固定式安装的太阳能电池板,对太阳旋转角和俯仰角的严重失真,这也造成了现有太阳能电池板发电效率的降低；而现有的定日跟踪器多为两轴分控式,其弊端是；成本高、故障率高、结构整合效果差。

发明内容

本发明的目的是提供一种无论上午、下午、还是春、夏、秋、冬都可保持太阳能电池板始终与太阳光线角度保持垂直、提高太阳能电池板发电效率的太阳能电池智能定日跟踪机器人。

本发明的太阳能电池智能定日跟踪机器人，包括竖向设置的管状主体立架，在主体立架上端转动连接有水平旋转主轴架，水平旋转主轴架与主体立架同轴设置，减速步进电机固定安装在主体立架上部内侧，减速步进电机的输出轴与水平旋转主轴架的下端固定连接；在水平旋转主轴架的两侧对称连接有太阳能电池板。

本发明的太阳能电池智能定日跟踪机器人，其中所述的主体立架上端通过螺栓固定连接有半周伞齿轮，所述的水平旋转主轴架通过半周伞齿轮与主体立架转动连接，水平旋转主轴架与半周伞齿轮之间设有承重轴承和向心轴承；

在水平旋转主轴架上通过齿轮轴轴承横向安装有俯仰主动直齿轮轴，在俯仰主动直齿轮轴的两端均一体紧固安装有与半周伞齿轮相啮合的从动锥齿轮；

在水平旋转主轴架上位于俯仰主动直齿轮轴的上方设有与俯仰主动直齿轮轴相平行的俯仰心轴，在俯仰心轴的两端连接有电池板连接法兰，所述的太阳能电池板连接在电池连接法兰上；

在俯仰心轴上套装有锚状的俯仰从动齿轮，俯仰从动齿轮的下部圆弧部分加工有直齿，该部分直齿与所述的俯仰主动直齿轮轴中部的直齿部分相啮合；在俯仰心轴上固定安装有俯仰调节蜗轮，在俯仰从动齿轮的侧边连接有转轴，在该转轴上套装有调节棘轮蜗杆，调节棘轮蜗杆与俯仰调节蜗轮相互啮合。

本发明的太阳能电池智能定日跟踪机器人，其中在调节棘轮蜗杆的转轴上套装有棘爪拨转滑座，在该转轴上、下部的三角形凹槽处和棘爪拨转滑座长孔中间设有O型复位簧片，在棘爪拨转滑座内侧设有棘爪，在调节棘轮蜗杆的端头设有与棘爪相啮合的外棘轮齿；

在水平旋转主轴架上与俯仰主动直齿轮轴的正交方向固定有推块固定座，棘爪滑座推块插入推块固定座的中心孔内，棘爪滑座推块的一端位于水平旋转主轴架侧面的U型开口内并两侧与水平旋转主轴架之间的间隙内均设有推块复位板簧，棘爪滑座推块的另一端上部有与棘爪拨转滑座相配的接触球头，下部与半周伞齿轮上平面处的凹槽相配。

本发明的太阳能电池智能定日跟踪机器人，其中在半周伞齿轮上位于半周齿的两端处的大半圆凹槽槽内均设有齿销拨转契块，换向中继齿销向半周伞齿轮的径向里侧端头的一部分呈扁形并插入齿销拨转契块的内孔，齿销拨转契块的内孔有对称的凸尖挡在换向中继齿销的扁形部分侧面，在齿销拨转契块和换向中继齿销的端头套装有保持齿销拨转契块直立的契块复位扭簧，中继齿销的另一部分为下部为顺向圆柱形的单一齿形，该齿形与半周伞齿轮的齿形相同，径向插入在半周伞齿轮上位于半周齿的两端处的大半圆凹槽槽内，在俯仰主动直齿轮轴上装有对称的与齿销拨转契块相配的齿销契块碾轮。

本发明的太阳能电池智能定日跟踪机器人在工作时段，无论在每一天的上午、中午还是下午，或者一年四季（春、夏、秋、冬）当中，可始终保持太阳能电池板垂直于太阳光线，明显提高太阳能电池板的发电效率。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的主视示意图；

