一种使用形状记忆合金的纯机械太阳追踪装置

技术领域

本发明涉及光能利用技术领域，具体是一种使用形状记忆合金的纯机械太阳追踪装置。

背景技术

太阳是人类最为重要的能量来源，太阳能的利用已经全面进入我们的视野。但现今对于太阳能的利用率仍待提高，一个行之有效的思路便是提高太阳能的接收效率。理论分析表明，在特定条件下，对日光进行跟踪，保持太阳能收集装置始终被阳光垂直照射可将能量的接收率提高20-40％，大幅提高太阳能利用率。目前市面上的太阳能跟踪装置，按照跟踪轴数量可分为单轴和双轴，采用的追踪原理有光敏传感、光电传感、集热传感、定时转向、预设太阳轨道等，采用的驱动原理有电机驱动、压差驱动、控放式偏重驱动等。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)是一种智能材料，具有形状记忆效应(Shape Memory Effect,SME)，再加之其具有超弹性、高电阻特性，所以从上世纪60年代末，形状记忆合金开始被广泛应用到工业之中，涉及到机械、医疗、机器人、航空航天及日常生活等诸多领域。形状记忆效应主要分为单程、双程和全程，意为合金材料可以储存其形状信息，并在一定条件下还原为奥氏体状态；超弹性指的是合金实际的应变值可以高于对应的弹性极限应变量，消除应力条件时还能还原为最初形态。

现今太阳跟踪系统可以分为单轴跟踪和双轴跟踪两种类型，显然双轴跟踪能够更好地提升太阳光线的接收率，但考虑到成本问题，单轴跟踪器也具有其市场，另外单轴跟踪器的追踪思路也可以进行整合，从而达成双轴追踪的目的。本文查阅并分析了迄今为止发明的多种太阳跟踪系统，并归纳了它们各自的优缺点进行分类，由此可以说明本文设计的太阳跟踪系统的独特优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用形状记忆合金的纯机械太阳追踪装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种使用形状记忆合金的纯机械太阳追踪装置，包括：

俯仰轴部、以及与所述俯仰轴部连接的方位轴部，所述方位轴部上还设置有支撑柱；

所述俯仰轴部和方位轴部均具有静息状态、偏光状态、平衡状态和过平衡状态；且四种状态可以自动切换。

作为本发明再进一步的方案：其中，所述俯仰轴部包括面板支柱，所述面板支柱的顶部通过转轴活动连接有遮光面板，所述遮光面板的两侧通过连接杆设置有抛物面反射聚光板，所述连接杆相对于面板支柱的端面上铰接有弹簧一。

作为本发明再进一步的方案：其中，两个所述连接杆处于平行设置且垂直于遮光面板，且两个抛物面反射聚光板分别固定于连接杆的端部。

作为本发明再进一步的方案：其中，一部分光线射在遮光面板上，还有一部分光线射在抛物面反射聚光板上，通过聚光板的反射，可以将这一部分光线经过聚光板的作用反射在右侧的弹簧一处形成受到光照部分区域。

作为本发明再进一步的方案：其中，所述方位轴部包括套接在所述支撑柱上的基座齿轮，所述基座齿轮的外侧啮合连接有齿条，所述支撑柱的两侧固定安装有对称分布的连接臂，所述连接臂的端点处分别与抛物面反射聚光板固定连接，所述齿条与连接臂之间铰接有弹簧二。

作为本发明再进一步的方案：其中，两个所述抛物线反射聚光板成一固定夹角设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.相比于市面上已有的电机驱动追踪装置，本机构的材料、制造成本较低；

