本發明屬于機械式計時控制方法及系統領域，具體涉及一種計時轉向方法、計時轉向裝置及追日系統。

背景技術：

太陽能是地球分布最廣的可再生能源，針對太陽能的光伏發電、光熱利用等光能利用裝置目前已廣泛得到應用。保持光能利用裝置正對太陽，保持太陽光的光線垂直照射，對提高光能利用效率至關重要。自動轉向追日裝置是調節光能利用裝置的方位角和俯仰角變化以保證太陽光直射的一類追蹤裝置，目前已有多種追日裝置的技術出現。

申請公布號為cn105429574a的專利公開了一種自調節光伏組件支架及其調節方法，該自調節光伏組件支架包括支架立柱(基座)以及與支架立柱連接，可沿自身軸向方向轉動的支架主梁，支架主梁上設置向外延伸的延伸支架(支撐架)，還包括設置在延伸支架上的配重結構，用于使所述延伸支架的重心與所述支架主梁不重合；延伸支架上還設有動力水箱，動力水箱設置有排水管道和流量控制閥門，通過控制動力水箱定量排水使動力水箱的重量變化，所述延伸支架轉動到相應能夠實現延伸支架力矩平衡的傾斜角度。該自調節光伏組件支架降低了傳統追日系統的控制難度，但配重結構及水箱排水管路的設置較為復雜；其通過流量控制閥門的開閉進行調節，調節精度較低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種計時轉向方法，從而解決現有追日裝置的轉向調節結構復雜的問題。本發明同時提供一種計時轉向裝置和追日系統。

為實現上述目的，本發明的計時轉向方法的技術方案是：

一種計時轉向方法，包括以下步驟：在與支撐件轉動連接的轉向杠桿上，連續或間斷改變位于轉向杠桿上的配重物的配重大小，位于轉向杠桿上的彈性部件產生的彈性力與配重物的配重變化實現力矩平衡，進而使轉向杠桿的轉向發生變化。

所述配重物為固體配重物或液體配重物。

轉向杠桿的轉向追蹤太陽的經度和/或緯度變化，在轉向杠桿的朝陽側上連接光能利用裝置。

本發明提供的計時轉向方法，通過改變轉向杠桿上配重物的大小使轉向杠桿的平衡發生變化，從而實現計時調整轉向杠桿位置的功能；該計時轉向方法與現有電機調節追日裝置的轉向方法相比，轉向結構簡單，成本和維護難度低，運行可靠性好。

本發明的計時轉向裝置的技術方案是：

一種計時轉向裝置，包括支撐件和與支撐件轉動連接的轉向杠桿，所述轉向杠桿上設有用于使轉向杠桿向沿重力方向轉動的配重結構，還設有用于平衡所述配重結構的配重變化的彈性部件。

所述轉向杠桿包括轉向支架，在轉向支架的朝陽側上設置光能利用裝置。

本發明的計時轉向裝置利用配重結構和彈性部件在轉向杠桿上產生方向相反的力矩，隨配重結構的配重變化實現力矩動態平衡。彈性部件的種類可根據轉向軸、彈簧、配重結構的相對位置靈活設置，例如，可選擇以下設置方式：

所述彈性部件為拉力彈簧，轉向支架通過轉向軸與支撐件轉動連接，所述轉向軸位于轉向支架的中部，在轉向支架上位于轉向軸的兩側分別設置所述配重結構和所述拉力彈簧。

所述彈性部件為壓力彈簧，轉向支架通過轉向軸與支撐件轉動連接，所述轉向軸位于轉向支架的一端，在轉向支架上遠離轉向軸的端部分別設置所述配重結構和所述壓力彈簧。

所述轉向軸沿南北方向延伸，轉向支架隨配重結構的配重變化在東西方向轉動，形成追蹤太陽經度變化的方位角追蹤裝置；或者所述轉向軸沿東西方向延伸，轉向支架隨配重結構的配重變化在在南北方向轉動，形成追蹤太陽緯度變化的俯仰角追蹤裝置。

