用于太阳能板的双轴式太阳追踪器系统与装置

摘要

本发明公开一种简化结构且成本较低的双轴式太阳追踪器，用于太阳能光电池板及太阳能聚光电池板上，并用于采用反射聚阳光系统的太阳反射器及史特灵引擎反射碟上。本发明尤指一种简化结构且以重力作中心的追踪结构，该追踪结构包含单一或两个低成本的线性驱动器，且该线性驱动器安装在地柱的一侧，可便于以较低的成本进行更换及维修。

说明书

技术领域

本发明关于一种简化结构且成本较低的双轴式太阳追踪器，用于太阳能光电池(photovoltaic，PV)板及太阳能聚光电池(concentrated photovoltaic，CPV)板上，并用于采用反射聚阳光系统的太阳聚光器及史特灵引擎(Stirling engine)反射碟上。本发明尤指一种简化结构且以重力作中心的追踪结构，该追踪结构包含单一或两个低成本的线性驱动器，且该线性驱动器安装在地柱(ground post)的一侧，可便于以较低的成本进行更换及维修。

背景技术

太阳能光电池板逐渐成为一般住宅区屋顶上的标准配备。照射到屋顶上太阳能板的太阳能多寡，依太阳与太阳能板之间所形成仰角的正弦值(sine)而定。换言之，由于两者所形成的仰角在日出或日落时最小，所以平放的太阳能板所能收集到的太阳能最少。在纬度大约34度的地区，如果将太阳能板安装在双轴式太阳追踪器上，则相较于水平、固定的太阳能板而言，可以多收集49％的太阳能。但是在住宅区屋顶上的太阳能光电池板加装太阳追踪器并不实际。至于对太阳能发电厂而言，如果太阳追踪器的成本不是其主要的考虑，那么在太阳追踪器上安装太阳能板确实是可行的。在太阳能聚光电池系统中，太阳能板及其光学配件必须直接面向太阳，以便集中太阳光束。在太阳能光电池及太阳能聚光电池两系统中，最主要的成本来自于使用传统的双轴式太阳追踪器。在太阳能光电池系统中，如果太阳追踪器的成本超出太阳能板成本的三分之一，那么一般就可能不会考虑使用，因为为此进行投资改良并不划算。此外，相较于太阳追踪器上的固定零件，可动零件的可靠度较低。另一方面，在太阳能聚光电池系统中，若要使太阳能板妥善运作，则必须强制太阳能板与太阳射线互为垂直方可。

在聚光式太阳热能发电(concentrated solar thermo power，CSP)的应用方面，太阳追踪器也被用来反射与集中太阳射线。主要的应用方式为将许多太阳反射器固定在双轴式太阳追踪器上以收集太阳能。接着再将所收集到的太阳能集中到装满水或熔盐的加热箱来进行发电。像这样大规模的太阳发电厂，通常称作「反射聚阳光系统」(heliostat)发电厂。在反射聚阳光系统发电厂的总成本中，以太阳追踪器的成本占最高。另一个可以应用本发电系统是史特灵引擎。太阳热史特灵引擎亦需使用双轴式太阳追踪器来收集聚光太阳射线，再利用太阳射线进行加热，以便发电。本发明以其安装方式简单、组件成本低、维修费低及高耐用性等优势，将更有益于采用太阳热集中方式的史特灵引擎。

典型双轴式太阳追踪器由地柱(ground post)组成，该地柱固定在以混凝土作底座的地底结构中。也可以使用对生态较为友善的螺旋形地柱，螺旋形地柱乃直接钻入地中，而不使用混凝土底座。在地柱的顶端安装一旋转驱动器(slewing drive)以同时支撑太阳能板的重量及水平角旋转(azimuth rotation)。在旋转驱动器的顶端固定一线性驱动器在旋转驱动器及太阳能板之间，以便将太阳能板朝仰角方向提升。双轴式太阳追踪器在水平角及仰角上的移动，可以驱动太阳能板直接面向太阳。