2.利用形状记忆合金的相变效应使其发挥传感器和驱动器作用，纯机械结构不会耗散收集的电能；

3.本机构尺寸可灵活调整，使得应用范围更加广泛；

4.本机构相比其它机械追踪装置，实现了对太阳俯仰轴和方位轴的双轴追踪，效果更好。

附图说明

图1为本发明中整体结构示意图；

图2为本发明中俯仰轴部分静息状态示意图；

图3为本发明中俯仰轴偏光状态示意图；

图4为本发明中俯仰角平衡状态示意图；

图5为本发明中俯仰角过平衡状态示意图；

图6为本发明中方位角静息状态示意图；

图7为本发明中方位角偏光状态示意图；

图8为本发明中方位角平衡状态示意图；

图9为本发明中方位角过平衡状态示意图；

图10为本发明中任一单程热缩SMA弹簧的刚度-温度曲线示意图；

图11为本发明中新增的一对弹簧的刚度曲线示意图；

图12为本发明中并联后的整体刚度曲线和新的适用温度区间示意图；

图13为本发明中没有挡光板时的光线热区示意图；

图14为本发明中加上挡光板之后的光线热区示意图。

图中各附图标注与部件名称之间的对应关系如下：

100、太阳能追踪装置；10、俯仰轴部；11、面板支柱；12、转轴；13、遮光面板；14、连接杆；15、抛物面反射聚光板；16、弹簧一；20、方位轴部；21、基座齿轮；22、齿条；23、连接臂；24、弹簧二；30、支撑柱。

具体实施方式

请参阅图1，其为本实施例中的整体结构示意图，该太阳能追踪装置100包括俯仰轴部10和方位轴部20，所述太阳能追踪装置100通过基座齿轮21安装在指定位置上。

所述俯仰轴部10包括面板支柱11，成对面板支柱11的设计，可以让弹簧一16更好与面板支柱11连接。所述面板支柱11的顶部通过转轴12活动连接有遮光面板13，所述面板13的两侧通过连接杆14设置有抛物面反射聚光板15，所述连接杆14相对于面板支柱11的端面上铰接有弹簧一16，所述弹簧一16为形状记忆合金材料制作。在本实施例中，首先将面板支柱11与水平成一恒定的俯仰角，此俯仰角的角度需要结合使用地区的日照情况进行设定，此设定的目的是尽量减小工作过程中，阳光相对于静息状态在单侧的偏离角度，这个角度越大，越会影响追踪效果。遮光面板13在转轴12的作用下，可以绕轴自由转动，并且转轴处于面板中心线。两个连接杆14处于平行设置且垂直于遮光面板13，且两个抛物面反射聚光板15分别固定于连接杆14的端部，而且两个反射聚光板成一定夹角。

进一步的，两个弹簧一16的尺寸和奥氏体相、马氏体相下的物理性质要确保在工程意义上完全相同，安装在本装置上的方式和位置也要相对于中轴对称。弹簧一16采用单程记忆的合金，奥氏体相的原长小于马氏体相，刚度则过之(也即热缩的SMA弹簧)；而且要求要确保弹簧在未受热的马氏体状态下，是处于受拉状态的。形状如图2所示。

如图3所示，其为偏光状态示意图，偏光状态即装置开始受到光照而且光线入射方向与光伏电池板法线方向有一定偏角时的状态。在图3中一部分光线射在遮光面板13上，还有一部分光线射在反射聚光板15上，通过聚光板的反射，可以将这一部分光线经过聚光板的作用反射在右侧的弹簧一16处形成受到光照部分区域，其中在受到光照部分区域的反射光的强度大于直射部分。

如图4所示，其为平衡状态示意图，平衡状态下即在弹簧牵引下，遮光面板13垂直于入射的太阳光线时的太阳光线，该状态下为理想状态下装置的平衡点，在这个状态附近偏差不大的情况下，即可有效提高光伏电池板对太阳能的接收效率，实现太阳能的自动跟踪目的。但根据计算，平衡状态并非精确的理论最终状态。

如图5所示，其为俯仰角过平衡状态图，在平衡状态下，背光侧的弹簧拉力将大于受光侧，于是导致机构在俯仰轴上使面板13垂直于太阳光线之后继续运行，此时达到的状态称为过平衡状态。从图5可以看出，微小的角度(在实际使用中即便10°的角度偏差都只会导致集热效率下降至98.5％)过偏转回导致背光侧弹簧受热长度大大增加，而这急剧变化的受热长度能够保证过平衡偏角的增长得到迅速有效的遏制。