所述配重結構為固體配重物或液體配重物。可通過間歇或連續改變配重結構的配重變化，實現轉向杠桿的間歇或連續調節。

優選的，液體配重物可采用以下方案：

所述配重結構包括設于轉向支架上的上液箱和設于上液箱下方的下液箱，上液箱、下液箱之間連接有連通管和雙向計量泵。

支撐件上設有用于將轉向支架限制在最大轉向角度處的限位器；限位器可以選擇彈性部件，其可有效減小大風天氣情況下轉向杠桿受到的沖擊力。

本發明的計時轉向裝置，轉向調節結構簡單，利用彈簧、水箱形式的動態力矩平衡，可增加系統對外界惡劣環境的適應性，降低控制系統難度，增加轉向調節精度。

本發明的追日系統所采用的技術方案是：

一種追日系統，其特征在于，包括多個計時轉向裝置，各計時轉向裝置均包括支撐件和與支撐件轉動連接的轉向杠桿，所述轉向杠桿上設有用于使轉向杠桿向沿重力方向轉動的配重結構，還設有用于平衡所述配重結構的配重變化的彈性部件；所述轉向杠桿包括轉向支架，在轉向支架的朝陽側上設置光能利用裝置；

所述配重結構包括設于轉向支架上的上液箱，還包括供各計時轉向裝置上的上液箱共用的下液箱，各上液箱之間相互連通，其中一個上液箱和下液箱之間連接有連通管和雙向計量泵；

各計時轉向裝置的轉向支架之間固定連接實現一致轉動。

可通過上述追日系統實現方位角追蹤或俯仰角追蹤。如，各轉向支架的轉向軸線沿南北方向延伸，轉向支架隨配重結構的配重變化在東西方向轉動，形成追蹤太陽經度變化的方位角追日系統；或者各轉向支架的轉向軸線沿東西方向延伸，轉向支架隨配重結構的配重變化在在南北方向轉動，形成追蹤太陽緯度變化的俯仰角追日系統。

進一步的，可通過上述追日系統同時實現方位角追蹤和俯仰角追蹤。可采用以下方案：

各計時轉向裝置的轉向支架均包括上下設置的方位角支架、俯仰角支架，或者上下設置的俯仰角支架、方位角支架，方位角支架的轉向軸線沿南北方向延伸，俯仰角支架的轉向軸線沿東西方向延伸；各方位角支架一致轉動，各俯仰角支架一致轉動，形成追蹤太陽經度和緯度變化的雙軸追日裝置。

各方位角支架上設有方位角上水箱和彈性部件，各俯仰角支架上設有俯仰角上水箱和彈性部件，各方位角上水箱相互連通，各俯仰角上水箱相互連通，位于方位角上水箱、俯仰角上水箱的下方設有下水箱，其中一個方位角上水箱、其中一個俯仰角上水箱和下水箱之間均通過連通管和雙向計量泵連接，實現各方位角支架的一致轉動和各俯仰角支架的一致轉動。