然而传统的太阳追踪器有一些缺点：一、旋转驱动器除了必须支撑太阳能板全部的重量外，还必须承载因太阳能板固定倾斜而产生出来的侧向力及力矩，并承载太阳能板上的风载(wind load)。二、太阳能板的重量以及侧向力所产生的力矩，使得旋转驱动器的大小取决于太阳能板的大小与重量。而且旋转驱动器的蜗杆(worm drive)与旋转齿轮两组件必须与滚珠轴承(ball bearing)组装在一起，其中滚珠轴承承受太阳能板的全部重量以及施加在旋转驱动器上的力矩。如此一来，旋转驱动器(slewing drive)就会变得非常笨重。三、如果遇到旋转驱动器发生问题而必须修理或更换时，则必须先拆解整块太阳能板才能继续进行。四、由于线性驱动器所提供给单一太阳能板的提升机制(lifting mechanism)的缘故，所以相对于旋转驱动器的轴心(pivoting point)，太阳能板的重心经常变动，这样可能会迫使旋转驱动器必须承受最大的力矩。因此，在设计旋转驱动器及线性驱动器时，必须考虑到太阳能板在倾斜时可能会产生的最大力矩及最大侧向力。但这样又会造成传统的双轴式太阳追踪器变得非常笨重，而且价格昂贵。有鉴于此，本发明提出一种简化的太阳追踪器，同时具备价格低廉、重量轻且维修成本低的优点，有助于因应即将到来的能源革命。

发明内容

为了克服上述传统双轴式太阳追踪器的缺点，本发明所揭露的双轴式太阳追踪器，可解决上述部份或所有的问题。其一，本发明避开了将太阳能板的重量与侧向力承载在水平角驱动器及仰角驱动器上，而将太阳能板的重量承载在旋转头(rotating head)的上面。旋转头直接套在地柱的上面，且两者之间适切地以上轴承和下轴承(upper and lower bearings)固定住。旋转头与轴承不仅在垂直方向上承载了整个太阳能板的重量，也在水平方向上平衡了因太阳能板之风载所产生的力矩。此外，由于上轴承和下轴承需长期使用，故本发明可选择性地使用成本低且无须保养的轴套材质。因此，固定在下方地柱及上方旋转头之间的水平角驱动器，不受太阳能板直向(重力)及侧向力矩的影响。故本发明所揭露之双轴式太阳追踪器在水平角驱动整块太阳能板时，无须耗费太多力量。

另一方面，本发明将太阳追踪器分成重量均等的两段，由一水平梁(管)支撑，且水平梁的重心落在圆筒型的旋转头之上。太阳追踪器的每一段同时在水平梁上保持平衡，如此一来太阳追踪器可以沿着重力中线，在水平梁上自由地旋转，因此仰角驱动器也无须耗费太多力量。

另一方面，传统太阳追踪器将旋转驱动器固定在地柱与太阳能板间的中央位置，一旦传统太阳追踪器的旋转驱动器发生状况，就必须移除或拆解整块太阳能板。相较之下，本发明利用螺帽和螺栓以安装配件的方式，将水平角驱动器及仰角驱动器安装在地柱及旋转头的一侧。这样做的好处在于容易安装、拆除及更换，而且只要一名维修人员就能进行例行性的维修工作。这也是本发明之太阳追踪器与传统太阳追踪器的最大差别。藉由本发明所提出的低成本线性驱动器，将水平角驱动器固定在一侧，可便于进行定期维修或更换，就可以延长太阳追踪器的寿命。

再另外一方面，本发明的双轴式太阳追踪器配备一抗风锁装置。每当强风超出风力临界值时，抗风锁装置就会启动。所述抗风锁装置利用电磁力将太阳追踪器固定在中性风的位置，并牢牢地锁在使用两电磁驱动锁的地柱上，这样可使太阳追踪器上的线性驱动器承受强风期间所受到的震动与拍打。再者，在经常刮风的地区，为了保护线性驱动器，可以使用逐步抗风锁装置，如此一来可让线性驱动器及太阳追踪器免受强风的侵袭，大大延长其使用寿命。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1绘示本发明的双轴式太阳追踪器。

图2绘示单一线性驱动器固定在旋转头及地柱间的一侧以进行水平角旋转。

第3A-3C图经由端(或俯)视角度，绘示旋转头上部对于地柱下部的旋转机制。

图4绘示水平角线性驱动器固定在太阳能板上，且该太阳能板朝上升方向进行旋转。

图5A-5C绘示另一种旋转追踪器支架的方式。

图6绘示本发明使用两线性驱动器来进行水平角旋转。

图7A-7C绘示两线性驱动器的旋转机制。

图8绘示本发明的双轴式太阳追踪器使用直接驱动步进马达驱动。

图9绘示本发明双轴式太阳追踪器使用电磁抗风锁。

图10绘示一电线杆上安装改良过的双轴式太阳追踪器。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施之特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」、「水平」、「垂直」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