如图6所示，所述方位轴部20包括套接在所述支撑柱30上的基座齿轮21，所述基座齿轮21的外侧啮合连接有齿条22，所述支撑柱30的两侧固定安装有对称分布的连接臂23，所述连接臂23的的端点处固定安装有抛物线反射聚光板，所述齿条22与连接臂23之间铰接有弹簧二24。在本实施例中，基座齿轮21作为参考系，与地面固定不动而且平行于地面，支撑柱30则与基座齿轮21同轴线垂直于地面立起，可以绕轴心自由转动，成对面板支柱11的设计，可以让弹簧一16更好与面板支柱11连接。遮光面板13在静息时垂直于当地的正南方向(在南半球则为正北)；遮光面板在俯仰轴部10可以绕转轴12自由转动，但是在方位轴部20不用考虑其俯仰导致的距离变化，因为这并不会影响太阳光的平行照射，也不会影响方位机构的负反馈特性，两个抛物线反射聚光板成一固定夹角设计。

弹簧二24采用单程记忆的合金，奥氏体相的原长小于马氏体相，刚度则过之(也即热缩的SMA弹簧)；而且要求要确保弹簧在未受热的马氏体状态下，在静息状态时，是处于受拉状态的。。

如图7所示，其为偏光状态示意图，图中的太阳光线以一定的角度照射在遮光面板11和聚光板上，在右边的聚光板上经过反射形成受到光照部分区域，光照来源于阳光直射或者抛物线槽反射聚光板的反射，其中反射的光照强度大于直射部分。

如图8所示，其为平衡状态示意图，此时平衡状态在弹簧的牵引下，遮光面板11垂直于入射的太阳光线。在图8中，此时为理想状态下装置的平衡点，在这个状态附近偏差不大的情况下，即可有效提高光伏电池板对太阳能的接收效率，实现太阳能自动跟踪目的。根据计算此平衡装置并不是精确的最终状态。

如图9所示，此时为过平衡状态示意图，在平衡状态下，背光侧的弹簧拉力将大于受光侧，于是导致机构在方位轴上使面板13垂直于太阳光线之后继续运行，此时达到的状态称为过平衡状态。微小的角度过偏转会导致背光侧弹簧受热长度大大增加，而这急剧变化的受热长度能够保证过平衡偏角的增长得到迅速有效的遏制。

作为一个被动式跟踪的负反馈系统，本机构的传感原理和驱动原理的直接变量就是温差。如图10所示，采用的一对性质相同的弹簧，它们的相变前后刚度也会如曲线变化。

阳光经过反射聚光之后，能将弹簧受光部分加热到的温度，与当时气温下，不受光部分弹簧的温度所形成的区间，必须与图示区域(阴影部分)有重合，而且重合度越高，温差导致的刚度差就会越大，追踪效果就会越好；而如果实际温差区间过高或者过低，导致与区域完全不重合或者很少重合，就会分别导致过热静息和过冷静息(其中过冷静息在理想情况中应只在夜晚无光时出现)。

本发明的温差体现在三个方面，这三个方面会各自影响太阳追踪效率，所以需要单独分析与改进。

整体环境温度：能影响整体的温度差就是追踪系统所在地方的气温和太阳光加热弹簧达到的温度之间的温差。这个区域(阴影部分)的上限必须高于图10区域部分的左端，也即弹簧开始奥氏体相变的温度AS，而区间下限必须低于区域部分右端，即弹簧奥氏体相变达到完全的温度AF。

为了达到上文所述，让两个温度区间有着尽量大的重合的要求，必须考察不同地区不同季节的太阳辐射量，甚至一天之内的天气状况也会有所影响。这样会导致机构整体设计难度加大，而且季节适应性不高。

将温变区间的适应性完全寄希望于SMA弹簧的加工制造工艺是不现实的，于是我考虑了一种简单有效的改进方式：在原有一对弹簧的基础上，并联另一对或者更多对对称的弹簧，它们的温变区间是不同的。