本發明的追日系統，結構簡單，運行穩定性好，維護成本低，適于推廣應用。

附圖說明

圖1為本發明的計時轉向裝置實施例1的結構示意圖；

圖2為圖1的計時轉向裝置在冬至日、夏至日的轉向示意圖；

圖3為本發明的計時轉向裝置實施例2的結構示意圖；

圖4為圖3的計時轉向裝置在冬至日、夏至日的轉向示意圖；

圖5為本發明的計時轉向裝置實施例3的結構示意圖；

圖6為實施例3的計時轉向裝置的系統控制框圖；

圖7為本發明的計時轉向裝置實施例4的結構示意圖；

圖8為實施例4的計時轉向裝置的系統控制框圖；

圖9為本發明的追日系統實施例5的結構示意圖；

圖10為圖9由東向西看的結構示意圖；

圖11為圖9由西向東看的結構示意圖；

圖12為圖9由南向北看的結構示意圖；

圖13為本發明的追日系統實施例6的結構示意圖；

圖14為圖13由北向南看的結構示意圖；

圖15為本發明的追日系統實施例7的結構示意圖；

圖16為本發明的追日系統實施例8的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明。

本發明的計時轉向裝置的實施例1，如圖1至圖2所示，包括支撐件1和通過轉向軸2與支撐件1轉動連接的轉向支架3，轉向支架3的朝陽側上設有光伏組件4，轉向軸2位于轉向支架3的中部，在轉向支架3上位于轉向軸2的兩側分別連接有拉力彈簧50和配重結構6，拉力彈簧的另一端固定于支撐件1上，配重結構6包括配重掛架和位于配重掛架內的配重物。

實施例1中，太陽從冬至日到夏至日期間，其光線和水面垂線的夾角變化范圍為47°，換算后每日變化角度為0.26°，由于日變化量過小，可采用根據設定的時間間隔增減配重塊的形式進行間歇調節；如圖2所示，配重掛架內清空時，轉向支架與水平面的夾角最大，滿足冬至日正午時，入射光線基本垂直光伏組件(或光熱組件)；當配重掛架內配重物增添到最多時，轉向支架和水平面之間夾角最小，滿足夏至日正午時，入射光線基本垂直于光伏組件。

配重物若選擇固體配重塊，配重塊選擇等重物，每個配重掛架配置的配重塊數量確定的情況下，增減配重塊的時間間隔根據力矩平衡關系事先設定好。配重塊數量越多，增減配重塊的間隔時間越短，追蹤精度越高。

彈簧的倔強系數等參數選擇，和轉向支架的重量、光伏組件的重量以及轉向支架的尺寸相關，彈簧的倔強系數還應滿足在給定風力條件下，計時轉向裝置不發生明顯的震顫；此外彈簧還可有效減輕光伏組件受到的風壓影響，當風力較大時，彈簧可以有效地消能，減輕對光伏組件及轉向支架的破壞作用。

本發明的計時轉向裝置的實施例2，如圖3至圖4所示，包括支撐件1和通過轉向軸2與支撐件1轉動連接的轉向支架3，轉向支架3的朝陽側上設有光伏組件4，轉向軸2位于轉向支架3的一端，在轉向支架3上沿遠離轉向軸2的一側上分別設置壓力彈簧51和配重結構6，壓力彈簧的另一端固定于支撐件1上，配重結構6包括配重掛架和位于配重掛架內的若干配重塊。

實施例2中，太陽從冬至日到夏至日期間，轉向支架的轉向變化如圖4所示；具體設置時，壓力彈簧和水平面垂線可有一定傾角，當春分或秋分日時，彈簧垂直于轉向支架，配重結構的配重塊調整方法可參照實施例1。

本發明的計時轉向裝置的實施例3，如圖5所示，包括支撐件1和通過轉向軸2與支撐件1轉動連接的轉向支架3，轉向支架3的朝陽側上設有光伏組件4，轉向軸2位于轉向支架3的中部，在轉向支架3的西側連接拉力彈簧50，拉力彈簧50的另一端固定于支撐件1水平伸出的橫桿150上，在轉向支架3的東側設置配重結構，配重結構包括設于轉向支架上的方位角上水箱70、設于方位角上水箱70下方的下水箱10，方位角上水箱70、下水箱10之間連接有連通管80和通氣管82，連通管80上接有雙向計量泵801；支撐件1上還設有斜向外伸出的限位器9，以將轉向支架限制在最大轉向角度處。