追踪器支撑结构

请参见图1，图1绘示本发明的双轴式太阳追踪器10。太阳追踪器10包含固定的圆筒型地柱(ground post)20，且地柱20上面套上一圆筒型旋转头(rotating head)30。旋转头30由一圆筒管制成，而该圆筒管的顶端以上方形板36或以U形管固定起来，其中管支架的形状并不限于U形。地柱舆旋转头较佳的使用材质为镀锌钢且具吸磁性。在旋转头30的内侧，其底端有一圆筒轴套34吻合地放置在地柱20与旋转头30之间。圆筒轴套34不仅方便旋转头30对地柱20进行同轴旋转(coaxial rotation)，也可中和太阳能板受风载(wind load)所施予的侧向力矩(lateral torque)。在旋转头30内侧的顶端，有一圆筒型带缘轴套22吻合地放置在旋转头30与地柱20之间，且带缘轴套22的凸缘顶端可以闭合。换言之，带缘轴套22的凸缘顶端与旋转头30的内壁吻合，而带缘轴套22的圆筒尾端与地柱20的内壁吻合。故于直立时，带缘轴套22的顶端支撑追踪器支架及太阳能板52的全部重量，并在圆筒轴套34中和风载所施予的侧向力矩时作为一枢轴点。为更方便于旋转，在较佳实施例中，带缘轴套22的顶端放置另一滑垫圈(thrust washer bushing)17。然而，商业上使用的带缘轴套22可能无法确实吻合在外部旋转头30的内径以及在内部地柱20的内径，因此可以改用滑垫碟(disk bushing)16或滑垫圈(washer bushing)17来取代带缘轴套22，其中滑垫碟16的直径可以比旋转头30的内径稍小。甚至于使用两层滑垫碟16或两层滑垫圈17，并将两层滑垫碟或两滑垫圈之润滑面相对并涂上润滑剂(lubricant)以大幅降低旋转头30旋转时的摩擦力。所述润滑剂可以为液状或固状，而且直至太阳追踪器10寿终为止都无须再次装填补充。当使用上滑垫碟16或滑垫圈17时，在旋转头30内侧首尾两端的侧壁，需另外使用和圆筒轴套34同样的轴套，可以保持同轴旋转以及侧向支撑。关于使用两层滑垫碟16或滑垫圈17的绘示，请参见图1的右侧。较佳的滑垫圈，滑垫碟及轴套的使用材质是为金属多孔质合金且可渗入固态润滑剂。

其他可以用来取代带缘轴套22的对象还有，使用单一锥型滚柱轴承(tapered roller bearing)19，或使用推力滚柱轴承(thrust roller bearing)18及圆筒轴套34的组合，其中推力滚柱轴承18用于顶端，而圆筒轴套34用于侧壁。然而，地柱20的顶端需焊接一圆筒颈，以吻合地插入锥型滚柱轴承19或推力滚柱轴承18的中心孔中。使用推力滚柱轴承18的优点在于推力滚柱轴承18的直径无须完全吻合旋转头30的内径，这是因为旋转头30的头尾两端使用了圆筒轴套34，让旋转头30可以进行同轴旋转，并可承受侧向力。其他可以用来取代圆筒轴套34的对象包括使用圆筒型滚柱轴承，或使用滚针轴承以缩小旋转头30及地柱20之间的间隙。使用滚柱轴承时，因为摩擦较小，所以旋转头30会转得较快。然而以一天日照12小时、太阳追踪器10以180度进行水平角旋转来看，这样的旋转速度其实相当慢，因而能够使用成本较低的轴套。此外，旋转驱动器力量主要是用来对抗施加在太阳能板上的风载，仅一小部分作用于旋转头30的旋转上。

若要在不测的天候状况下长期使用，由于带缘轴套22或滑垫碟16或滑垫圈17和圆筒轴套34组合的成本及维修费用较为低廉，可视为最佳实施例组合。此外，市面上供应给工业重机械使用的圆筒轴套34、圆筒带缘轴套22、上滑垫碟16及滑垫圈17有很多尺寸可供选择。以上这些轴套由多孔质合金(porous alloy)、黄铜、青铜或合成物质制成。这个组合也能提供低摩擦力旋转以及低廉维修费用，于长期使用状况下作为一次涂上固态润滑剂使用。