如图11所示，可以看到新增弹簧同样也是单程热缩的弹簧，但在温变区间和刚度变化上与原有弹簧不同；刚度区间可考虑结构强度自由选择，但是温变区间必须尽量与原弹簧温变区间不重合，这样才能充分扩展机构的温度适应性。

如图12所示，在加上新的成对弹簧之后，结构整体的刚度曲线在各个方面均有改变，其中最主要的是温变区间(阴影部分)的扩大。在不影响弹簧加工难度的前提下，采用新增一对或者多对弹簧的操作，可以有效扩展机构的温度适应性，使得机构能够在更灵活的季节和天气条件工作；但不同地区的弹簧参数仍应因地制宜。

成对弹簧之间的温度差异：按照设计思路和前文的分析，静息状态下成对对称的弹簧，由于反射聚光板和遮光面板的存在，必然产生偏光状态分析中的温度差，由是两侧弹簧静力不再对称，便会在负反馈的原理下驱动面板朝向光线方向。所以两侧弹簧在光照下温差越大，追踪便越精确。

如图13所示，反光区域(图中阴影部分)为太阳光线辐射区域边缘。反射聚光板可能将太阳光线反射至对侧区间，导致对侧温度升高，于是两侧的温差变小，使得追踪精度下降。

如图14所示，在面板支柱重合的平面加上挡光区域(图中阴影部分)，将反射光线阻挡在受光一侧，可以避免加热对侧空间，从而保证两侧弹簧的温度差异。

同一弹簧受光和不受光部分温差：根据上文对于机构的静力平衡分析，同一弹簧在受热和不受热部分采用的是不同的刚度。正是这种刚度差异使得弹簧对光照区间敏感，也即对光线角度敏感。

然而随着弹簧自身的热传导，受光与不受光部分的温度差会逐渐减小，弹簧不再对光照区间的分界敏感，使得弹簧虽然收缩跟踪光照，但跟踪精度会受到影响。一个简单有效的改进方式便是在俯仰角部分中弹簧一16与面板支柱11连接处、以及在方位角部分的齿条22上，添加散热器功能，用热传导将同一弹簧受光和不受光两端的温度差拉大，同时避免热量积累。这样改进之后可以增大同一弹簧不同部分温差，增加机构对光线方向的敏感度。

为了避免面板包括连接杆14形成的刚体重心没有落在俯仰轴的轴心上，导致相对形状记忆合金弹簧弹力较大的自重严重影响俯仰轴的追踪，需要对以上设计图做一个补充改进。

相应的改进方法则是，在面板一侧加上一个可调节距离的配重块。这样可以减小在设计上确保重心落在俯仰轴的难度，但同时增加了一部分自重，所以俯仰轴的轴承必须要保证顺滑和低摩擦系数。

在原理设计示意中，整个上半部分(俯仰轴追踪部分)的重心完全偏离方位轴轴心。这样产生的力矩会作用在方位轴和基座齿轮连接的轴承上，而且力矩很大。这个力矩会影响安装装置的稳定性(有倾倒风险)；影响结构的稳定性(轴承不宜受内外圈之间的切应力)；妨碍SMA弹簧牵动方位轴转动(力矩带来的微小偏斜导致重力势能最低位置在面板支柱延伸出去的方向)。

改进方法为，在支架设计上确保俯仰轴部分的重心就落在方位轴的轴心。由于上一节添加的配重块已经能够保证上半部分的重心落在俯仰轴轴心，所以下半部分的结构设计也不会太困难，不需要在下半部分也添加配重。但是整体结构包括俯仰轴部分和方位轴部分的自重将都由方位轴和基座齿轮间的轴承承受，而整体的转动由SMA弹簧二24驱动，这就要保证弹簧拉动齿条时，齿条要有足够的力臂长度来保证轴承的摩擦力矩不会影响方位轴转动，也就是说基座齿轮的分度圆半径不宜太小。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。