實施例3中，配重結構采用液體配重物，可以為水、油等；彈簧的形變量和所受力之間基本呈線性關系。方位角追蹤的系統控制框圖如圖6所示，設定的控制方位角由當前時間計算得到，作為前饋；實測的方位角作為反饋，和控制方位角比較，修正雙向計量水泵的流速值。日出之前，通過雙向計量泵向方位角上水箱內上水，直至限位器處，追蹤太陽方位角過程中，根據時間值計算出太陽方位角目標值，和實測轉向支架的方位角值比較，根據差值，調整雙向計量泵向下水箱泵水的流速、流向，進而控制方位角上水箱的流出水量，基于方位角上水箱內剩余水量和拉力彈簧之間產生的力矩平衡，從而實現計時調整轉向支架的轉向功能。

該實施例中，由于彈簧和上水箱屬于分布式布置，轉向支架的受力比較均勻，不致因受力不均而使裝置損壞，提高了裝置的可靠性。

本發明的計時轉向裝置的實施例4，如圖7所示，包括支撐件1和通過轉向軸2與支撐件1轉動連接的轉向支架3，轉向支架3的朝陽側上設有光伏組件4，轉向軸2位于轉向支架3的一端，在轉向支架3上沿遠離轉向軸2的一側上分別設置壓力彈簧51和配重結構，壓力彈簧51的另一端固定于支撐件1上，配重結構包括設于轉向支架上的俯仰角上水箱71、設于俯仰角上水箱71下方的下水箱10，俯仰角上水箱71、下水箱10之間連接有連通管80和通氣管82，連通管80上接有雙向計量泵。

該實施例用于太陽的俯仰角追蹤，系統控制框圖如圖8所示，設定的控制俯仰角由當前時間計算得到，作為前饋；實測的俯仰角作為反饋，和控制俯仰角比較，若使用連續調節方式，修正雙向計量水泵的流速值；若使用間歇式調節，則當偏差達到設定值以上時，啟動水泵，水泵按照預設的運轉時間長度、運轉方向進行一次泵水，保持俯仰角轉向支架位置和太陽的緯度位置一致，從而實現自動追蹤太陽緯度位置功能。

考慮到俯仰角的變化速度非常緩慢，優選地，采用間歇式調節，相應地，雙向計量泵可以選擇為雙向泵即可，泵水的時間間隔、每次泵水的時間長度由控制裝置調整。

上述計時轉向裝置是利用以下方法進行計時轉向：在與支撐件轉動連接的轉向杠桿上，連續或間斷改變位于轉向杠桿上的配重物的配重大小，位于轉向杠桿上的彈性部件產生的彈性力與配重物的配重變化實現力矩平衡，進而使轉向杠桿的轉向發生變化。

本發明的追日系統的實施例5，如圖9～圖12所示，包括多個沿南北方向排列的轉動一致的計時轉向裝置(方位角追蹤)，每個計時轉向裝置均包括支撐件1和通過沿南北方向延伸的轉向軸2與支撐件1轉動連接的轉向支架3，在轉向支架3的朝陽側上連接光伏組件4，各轉向支架之間固定連接；轉向軸2位于轉向支架3的中部，各計時轉向裝置的支撐件1上設有向外伸出的沿東西方向延伸的橫桿150，各橫桿150之間通過沿南北方向延伸的水平桿151連接，在每個轉向支架3上位于轉向軸2的西側連接拉力彈簧50的一端，拉力彈簧50的另一端連接于水平桿151上，在每個轉向支架3上位于轉向軸2的東側設置方位角上水箱70，各方位角上水箱70之間通過連通管700相互連通，在方位角上水箱70的下方設置供各方位角上水箱共用的下水箱10，其中一個方位角上水箱70、下水箱10通過連通管和雙向計量泵相連接，方位角上水箱和下水箱的頂部之間還設有通氣管以保證氣壓相等。