在旋转头30之上有一长型圆筒水平梁(管)50。水平梁50与U形夹钳44一起固定在上方形板36，并用中心圆筒轴套40套在两者之间，如图1所绘示。所述最高圆筒轴套所用的材质类似于旋转头30内侧的圆筒轴套34。较佳地，水平梁50使用无缝镀锌管，这可获得较佳的旋转品质。水平梁50的两侧各装上一组追踪器支架521及太阳能板52，两组相互对称。水平梁50的重心落在中心圆筒轴套40上以维持平衡。再者，位于旋转头30两侧的追踪器支架521由于中线重心在中线的缘故，更进一步地在水平梁50上维持平衡状态。因此，太阳追踪器10两侧的太阳能板52不仅在中心圆筒轴套40上维持平衡，也同时在水平梁50上维持平衡状态。两轴若要保持重量平衡，有赖于两前后左右对称的太阳能板52安装在水平梁50上。尚有另一种用非旋转水平梁(管)50安装追踪器支架521的方式，将于以后的内容中论述。本追踪装置的安装方式有别于传统的安装方式，传统上利用旋转驱动器将大型太阳能板顶在驱动器上，而利用线性驱动器将太阳能板撑起。而本发明安装在水平梁50两侧的太阳能板52有一项优点，可将太阳能板近零度的位置开始旋转，利于追踪出现在地平面上的太阳。此外，当晚上太阳能板52处在垂直位置时，也比较容易清除上面的尘土或积水。图1仅绘示太阳追踪器10，而未绘示水平角线性驱动器及仰角线性驱动器。图1显示太阳追踪器10在机电驱动器安装好之前，可以利用少量外力进行水平角及仰角的旋转。这一点是本发明与传统太阳追踪器最主要的差别。

此外，水平梁50固定在旋转头30的方式有很多。举例来说，只要旋转头30上面的水平梁50中段切面是圆筒型的，水平梁50两侧则可改用正方形梁或长方形梁取代。又例如说，正方形梁与水平梁50内侧的中段部分相吻合。使用正方形梁或长方形梁可能更便于架设太阳能板的支架。

单一线性驱动器进行水平角旋转

请参见图2，图2绘示单一线性驱动器固定在旋转头30及地柱20间的一侧以进行水平角旋转。L形支架38固定在旋转头30的上部，L形支架38的开口端透过水平枢纽25(螺栓的尺寸与两通孔吻合)与水平角线性驱动器(azimuth linear actuator)28的驱动杆27连接。线性驱动器的主体经由旋转臂26与枢纽24固定在地柱20上。枢纽24的设计像门绞链(door hinge)，以一延伸杆固定在地柱20上。较佳实施例是将旋转臂26的尾端弯曲成90度，以便能够水平地钳夹住水平角线性驱动器主体28。较佳的做法是将L形支架38固定在旋转头30的上部，这是因为L形支架38的直径比地柱20更大，因此需要用较短的L形支架38。而旋转臂26钳夹住水平角线性驱动器28的主体。较佳实施例为，旋转臂26钳夹住水平角线性驱动器28主体的顶端而构成直角。将水平角线性驱动器28与驱动杆27反向固定在旋转头30及地柱20上是可行的，但较不建议。

请参见第3A-3C图，第3A-3C图经由端(或俯)视角度，绘示旋转头30上部对于地柱20下部的旋转机制。小的实线圆圈是地柱20，而大的虚线圆圈是圆筒型的旋转头30。图3C绘示太阳追踪器10的初始位置，此时L形支架38与枢纽24对齐成一直线。L形支架38、旋转臂26及驱动杆27此构成一直角三角形，其中旋转臂26与驱动杆27构成两直角边。太阳追踪器10在初始位置时，一般就表示太阳能板52于早晨面向东边方向。接着，如图3B所绘示，当驱动杆27伸长时，驱动杆27会同时推动L形支架38及旋转头30对地柱20进行顺时针方向旋转。接着，请参见图3C上方所绘示的直角三角形。根据几何定理，当作为直角三角形其中一直角边的旋转臂26固定，而另一直角边的驱动杆27伸长时，作为该直角三角形的斜边(即枢纽24及水平枢纽25之间的距离)也会伸长，所以不会将水平角线性驱动器28推回到原始位置。因此，旋转头30必定会以顺时针方向旋转来增加斜边的长度，这会让整个太阳追踪器10以顺时针方向旋转。在图3B中，太阳能板也会受到推动而面向南方(假设太阳追踪器10位于北半球)。在南半球时，水平角线性驱动器28则会固定在旋转头30的相对侧。接着，如图3A所绘示，当水平角线性驱动器28几乎完全伸长时，L形支架38及旋转头30会被推到与枢纽24相对的位置，旋转将近似或超过180度。因此，太阳能板就会面向日落位置。较长的L形支架38与旋转臂26可以使转动角度超过180度。如果太阳追踪器10所在纬度位置正好位于热带地区，则必须改变太阳追踪器10的固定方式；如果太阳追踪器10位在纬度较高的地区，则一年四季都不用改变太阳追踪器10的固定方式；如果太阳追踪器10位在两个23.5°纬度地区之间，尤其是接近赤道的地区，则可以在地柱20的相对两侧安装双枢纽24、74，如图3C所示。夏季时，当太阳轨道横越天顶点(zenith point)时，可以将旋转臂26与水平角线性驱动器28钳夹在相对侧的枢纽74，而将L形支架38上的旋转头30以超过180°旋转，让太阳能板朝太阳轨道旋转。