图2是图1所示的左视剖视示意图；

图3是图1所示的俯视示意图；

图4是图1所示的B-B剖视示意图；

图5是图1所示的B向示意图；

图6是图2所示的a’- a’剖视示意图；

图7是图1所示的C-C半剖视示意图；

图8是本发明具体实施方式在十小时工作日控制区域图。

具体实施方式

如图1、2、3、6所示：1为管状的竖向设置的主体立架，在主体立架1上端转动连接有水平旋转主轴架3，即水平旋转主轴架3可相对于主体立架1转动，水平旋转主轴架3与主体立架1均为竖向同轴设置。

减速步进电机2固定安装在主体立架1上部内侧，减速步进电机2的输出轴与水平旋转主轴架3的下端固定连接，即减速步进电机2的输出轴插入水平旋转主轴架3的下端轴孔内并通过键联接，水平旋转主轴架3的下端轴头螺纹连接有轴架锁紧螺母4。在水平旋转主轴架3的两侧对称连接有太阳能电池板28。减速步进电机2运行时水平旋转主轴架3可带动太阳能电池板28每天随着太阳光线转动，完成太阳能电池板28对日的水平旋转跟踪，以提高发电效率。

主体立架1上端通过螺栓固定连接有半周伞齿轮7，半周伞齿轮7向上周边部分一半有齿，另一半为无齿平面（如图3、6）。水平旋转主轴架3通过半周伞齿轮7与主体立架1转动连接，水平旋转主轴架3与半周伞齿轮7之间设有承重轴承6和向心轴承5，水平旋转主轴架3通过承重轴承6和向心轴承5可相对于主体立架1和半周伞齿轮转动。

在水平旋转主轴架3上通过一对齿轮轴轴承8横向安装有俯仰主动直齿轮轴11，在俯仰主动直齿轮轴11的两端均安装有与半周伞齿轮7相啮合的从动锥齿轮10，当其中一个从动锥齿轮10位于半周伞齿轮7上的有齿部分中间位置时，另一个从动锥齿轮10刚好位于圆周无齿平面部分的中间位置（如图6）。

在水平旋转主轴架3上位于俯仰主动直齿轮轴11的上方设有与俯仰主动直齿轮轴11相平行的俯仰心轴13，在俯仰心轴13的两端固定连接有电池连接法兰25，太阳能电池板28通过螺栓固定连接在电池连接法兰25上。

在俯仰心轴13上套装有俯仰从动齿轮12，俯仰从动齿轮12可相对于俯仰心轴13转动，俯仰从动齿轮12只在下部有部分直齿，该部分直齿与俯仰主动直齿轮轴11中部的直齿部分相啮合（如图1、2）。在俯仰心轴13上通过销钉固定安装有俯仰调节蜗轮14。在俯仰从动齿轮12的对日侧边连接有转轴，该转轴与俯仰从动齿轮12为一体结构，在该转轴上套装有调节棘轮蜗杆15，调节棘轮蜗杆15可相对于该转轴转动。调节棘轮蜗杆15与俯仰调节蜗轮14相互啮合。

如图1、2所示：在套装调节棘轮蜗杆15的转轴上还套装有棘爪拨转滑座16，棘爪拨转滑座16的上下两臂将调节棘轮蜗杆15夹持在转轴中间，并在端头处设有用于轴向限位的卡环17。在该转轴对应棘爪拨转滑座16的上下两臂等高位置加工有三角形凹槽和棘爪拨转滑座16长孔之间设有O型复位簧片18，O型复位簧片18有两个并上下设置。在棘爪拨转滑座16上部内侧设有内齿棘爪29，在调节棘轮蜗杆15的上部端头设有与内齿棘爪29相啮合的外齿棘轮30，平时在O型复位簧片18的作用下，内齿棘爪29和外齿棘轮30处于分离状态(如图1)。当棘爪拨转滑座16的外侧受力，O型复位簧片18受挤压时，棘爪拨转滑座16沿长孔滑向转轴，内齿棘爪29和外齿棘轮30可相互啮合。

