日光跟踪系统 本发明涉及日光跟踪装置，特别是，涉及一种当从地面上看去太阳自日出到日落穿过天空时使太阳能收集器的作用面保持正对阳光的系统。
太阳能装置，如太阳能收集器，在其依几何形状的取向朝着射来的日光时工作最有效。对平板来说，这一取向在光线垂直于平板时为最佳。由于太阳的位置不断变化，接收面也必须不断重新取向以保持最佳的取向状况。跟踪太阳位置的装置可以有两种类型，第一种类型利用相配的太阳能电池或其他光电传感器，其在该装置的取向非最佳时产生不同的信号。这一信号用于反馈机构中使接收器重新取向直至获得最佳取向。这种装置还未被证实为非常可靠的，因为其不能区别被遮住的太阳与云缝中的亮点，反馈机构错误地使接收器朝亮点而不是太阳取向。这样，跟踪就失败了。而且，这些装置在起雾或尘埃状况下是不可靠的。
跟踪太阳地第二种机构使用时钟机构控制接收器在一天中不同时间的取向。然而，要精确地追随太阳在一天中的运动以及在一年中(季节性)的运动，该装置除了制造昂贵外结构上也必须是复杂的。
上述两种系统的另一缺点是在跟踪期间的能量需求，因为其质量不平衡。由于不平衡，与平衡系统相比要求更大的力矩来校正接收器的位置，往往不可能达到正确的位置，尤其是当太阳在长时间的多云后出现在天空中时。在这种状况下，要求足够的力矩使接收器达到最佳位置。
所以，本发明的主要目的是提出一种日光跟踪系统，其不但精确而且要求最少的能量输入，并且其制造和使用是简单和廉价的。
本发明的进一步目的是提出几种用于日光跟踪的方法。
按照本发明，提出了一种太阳跟踪系统，使太阳能收集器的作用面保持正对阳光，包括安装成绕平行于地球南北轴转动的轴，使轴按与地球转速相等的平均速度间歇转动的步进电机。太阳能收集器固定装置位于轴的一侧，并包括一支架，将支架固定到轴上的轴环；一支撑件用于固定太阳能收集器，支架上垂直于轴的一枢轴为支点，以改变支撑件相对于轴的倾斜度；以及，支撑件与支架之间的支柱，用于将支撑件保持在可调节的倾斜度，反向平衡系统包括从固定装置固定到轴并由此垂直延伸离开轴的平衡臂和安装在轴上可调节的重块。反向平衡系统平衡固定装置和固定在其上的太阳能收集器，而与固定装置对轴的转动位置及支撑件对轴的倾斜程度无关。
最好是，在轴上安装两个太阳能收集器，一个是对电池供电的太阳能电池阵列，电池随后对步进电机供电，经减速齿轮箱驱动该轴。垂直于太阳能收集器板的一个指针的阴影用于使该板正确地对准。或者，测量由太阳能电池产生的电流，其最大值指出太阳能板正确地对准太阳。
在附图中，同样的编号代表同样的部件：
图1是本发明最佳实施例的侧面图，表示在北半球9月21日至3月21日之间接收器的取向；
图2是电机驱动系统的俯视图；
图3是手动驱动系统的俯视图；
图4是类似于图1的侧视图，但接收器重新取向以接收北半球3月21日至9月21日之间的太阳能。
如图1所示，支架27和29分别由轴环28和30刚性地固定在可旋转的轴16上，支撑件1用作安装平台支撑太阳能收集器，如接收器，反射器或其结合，可以是任何几何形状，通过一垂直于轴16的枢轴17将支点定在支架27上。同样，支撑件3的支点在支架29上枢轴18处。利用枢轴17和18分别倾斜收集器支撑件1和3就有可能改变其空间取向，这是根据地球每年(季节性)的运动来集中太阳的光线所要求的。可调节的支柱23和22分别将对应的支撑件1和3保持在所需的倾斜度。轴16保持为平行于地球的南北轴，通过校准水平底板12可做到这一点，用四个水平螺丝使底板保持水平，其中两个在图中表示为13和9，另外两个螺丝在该视图中位于其后。轴16的对角等于使用该系统的地点的纬度。轴16由其端部的滚柱轴承15和锥形滚柱轴承5支撑。反向平衡臂2可调节地固定到轴16上，可沿其滑动和绕其转动，平衡臂2垂直于轴16，带一反向平衡质量块M，位于离轴16可调的径向距离P2。反向平衡臂2上的质量块M可相对轴16沿径向移动，支撑件1的重力中心在离轴16径向距离P1处。当轴16转动时，日光收集器及其固定装置即部件1，23，27，28和3，22，29，30的质量移动由质量块M反向平衡。若支撑件1和3之一或两者绕枢轴17和18转动，则其离轴16的径向距离会变化，必须改变质量块M离轴的距离。一垂直柱11对轴16提供支撑使其保持笔直。垂直柱11顶部有一套筒11a，轴(16)从中经过，可转动和得到支撑。轴承15和5分别安装在垂直柱14和6上，垂直柱6，11和14固定到底板12上，由支撑件3装载的太阳能收集器可由太阳能电池阵列组成。指针4安装成垂直于支撑件3上装载的太阳能电池，指针4用于对准，这样，支撑件1上的接收器或支撑件3上的太阳能电池正对阳光。指针阴影的长度指出了对准误差的程度，在完全对准的情形下将没有阴影。指针4可安装在支撑件1上。