任何熟习此技艺者，当可轻易更动与修改水平角线性驱动器28的固定方式，改变固定于地柱20与旋转头30之间的长度及角度。于初始位置时，L形支架38、旋转臂26及驱动杆27未必一定要构成一个直角三角形。藉由改变此固定方式，反而可以让水平角以超过180°的角度旋转。但是本发明使用水平角线性驱动器28进行水平角旋转的本质并不会改变。

线性驱动器进行仰角旋转

请参见图4，图4绘示仰角线性驱动器58固定在太阳能板上，且所述太阳能板朝仰角进行旋转。V形杆51的上部固定在水平梁50的两侧，而开口端以枢纽54固定。在V形杆51的下方有一水平杆49水平地固定在旋转头30上，水平杆49的开口端以枢纽56固定。枢纽56和枢纽54分别固定在仰角线性驱动器(elevation linear actuator)58的主体及驱动杆57上。也可以不使用V形杆51，而直接将枢纽54固定在追踪器支架521上。当仰角线性驱动器58上的驱动杆57伸长时，V形杆51会将水平梁50及追踪器支架521旋转到仰角比较低的地方(太阳能板的垂直线对地平线之仰角)。由于太阳能板平衡于水平梁50上，所以旋转太阳能板时需要很少力矩。一般而言，太阳能板进行旋转时所需的最大仰角介于零度(太阳能板在垂直位置时)到90度(在水平位置时)之间。至于如果要旋转超过90度时，只要将水平杆49移到较低的位置即可。

从图4可以观察到水平角线性驱动器28不应受到仰角线性驱动器58的干扰。因此，V形杆51及固定住的水平杆49必须与水平角线性驱动器28保持一定的距离。可以将仰角线性驱动器58、水平杆49、V形杆51的长度都改短一些，或是加长旋转头30。或也可以考虑把加长水平角线性驱动器28，长到足以将旋转头30进行超过180度的旋转，至于水平杆49仍维持原有长度。

任何熟习此技艺者，当可轻易更动与修改V形杆51及水平杆49的形状及固定机制，诸如将V形杆51的形状改成U形杆，或将单一的水平杆49改成两平行的水平杆49，该两平行的水平杆49枢纽于仰角线性驱动器58的两侧。

非旋转水平梁进行另一种仰角旋转

请参见图5A-5C，图5A-5C绘示另一种旋转追踪器支架521的方式是以水平梁50直接固定在旋转头30的上方形板36上而旋转。水平梁50以类似U形螺栓的简单装置(例如U形夹钳44)，不使用中心圆筒轴套40，直接固定在旋转头30的上方形板36上。水平梁50不会对旋转头30旋转，但是追踪器支架521会对水平梁50旋转。复数个圆筒轴套59以夹钳或U形螺栓固定在追踪器支架521的直向T形梁(crossing T-beam)54与水平梁50之间。较佳实施例会用一枕型轴钳62将圆筒轴套59固定在直向T形梁54上。关于枕型轴钳62及圆筒轴套59装置，请参见图5C。

如果将配备太阳光电池的平面太阳能板安装在太阳追踪器10上，则直向T形梁54可为一倒反的T形梁，且T形梁的高度会配合太阳能板的深度。在较佳实施例中，T形梁是由金属片冲压成型，中央为一倒反U形的T柱(T-post)，如图5B所绘示。太阳能板52可以进一步固定在U形的T柱上，即把太阳能板52的顶端边缘连同垫片60及螺栓61一起钻进T柱的底部。因为有圆筒轴套59，所以仰角线性驱动器58可以驱动追踪器支架521的横向T形梁54绕着已固定住的水平梁50旋转。若要完成追踪器支架521的制作，则将L形梁55连接到T形梁的两端，构成一形状为长方形的追踪器支架521。更进一步地，还可以用四块三角板53固定在长方形追踪器支架521的四个角，与L形梁55及T形梁一起支撑追踪器支架521。装设T形梁时，其长度及间距大小都必须配合太阳能板52的尺寸。与先前利用水平梁50进行旋转不同的是，驱动杆57必须枢纽在追踪器支架521上，而不是固定在已固定住的水平梁50上。

在使用T形梁而非水平梁50来旋转的另类装置，此方式适用于追踪器支架及太阳能板52的尺寸偏大时。若将本实施例与先前的实施例相比，在先前的实施例中，一轴套承载整个太阳追踪器10的重量；而在本实施例中，用水平梁50旋转追踪器支架521时，会将更多的重量分配给复数个轴套59承载。更进一步来说，非旋转水平梁50带给仰角线性驱动器58的压力较小。这种安装方式适合用于大型的太阳追踪器10上。