如图1、6、7所示：在水平旋转主轴架3上与俯仰主动直齿轮轴11的正交方向固定有推块固定座21，棘爪滑座推块19的一端插入并穿过推块固定座21的中心孔，与另一端销钉固连，棘爪滑座推块19位于水平旋转主轴架3侧面的开口内的一端，呈对称凸轮状，可在水平旋转主轴架3的U型槽内偏转一定角度，其中内藏式的直槽与水平旋转主轴架3的U型槽两壁之间的间隙内均设有推块复位板簧20，棘爪滑座推块19的另一端上部有与棘爪拨转滑座16相配的接触球头，下部与半周伞齿轮7上平面处的凹槽31相配，凹槽31位于半周伞齿轮7上的无齿平面的中间位置。水平旋转主轴架3拖动棘爪滑座推块19转动走行，棘爪滑座推块19的下端部转动至凹槽31内时，棘爪滑座推块19在推块复位板簧20的作用下复位而处于竖直状态，当继续走行离开凹槽31时，在凹槽31侧边的阻挡下产生向另一侧的歪斜，歪斜时推块复位板簧20被挤压变形。

如图1、4、5所示：在半周伞齿轮7上位于半周齿的两端处的大半圆凹槽齿槽内均设有齿销拨转契块22，换向中继齿销23向半周伞齿轮7的径向里侧的端头一部分呈扁形并插入齿销拨转契块22的内孔（如图4），齿销拨转契块22的内孔有对称的凸尖挡在换向中继齿销23端头的扁形部分侧面。在齿销拨转契块22和换向中继齿销23的端头套装有保持齿销拨转契块22直立的契块复位扭簧24。换向中继齿销23的另一部分为下部为顺向圆柱形的单一齿形，该齿形与半周伞齿轮7的齿形相同,径向插入在半周伞齿轮上位于半周齿的两端处的大半圆凹槽槽内；在俯仰主动直齿轮轴11上装有对称的与齿销拨转契块22对位的齿销契块碾轮9。俯仰主动直齿轮轴11随水平旋转主轴架3转动时，当齿销契块碾轮9压向齿销拨转契块22时，齿销拨转契块22内孔中的凸尖可拨动中继齿销23在大半圆凹槽内转动，使中继齿销23的单一齿部分旋起，并补充在半周伞齿轮7的齿端部，保证了其中一个从动锥齿轮10转动至半周伞齿轮7的齿端部并相互啮合的齿分离时，另一个从动锥齿轮10在半周伞齿轮7的另一齿端部能及时与半周伞齿轮7啮合。

在半周伞齿轮7上方罩有防尘罩26，防尘罩26将位于半周伞齿轮7上方的所有部件全部罩在其内，防尘罩26下口周边与半周伞齿轮7外侧周边通过密封法兰滑动连接,两则开口处与电池连接法兰25周边通过密封件防尘滑动连接。