該實施例中，各方位角追蹤裝置沿南北方向串列布置并保持在東西方向的轉動一致，由于使用了共用的下水箱，降低了造價和控制系統的復雜性。

本發明的追日系統的實施例6，如圖13～圖14所示，包括多個沿東西方向排列的轉動一致的計時轉向裝置(方位角追蹤)，每個計時轉向裝置均包括支撐件1和通過沿南北方向延伸的轉向軸2與支撐件1轉動連接的轉向支架3，在轉向支架3的朝陽側上連接光伏組件4；轉向軸2位于轉向支架的中部，在轉向支架3上位于轉向軸2的西側連接拉力彈簧50的一端，拉力彈簧50的另一端連接于支撐件1向外伸出的沿東西方向延伸的橫桿上，在轉向支架3上位于轉向軸2的東側設置方位角上水箱70，各方位角上水箱70之間通過連通管700相互連通，在方位角上水箱70的下方設置供各方位角上水箱共用的下水箱10，方位角上水箱70、下水箱10之間的連接管路與追日系統的實施例1相同；各轉向支架3上位于轉向軸2的東側設有向外伸出的連接桿170，各連接桿與沿東西方向延伸的聯動連桿171通過聯動連桿轉向軸172轉動連接，以實現各計時轉向裝置沿東西方向的一致轉動。

本發明的追日系統的實施例7，如圖15所示，包括多個沿東西方向排列的轉動一致的計時轉向裝置(俯仰角追蹤)，每個計時轉向裝置均包括支撐件1和通過沿東西方向延伸的轉向軸2與支撐件1轉動連接的轉向支架3，在轉向支架3的朝陽側上連接光伏組件4；轉向軸2位于轉向支架3的南側端部，在遠離轉向軸2的北側依次設置壓力彈簧51和俯仰角上水箱71，壓力彈簧51的另一端連接于支撐件1上，各轉向支架3之間固定連接，各計時轉向裝置的俯仰角上水箱、下水箱的設置與追日系統的實施例1中的方位角上水箱、下水箱的設置相同，在此不再詳述。

本發明的追日系統的實施例8，如圖16所示，包括多個轉動一致的沿南北方向排列的計時轉向裝置(方位角和俯仰角追蹤)，每個計時轉向裝置包括上下設置的俯仰角追蹤裝置和方位角追蹤裝置，俯仰角追蹤裝置包括俯仰角轉向支架30和設于俯仰角轉向支架30南側端部的沿東西方向延伸的俯仰角轉向軸20，俯仰角轉向支架30上設有光伏組件4；各個俯仰角追蹤裝置沿南北方向順序排列，各俯仰角追蹤裝置均設有向外伸出的連接桿170，各連接桿通過聯動連桿轉向軸172與沿南北方向延伸的聯動連桿171轉動連接，實現各俯仰角追蹤裝置沿南北方向的一致轉動；

方位角追蹤裝置包括支撐件1和通過沿南北方向延伸的方位角轉向軸21與支撐件1轉動連接的方位角支架31，俯仰角轉向軸20設于方位角支架31上，在俯仰角轉向支架30上遠離俯仰角轉向軸20的北側依次連接壓力彈簧51的一端和俯仰角上水箱71，壓力彈簧51的另一端連接于方位角支架31上；在各方位角支架31上位于方位角轉向軸21的東側設置方位角上水箱70，位于方位角轉向軸21的西側連接拉力彈簧的一端，拉力彈簧的另一端連接于支撐件1向外伸出的沿東西方向延伸的橫桿上；各俯仰角上水箱71之間通過連通管相互連通，各方位角上水箱70之間通過連通管相互連通，位于方位角上水箱的下方設有供各俯仰角上水箱、各方位角上水箱共用的下水箱10，其中一個方位角上水箱、其中一個俯仰角上水箱與下水箱之間均連接有連通管和通氣管，連通管上串聯有雙向計量泵；多個方位角追蹤裝置沿南北方向排列，各方位角支架31之間固定連接，實現各方位角追蹤裝置隨方位角上水箱內水量的變化在東西方向的轉動一致。

在本發明的追日系統的其他實施例中，彈性部件、配重結構的位置可以根據需要互換，滿足力矩平衡條件即可；可以按照上述南北串列方式和東西串列方式設置成陣列分布的追日系統；液體配重物可選擇油或其他液體。