两线性驱动器进行水平角旋转

另一方面，请参见图6，本发明使用两线性驱动器来进行水平角旋转。线性驱动器29及线性驱动器39分别固定于地柱20的L形支架25及旋转头30的L形支架35上。线性驱动器29及线性驱动器39都是利用水平旋转枢纽固定在L形支架25、35上。位于上、下两方的线性驱动器39、29之间，有一旋转环21利用圆筒轴套或滚针轴承套于并固定在地柱20上。水平臂23的其中一端固定在旋转环21上，而另一开口端则与圆筒状枢纽37一起固定。圆筒状枢纽37为一管子，上下两端分别都以滑垫圈锁在上方及下方线性驱动器39、29的驱动杆的环上。

请参阅图7A-7C，图7A-7C绘示两线性驱动器的旋转机制。图7C绘示两线性驱动器处在关闭位置时，其中线性驱动器39在线性驱动器29的上方，两者之间有旋转环21及圆筒状枢纽37。当下方的线性驱动器29伸长时，会推动上方的线性驱动器39与旋转头30，连同旋转环21、水平臂23及圆筒状枢纽37，开始进行顺时针旋转。图7B所示，当下方的线性驱动器29完全伸长、但上方的线性驱动器39处在初始位置时，旋转头30会转动约120度。当上方的线性驱动器39完全伸长，固定在线性驱动器39上的旋转头30会再旋转约120度，如图7C所示。进行第二次旋转时，旋转环21、水平臂23及圆筒状枢纽37留在同一位置上。因此，上方的旋转头30可以相对下方的地柱20旋转约240度。

两线性驱动器的优点有两项：一、旋转头30的旋转角度可以超过180度，最多到240度左右；二、使用两个较短的线性驱动器，而不是单一的长型线性驱动器。因为旋转头30可以旋转240度，所以即使每年拥有阳光的天数最多的热带地区，也毋需每当太阳轨道横越天顶点时就要移动线性驱动器。至于两线性驱动器的缺点则是：线性驱动器必须非常地短，以便预留空间给以低仰角转动的太阳能板。然而，如果太阳能板采传统的上升方式，而不是采边旋转边上升的方式，则两线性驱动器就不需要预留空间。

步进马达与齿轮驱动进行水平角旋转

请参阅图8，本发明使用直接驱动步进马达33驱动，其中齿轮圆环(gear ring)31择一套在旋转头30或地柱20的上面，如图8所绘示。图上显示齿轮圆环31固定在旋转头30上。接着，直接驱动步进马达33和齿轮轴32一起固定在地柱20上。或是直接驱动步进马达33和齿轮圆环31的位置可以相反。进行水平角旋转时，为能获得理想中的分辨率，往常的习惯是将齿轮轴32和齿轮圆环31设计得相配合。如果齿轮圆环31有720个锯齿，则齿轮旋转180度时需走360齿。而如果马达每走一步等于齿轮走一齿而未作齿轮减速装置时，会作水平角半度的旋转。若要获得更精细的分辨率，必需要增加齿轮圆环31的锯齿数目，或用驱动步进马达33的齿轮减速装置。此外，一半圆齿轮圆环311如图8左侧所示，半圆齿轮圆环311可用来作为半圆以上的转动幅度。半圆齿轮圆环311的好处在于，当原有的圆环因长时间使用而磨损或锈蚀，则半圆齿轮圆环311可便于重新替换。在安装时，半圆齿轮圆环311的转动幅度自较小的地柱套上时可以超过180度的齿环。

有另一种方式可以用来替代步进马达上的齿轮圆环，为同时使用水平蜗杆(worm)驱动齿轮轴32及倾斜式齿轮圆环41，如图8右下角所绘示。如图显示，步进马达43与蜗杆(worm drive)42相连接。蜗杆42大部分使用于现今双轴式太阳追踪器10的旋转驱动器上，旋转驱动器会与进行水平角旋转之滚珠轴承的圆环包在一起。使用蜗杆42及倾斜式齿轮圆环41外，同时也可用齿轮减速装置，如此便可获得理想的分辨率，而无须改变齿轮圆环上的锯齿数。另外，倾斜式齿轮圆环也可让旋转更加顺畅。