工作过程如下：如图8所示：系统设定好工作时域和调节时域后，由时间控制器，控制系统的整体运行，早晨七点（可设定！七点至六点则被视为回程调节时域，同理，下午五点至六点则视为当日跟踪结束调节区域），太阳能电池定日跟踪机器人面对东方偏南15度方向，减速步进电机2接受指令信号发生转动，输出轴带动水平旋转主轴架3同时转动,初始位置于南北向安置在半周伞齿中间位置的成180度对称轴承安装在水平旋转主轴架3上的从动锥齿轮10的其中一个，因与固定半周伞齿轮7的半周伞齿啮合而发生走行并转动，同时带动俯仰主动直齿轮轴11转动，此时，对面的另一个从动锥齿轮10处于半周伞齿轮7的半周无齿啮合面中间，从而只能随之一起发生空转；俯仰主动直齿轮轴11的转动,也带动与之啮合的俯仰从动齿轮12以俯仰心轴13为轴心减速转动；俯仰从动齿轮12转动的同时，还带动同为穿过俯仰心轴13、且与安装在圆缺形俯仰从动齿轮12的玄臂上的调节棘轮蜗杆15相啮合的俯仰调节蜗轮14一起发生同步转动；又由于太阳电池板28通过电池连接法兰25固定联接在俯仰心轴13两端，这样太阳电池板28也就随着水平旋转主轴架3和俯仰心轴13一起既做平面、同时也做垂直俯仰的定日二维转动了。当时间来到中午，水平旋转主轴架3带动整个旋转装置转动到正交中心位置、也就是系统放置的正南向， 俯仰系统、以及太阳电池板28对日仰角达到当天最大；此时，与固定半周伞齿轮7的半周伞齿啮合的一个从动锥齿轮10移出啮合面，而另一个从动锥齿轮10尚未与固定半周伞齿轮7的半周伞齿啮合而处于空档位置，旋转方向上半周伞齿轮7即将齿合一则的齿销拨转契块22受旋转到此位置的固定在俯仰主动直齿轮轴11的齿销契块碾轮9碾压作用，和契块复位扭簧24一起在槽内旋下倒向入齿向一边,而与之相连的换向中继齿销23旋起，齿入从动锥齿轮10齿间，从而保持俯仰从动齿轮12以及太阳电池板28不会在此换向位置失去控制而发生误转动；另一侧的出齿方向上的齿销拨转契块22，也在另一端固定在俯仰主动直齿轮轴11的齿销契块碾轮9碾压作用下，和契块复位扭簧24一起在槽内旋下倒向出齿向一边，这时，齿销拨转契块22与换向中继齿销23产生滑转，不影响系统状态，随着水平旋转主轴架3继续带动俯仰主动直齿轮轴11平面转动，齿销契块碾轮9失去对齿销拨转契块22碾压作用之后，齿销拨转契块22与换向中继齿销23由契块复位扭簧24在槽中复位。同时，棘爪滑座推块19随水平旋转主轴架3正好转动到设置在半周伞齿轮7上的凹槽位置，棘爪滑座推块19受到推块复位板簧20的作用，在凹槽中复位；时间继续走行，水平旋转主轴架(3)继续拖动棘爪滑座推块（19）转出凹槽时，凹槽上沿使得棘爪滑座推块19倒向另一边；而上午闲置侧的从动锥齿轮10也进入半周伞齿轮7的啮合面，又带动俯仰主动直齿轮轴11啮合着俯仰从动齿轮12反向转动，垂直跟踪系统运行呈上午的反过程，系统的对日仰角逐渐变小，而水平对日跟踪系统仍然顺时针转动，这样，到下午五点半，既完成一天对太阳的两维定日跟踪；一天中，系统随着时间平面转动到终点位置和退回到起点位置，俯仰从动齿轮12向对日方向棘爪拨转滑座16的球头端，有两次向下转动触碰到设置在水平旋转主轴架3上的棘爪滑座推块19上的顶端球面的机会，而由于棘爪滑座推块19随水平旋转主轴架3转动时经过半周伞齿轮7上的凹槽而变向，使得进程和回程时棘爪滑座推块19顶端球头的偏转方向不同，当装置在锚状俯仰从动齿轮12玄臂上的棘爪拨转滑座16的球头部下端弧面，随俯仰从动齿轮12旋转到下部棘爪滑座推块19顶端球头位置时，在棘爪滑座推块19上的顶端球面向轴心一侧的顶力作用下，棘爪拨转滑座16首先克服O形复位片簧18的弹力，沿其上的长孔，向轴心径向移动，使棘爪和棘轮紧密结合，随着俯仰从动齿轮12的继续向下旋转，偏置的棘爪滑座推块19球头将与棘爪拨转滑座16的球头发生触碰，并将棘轮顶转动一个齿角，调节棘轮蜗杆15的转动，也使得俯仰调节蜗轮14相对于俯仰从动齿轮12转动了一个角度；又由于太阳电池板28、俯仰心轴13与俯仰调节蜗轮14之间是刚性固定连接，所以，太阳电池板28就变动了与每日基础转轮——俯仰从动齿轮12间的一个初始角度；完成当日调节后，减速步进电机2带动系统反转，系统中所有机械联动部件，如同影像倒播一样按原动作和线路返回，棘爪拨转滑座16也随着俯仰从动齿轮12向上旋起，失去棘爪滑座推块19球头的顶力作用的棘爪拨转滑座16受O形复位片簧18的作用，使棘爪和棘轮脱开，并自动转回到初始设定位置；系统也继续回程到一天中的启始位置，等待下一个工作日的到来；系统可根据需求,通过控制水平旋转主轴架3一天中转动角度的大小即选择此时过转到下午六点，还是返回后过转到早晨六点的方式，控制选择棘爪拨转滑座16的球头是否与棘爪滑座推块19球头发生碰撞偏转,是结束跟踪工况的傍晚偏转,还是回程等待工况的清晨碰撞偏转(两个位置的碰撞的结果，由于棘爪滑座推块19球头的偏转方向不同，从而带动棘爪拨转滑座16向两个不同的的方向推动棘轮蜗杆15的转动，使俯仰调节蜗轮14有效带动太阳电池板28于每天的工作前变动对日初始仰角。这一过程描述为：太阳电池板28在冬至——夏至期间的初始仰角上调，和夏至——冬至期间的初始仰角下调，周而复始，循回不断。本跟踪器通过数学建模于机械联动结构中，其机理高度契合太阳天体的运行机理，可保持太阳能电池板始终与太阳光线相互垂直，提高了太阳能电池板的发电效率。