轴的质量平衡可这样实现，首先用枢轴17和18分别使安装在支撑件1和3上的太阳能收集器表面正对阳光，然后转动轴16。在该位置，反向平衡臂2沿该轴移动，并使一质量块M在给定的径向位置绕轴转动。此外，可沿径向靠近和离开轴16移动质量块M。太阳能电池也称为太阳能板，用于对电池10充电，电池10随后用于对步进电机20供电，其通过如图2所示轴承系统8驱动轴16.步进电机20靠一系列脉冲转动，根据其构造每一脉冲转动一定量的度数，这类电机可以在110伏特或220伏特下工作，通常在世界上大多数地区都可正常使用。若不能得到电源，则可以使用太阳能电池(图1)产生的电力对电机20供电。图2中未规定电机20的供电电压，这将取决于使用地点。图2中，电机20的连接端表示为22，电机控制端为21。
在指针4第一次对准阳光后转动质量平衡的轴16进行日光跟踪，地球在大约3小时56分钟中绕其南北轴转动360度(1圈)，一圈的总共时间为86，160秒，所以，地球在239.333秒中转动1度。这样，可以对电机20提供控制器21(图2)所要求的适当数量的脉冲，使电机每239.333秒转动1度。应注意电机的功率需求随给定时间要转动的度数下降而下降。例如，若要每1196.665秒期间转动5度而不是每239.333秒期间转动1度，则会要求更大功率的的电机(通常更昂贵的电机)来做这项工作。
有几种方法来进行跟踪，根据情况而定，一种方法会优于另一方法。
第一种也是最简单的方法，如上所述，地球的转动以一定的时间间隔手动地使转动轴转过一定度数，可以仅仅是通过检查指针4产生的阴影来做到这一点。即，按照使指针4没有阴影的方法来转动轴。由于地球以非常慢的速度转动，这一方法在许多国家里是非常有用的，在那里人们也许不想在齿轮箱、步进电机等上花钱，在此情形下，轴16必须支撑在轴承15和5(图1)上，需要一个安装在支撑件1上的太阳能收集器和反向平衡系统2、2a和M。若使用支撑柱11，系统会工作得更好一些；或者，柱14和6之间的空间做得较小，可省去柱11。
在第二种方法中，也不需要电气部件，可以使用有着蜗轮蜗杆系统8的齿轮箱，如图3所示，可用一旋钮19转动蜗杆，使蜗杆开始转动和n齿齿轮所需力矩是转动无齿轮系统的轴所需力矩的1/n。
在第三种方法中，与齿轮箱8一起使用一步进电机20，以获得理想的力矩降低。所需的系统见图1和2。在此情形下，可以有两个限制开关24和25(见图2)，一个用于早晨的开始位置，第2个用于晚上的停止位置，还可以有一复位开关26。这里，在早晨可以用较快的速度转动轴以使指针4平行地对准太阳光线(大多数电机的控制器具有可变脉冲速率的特性)。此时，电流计(未画出)测到的太阳能电池3的电流输出会是最大。可以采用连接线，这样电流计能够置于室内，很容易从室内检查指针4的对准情况，在气候环境恶劣的场所，也希望能够在室内对准指针4，若设置了太阳能电池和电流计，则后者可用于对准支撑物而无需指针4，在对准支撑件1和3后，可设置步进电机20(图2)以跟踪速度(地球的转速但方向相反)转动，直至晚上，此时第二限制开关25动作，停止电机的转动，然后电机可以在相反方向以较快速度转动，直至使第一限制开关动作以停止转动，这样可重复这一循环。
在第四种方法中，根据需要，可以不用限制开关，一旦对准以后，步进电机可设定为以跟踪速度转动，即使晚上也是如此，因为它将在今后的日日月月中对准太阳。
应注意支撑件1和3装载的太阳能收集器必须始终垂直于阳光取向，由于季节变化(地球在一年中的运动)也会出现对准失误。通过用支柱22和23调节支撑物1(或3)对于枢轴17和18的倾斜来进行重新取向，校正最近的对准失误，每次改变太阳能收集器的倾斜时还需要重新调整反向平衡系统2，因为其对应重心的径向距离发生了变化。而且，这里应澄清的是，在给定时间，对系统提供关于单一南北轴的运动，没有经枢轴17和18提供运动，这些枢轴用于在轴稳定时使太阳能接收表面重新取向。
在第五种方法中，对轴的转动有一参考位置，其可以是午夜位置。早晨的开始时间表示为tM，单位为秒，此时距午夜位置的角度间距为0m.按照地球的转速每239.333秒1度，可写为：
Om＝tM/239.333度
轴的午夜距离正午位置为180度。在早晨某一设定时间开始后，可持续时间tT跟踪太阳。相对开始位置停止的角位置将是
OE＝tT/239.333度
然后电机在相反方向转动，考虑到返回的角速度会是跟踪速度的N倍，返回早晨位置的时间应为
tR＝tT/N
当电机不再转动时，时刻tI为
tI＝(86160-tM-tR-tT)
这样，可对电机编程以在时间tT内跟踪太阳，然后在时间tR中以n倍的跟踪速度转动，返回原始位置，在时间(tT+tM)中电机闲置。为照此编程，轴必须最初位于距午夜位置OM度，在离午夜时间tM后启动。同时必须记住，每一运动期间(跟踪或返回)电机的转速必须为轴的转速的n倍(考虑到齿轮箱的减速比为n)。控制器对电机的脉冲速率必须相应调整。按此方法，在整个过程中无需人的干预。
图1和4分别表示在北半球的接收器1和3在9月21日至3月21日和3月21日至9月21日期间的取向。在第一种情形下，枢轴17、18位置最高，而在第二种情形下枢轴17、18位置最低，轴环28和30可打开以使轴16上支撑件27和29的位置反向。
由上所述，可看到本发明详尽地讨论了可能出现的各种情况，并提出了有人干预或无人干预时精确可靠地工作的系统和方法。