本方式的优点在于，直接驱动步进马达33及齿轮圆环31在旋转头30及地柱20上只占很少空间，可以避免对于仰角线性驱动器产生干扰。而且旋转头30也有可能可以旋转360度。另外，如果需要大量制造相同的齿轮马达以供应规模大的太阳能电厂使用时，本方法也可以降低成本。然而，本方法的缺点在于：一、遇到不良的天候状况时，必须将齿轮圆环31及直接驱动步进马达33进行覆盖并密封起来，以避免齿轮及马达受到损害。二、齿轮圆环31及齿轮轴32必须针对不同规格的旋转头30各别制造。三、由于齿轮圆环31及直接驱动步进马达33一起搭配使用，所以彼此之间必须紧密囓合，但这却可能会因为受到风载的损害及长期震动而造成问题。四、更换毁坏的齿轮圆环31时，必须将旋转头30拆下；或者使用两片可拆式齿轮圆环31之设计。

步进马达与磁铁轴(magnetic rotor)进行水平角旋转

另一方面，本发明采用直接驱动步进马达33，不需在旋转头30上使用齿轮圆环31。永久磁铁轴(或是电磁磁铁轴)321作为直接驱动步进马达33的转轴，永久磁铁轴(或是电磁磁铁轴)321的减速装置减不减速皆可，电磁磁铁轴是指在金属棒上缠绕线圈，当线圈通电时，该金属棒会产生感应磁场，如图8左下方之图所绘示。旋转头30必须由可被磁铁轴321吸引的磁性钢材制成。然而，磁铁轴321所提供的磁性吸力，确保了磁铁轴321与旋转头30在摩擦驱动过程中不会滑动。旋转力或旋转摩擦力的大小与磁铁轴321的大小成正比，因此，只要追踪器支架521的尺寸愈大或其荷重愈大，则所需的磁力就要愈大。然而，追踪器支架521的尺寸愈大，则所需的地柱20及旋转头30也要愈大，因此磁铁轴321也就会愈大。此外，如果使用电磁转轴，则流经电磁转轴的电流越强或是单位长度的线圈数越大，则产生的磁力越强。而电磁转轴的半径即使比永久磁铁轴321的半径小，也能产生够大的磁力。

磁铁轴321的优点在于，可简化水平角驱动器的结构且降低其成本。因为没有齿轮圆环31及齿轮轴32，所以就不会出现侵蚀、雨水及尘土覆盖、维修保养、润滑性等的问题。旋转头30的直径除以磁铁轴321的直径后，再乘以步进马达旋转一圈的步数，就等于方位分辨率旋转一圈(旋转头30的直径÷磁铁轴321的直径×步进马达旋转一圈的步数＝转一圈的方位分辨率)。分辨率一、两度对太阳能光电池板而言已经足够。分辨率愈高，则需将磁铁轴321的直径减少，以应用于像太阳能聚光电池、反射聚阳光系统等精密系统上面。

进行水平角及仰角旋转的抗风锁装置

为了避免太阳能板52与水平角线性驱动器28互相干扰，最好将太阳能板52与L形支架38对齐成一直线。如图3C所示，此时驱动杆27的力向量最大，因为驱动杆27与L形支架38接近垂直，且太阳能板52位于初始位置。但如图3A所示，驱动杆27伸长至结束位置时，其力向量最小，这是因为驱动杆27与L形支架38之间为斜角。这个小斜角的位置不利于风载推动水平角线性驱动器28，而这对于图4中之仰角旋转所造成的问题甚至更大。当仰角线性驱动器58的驱动杆57完全伸长，但驱动杆57与L形支架38之间的斜角却是最小时，驱动杆57就必须对抗侧向吹来的强风，这会对驱动器58造成侵害。

针对上述问题，本发明提出使用一电磁抗风锁65作为解决之道，请参见图9的绘示。因为水平角旋转的旋转头30与仰角旋转的水平梁50都呈圆筒状，所以使用一形状像旧式汽车鼓式煞车(drum brake)的电磁锁。两者的差异在于鼓式煞车利用摩擦力来煞车，而电磁抗风锁65使用电磁吸引力来闭锁。在图9中，电磁抗风锁65的杆头63呈鼓状，与旋转头30及水平梁50相合。当电磁头螺线64通直流电启动后，杆头63就会产生磁力，吸引皆由钢铁制成的旋转头30或水平梁50，形成抗风锁结构。然而当设计水平梁50固定而追踪器支架521旋转时，也必须设计电磁杆头63可以吸引追踪器支架521。电磁抗风锁65固定在地柱20及上方形板36上，且地柱20与上方形板36上都装有抗风锁支撑架66，分别用来固定水平角及仰角电磁抗风锁65。电磁抗风锁65相当实用，可以保护太阳能板52平放时的线性驱动器28及58，对抗超出风力临界值的强风。