Claims (3)

1.一种太阳能电池智能定日跟踪机器人，其特征在于：

包括竖向设置的管状主体立架（1），在主体立架（1）上端转动连接有水平旋转主轴架（3），水平旋转主轴架（3）与主体立架（1）同轴设置，减速步进电机（2）固定安装在主体立架（1）上部内侧，减速步进电机（2）的输出轴与水平旋转主轴架（3）的下端固定连接；在水平旋转主轴架（3）的两侧对称连接有太阳能电池板（28）；

所述的主体立架（1）上端通过螺栓固定连接有半周伞齿轮（7），所述的水平旋转主轴架（3）通过半周伞齿轮（7）与主体立架（1）转动连接，水平旋转主轴架（3）与半周伞齿轮（7）之间设有承重轴承（6）和向心轴承（5）；

在水平旋转主轴架（3）上通过齿轮轴轴承（8）横向安装有俯仰主动直齿轮轴（11），在俯仰主动直齿轮轴（11）的两端均安装有与半周伞齿轮（7）相啮合的从动锥齿轮（10）；

在水平旋转主轴架（3）上位于俯仰主动直齿轮轴（11）的上方设有与俯仰主动直齿轮轴（11）相平行的俯仰心轴（13），在俯仰心轴（13）的两端连接有电池连接法兰（25），所述的太阳能电池板（28）连接在电池连接法兰（25）上；

在俯仰心轴（13）上套装有锚状的俯仰从动齿轮（12），俯仰从动齿轮（12）的下部有部分直齿，该部分直齿与所述的俯仰主动直齿轮轴（11）中部的直齿部分相啮合；在俯仰心轴（13）上固定安装有俯仰调节蜗轮（14），在俯仰从动齿轮（12）的侧边连接有转轴，在该转轴上套装有调节棘轮蜗杆（15），调节棘轮蜗杆（15）与俯仰调节蜗轮（14）相互啮合。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池智能定日跟踪机器人，其特征在于：在调节棘轮蜗杆（15）的转轴上套装有棘爪拨转滑座（16），在该转轴和棘爪拨转滑座（16）之间设有O型复位簧片（18），在棘爪拨转滑座（16）内侧设有内齿棘爪（29），在调节棘轮蜗杆（15）的端头设有与内齿棘爪（29）相啮合的外棘轮齿（30）；

在水平旋转主轴架（3）上与俯仰主动直齿轮轴（11）的正交方向固定有推块固定座（21），棘爪滑座推块（19）插入推块固定座（21）的中心孔内，棘爪滑座推块（19）的一端位于水平旋转主轴架（3）侧面的U型开口内,并且两侧与水平旋转主轴架（3）之间的间隙内均设有推块复位板簧（20），棘爪滑座推块（19）的另一端上部有与棘爪拨转滑座（16）相配的接触球头，下部与半周伞齿轮（7）上平面处的凹槽（31）相配。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池智能定日跟踪机器人，其特征在于：在半周伞齿轮（7）上位于半周齿的两端处的大半圆凹槽槽内均设有齿销拨转契块（22），换向中继齿销（23）向半周伞齿轮的径向里侧端头的一部分呈扁形并插入齿销拨转契块（22）的内孔，齿销拨转契块（22）的内孔有对称的凸尖挡在换向中继齿销（23）的扁形部分侧面，在齿销拨转契块（22）和换向中继齿销（23）的端头套装有保持齿销拨转契块（22）直立的契块复位扭簧（24），中继齿销（23）的另一部分为下部为顺向圆柱形的单一齿形，该齿形与半周伞齿轮（7）的齿形相同，径向插入在半周伞齿轮上位于半周齿的两端处的大半圆凹槽槽内，在俯仰主动直齿轮轴（11）上装有对称的与齿销拨转契块（22）相配的齿销契块碾轮（9）。