针对电磁抗风锁65，本发明提出一个更加实用的应用方式。例如沿海等多风地区，当太阳能板52受到强风吹袭的同时，线性驱动器28及58也会不断地受到强风的侵害而容易损坏。这里提出一个创新想法：将电磁抗风锁65作为逐步抗风锁，以对抗不断吹袭的强风。此逐步抗风锁的运作步骤如下所述：一、追踪装置控制器上的递减计数器(down counter)在抗风锁装置运作期间为零。二、追踪装置控制器命令电磁头螺线64解除供电，使杆头63回到未上锁位置。三、追踪装置控制器命令水平角线性驱动器28或仰角线性驱动器58在水平角或仰角方向上转动一步。四、杆头63启动并将太阳追踪器10锁在目前位置，且追踪装置控制器重新启动递减计数器。

一天当中，太阳追踪器10的运作速度相当缓慢。水平角旋转是180度左右，而仰角旋转大部分则只有90度。如果在有12小时日照的昼夜等长日(equinox day)旋转，则以水平角旋转一度会花四分钟，以仰角旋转一度会花八分钟。另一方面，水平角线性驱动器28及仰角线性驱动器58每启动一步可能小於一秒钟。因此，太阳追踪器10在绝大部分时间都处在锁定状态。在水平角线性驱动器28及仰角线性驱动器58连续启动期间，抗风锁装置可以减少水平角线性驱动器28及仰角线性驱动器58受到恒常风荷重的震动及拍打的情形，故能延长水平角线性驱动器28及仰角线性驱动器58的使用寿命，进而延长了太阳追踪器10的使用寿命。

于电线杆上安装双轴式太阳追踪器

请参见图10，图10绘示一电线杆上安装改良过的双轴式太阳追踪器10。由于电线杆12的底部比顶端要大，而非头尾均匀的圆柱状，因此将一内侧均匀的圆筒管20的头尾两端套于并固定在电线杆上。在图10中，圆筒管20取代图1中的地柱20。但有一凸缘圆环70固定在圆筒管20的底部，作用与圆筒管20类似，都是用来托住并支撑旋转头30。旋转头30的所在位置和带缘轴套22类似，而带缘轴套22的底部凸缘位在位于套住圆筒管20的凸缘圆环70之上。可以选择性地在凸缘圆环70及带缘轴套22之间插进一滑垫圈17，则旋转时会更加顺畅。此外，也可在圆筒管20外侧及旋转头30内侧之间，任意插进合适的上、下圆筒轴套34，不仅能让旋转时更加顺畅，也能够承受侧向力矩及风力。然而，假若圆筒管20的外衬及旋转头30的内衬由多孔质轴套制成且十分吻合，则无须使用圆筒轴套34。也就是说，旋转头30固定在地柱20上的方式，经过改良后可以安装在电线杆12上，以供日间混合动力车或电动车充电使用，或储存日间所产生的电力以供夜间照明使用。

水平梁50用旋转头30的凸缘固定住，并用U形螺栓水平地固定在旋转头30的主体上。复数个圆筒轴套59套在水平梁50上。水平梁50会使太阳能板52进行仰角旋转，这与前面述及的太阳能板52以非旋转梁进行仰角旋转的情况相同。此外，一充电式电池及电力控制箱45可固定在电线杆上任何方便的位置，供夜间照明使用。

以水平角进行旋转的单或双轴式线性驱动器，其固定方式与前面于图2和图6所述者类似。以仰角进行旋转的单或双轴式线性驱动器，其固定方式与前面于图4所述者类似，仅不同的是，图10中的仰角驱动器安装在旋转头30及追踪器支架521的其中一侧，而图4中的仰角驱动器则安装在旋转头30及追踪器支架521的中央位置。

圆筒管20及旋转头30的安装方式端赖于圆筒管20能否从电线杆的顶端套上。比较容易的做法是，在架设电线杆前就先将整个旋转组件组装好，接着再从电线杆的顶端套上。然而，如果要在已架设完成的电线杆上加装新的组件，在工程上则是一项挑战。圆筒管20、旋转头30及滑垫圈17必须做成半圆筒型或半圆环形，以配合做成完整圆筒型的内管及外管。再者，每一圆筒圆环与每一滑垫圈17圆环之间的接缝以交错配置为佳，因为安装时以交错配置的接缝的安全性较高。

虽然本发明已用较佳实施例揭露双轴式太阳追踪器如上，然其并非用以限定本发明。再者，本双轴追踪器的各项特征，不仅现在光伏电板之应用，而且可广泛应用在任何太阳追踪器或卫星追踪。例如，本双轴追踪器可应用在聚光式光伏板，槽状或碟状聚光器(板)，史特灵引擎聚光盘，反射聚阳光系统，聚光电热器以及卫星追踪器。本领域的普通技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作各种的更动与修改，因此本发明的保护范围当视后附之权利要求界定的范围为准。