CN102981515A - 一种伞式单轴跟踪光伏发电*** - Google Patents

Abstract

一种伞式单轴跟踪光伏发电***，包括控制器（1）、单轴跟踪机械结构（2）和光伏电池板组（3）。控制器（1）安装在承载立柱（2-2-1）顶面的控制箱内。控制器（1）控制所述的伞式单轴跟踪机械结构在水平面内的运转，跟踪太阳。单轴跟踪机械结构（2）由机械传动部分（2-1）和机械支撑部分（2-2）组成；机械传动部分（2-1）为一套安装在所述的伞式单轴跟踪光伏发电***底部的复合减速器，复合减速器提供所述的单轴跟踪机械结构的传动旋转动力；机械支撑部分（2-2）由承载立柱（2-2-1）、固定在承载立柱（2-2-1）上的焊接桁架，以及斜支撑角钢组成；所述的斜支撑角钢安装在焊接桁架顶面，其上安装有光伏电池板组（3）。

Description

一种伞式单轴跟踪光伏发电***

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏发电装置。

背景技术

目前化石能源的逐渐枯竭以及环保呼声的高涨，迫切需要人们开发清洁的可再生能源，太阳能发电便是人们青睐的可再生能源之一。伞式单轴跟踪光伏发电***通过跟踪运动增强了太阳光辐射，提高了光伏电池板的光电转换效率，节省了大量昂贵的光伏电池板。相对于那些普通光伏跟踪***而言，伞式单轴跟踪光伏发电***具有结构简单，总体成本低，抗风性能好，而发电效率比普通单轴跟踪类型高特点。

在现有的国内外跟踪太阳能技术中，所设计的太阳能跟踪装置大多采用双轴和单轴的方式实现时时追踪太阳。但目前这些机械结构需要大量昂贵的钢结构，导致推广使用其难度大。

发明内容

本发明的目的是克服目前太阳能跟踪光伏发电***需要大量昂贵的钢结构，提出一种伞式单轴跟踪光伏发电***。本发明能够增强太阳光利用效率，提高光伏电池板发电量，抗风性能提高，同时节省大量昂贵的钢结构，降低发电成本。

本发明通过一维跟踪太阳光辐射角度，提高太阳能电池板的转化效率。

本发明包括控制器、伞式单轴跟踪机械结构和光伏电池板组。

所述的控制器每天按时自动启动并控制电机随太阳光线自动运行，安装在一个全封闭的不锈钢的控制箱体内，控制箱体安装在伞式单轴跟踪机械结构的中空六方形钢管的承载立柱顶面。控制器控制伞式单轴跟踪机械结构在水平面内的运转，跟踪太阳。

所述的伞式单轴跟踪机械结构由机械支撑部分和机械传动部分组成。机械支撑部分由承载立柱、固定在承载立柱上的焊接桁架，以及斜支撑角钢组成。承载立柱为一个中空六方形钢管。所述的斜支撑角钢安装在焊接桁架顶面，其上安装有光伏电池板组。所述的机械传动部分为一套安装在所述的伞式单轴跟踪光伏发电***底部的复合减速器，所述的复合减速器提供所述的单轴跟踪机械结构的传动旋转动力。

所述的复合减速器由蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器和由控制器控制的步进电机组成。复合减速器提供所述的伞式单轴跟踪机械结构的传动旋转动力。复合减速器中的蜗轮蜗杆减速器上安装所述的机械支撑部分。复合减速器的步进电机、谐波减速器和蜗轮蜗杆减速器依次顺序安装连接，步进电机的输出轴和谐波减速器的输出轴机械连接，谐波减速器的输出轴和蜗轮蜗杆的蜗杆机械连接；所述的蜗轮蜗杆减速器上安装有所述的机械支撑部分；步进电机谐波减速器和蜗轮蜗杆减速器依次顺序连接安装，蜗轮蜗杆减速器的蜗轮和机械支撑部分的六方形管钢管承载立柱连接。

本发明通过由蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器和由控制器控制的步进电机组成的复合减速器控制伞式单轴跟踪机械结构回转并随太阳在天空角度变化而变化。所述的伞式单轴跟踪机械结构的机械传动部分中还设有一个角度传感器来辅助控制器控制角度变化，角度传感器内装有转动齿轮，角度传感器依靠所述的转动齿轮传动，所述的转动齿轮和机械传动部分的复合减速器连接在一起并随之同速转动，此角度传感器和机械传动部分同步运动。角度传感器外部为一个不锈钢壳，角度传感器内部安装有限位开关，实现限位功能。角度传感器具有实时向控制器发送机械传动部分的旋转角度检测数据。这样角度传感器在检测角度的同时，也能很好地保护整个跟踪***。

角度传感器采集旋转编码器反馈的伞式单轴跟踪机械结构回转的位置信号，通过外电路将位置信号传送给控制器，控制器利用该信号对光伏电池板组的位置进行闭环控制。

控制器控制所述的机械传动部分运动，使光伏电池板组的安装面和太阳光最接近。控制器外接三套电路***，和复合减速器、角度传感器及限位开关连接，接收来自复合减速器、角度传感器及限位开关的信号。

光伏电池板组安装在机械部分顶部的斜支撑角钢上。光伏电池板组和斜支撑角钢均按照一定角度朝南倾斜安装，光伏电池板的安装面是南北方向的多排层次结构，整个多排层次结构的顶面在同一水平面内，每排之间间隔一定间距，保证电池板受太阳光线照射时互相不遮挡。

本发明的光伏发电特性效率在相同条件下比太阳光伏固定式支架发电***效率可以提高30%，但机械成本只比固定式发电***每瓦提高1元左右，由于采取电池板安装面南北方向成多排层次结构，整个多排层次结构顶面在一个水平面内的设计，使本发明的抗风性能比起传统的结构提高2-3倍。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的总体仰视图；

图3是本发明的控制器工作原理图；

图4是本发明太阳跟踪示意图，图4a为跟踪前的示意图，图4b为跟踪结束后的示意图；

图5是单轴跟踪式发电***结构剖面示意图；

图6是地平坐标系中太阳的位置图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明伞式单轴跟踪光伏发电***总体结构图。如图1所示，本发明伞式单轴跟踪光伏发电***包括控制器1、单轴跟踪机械结构2和光伏电池板组3。控制器1控制所述的伞式单轴跟踪光伏发电***的运行。控制器1安装在一个不锈钢的控制箱内，该控制箱安装在伞式单轴跟踪光伏发电***的中空六方形钢管的承载立柱的顶面。所述的单轴跟踪机械结构2由机械传动部分2-1和机械支撑部分2-2组成。机械传动部分2-1由步进电机2-1-3，谐波减速器2-1-2和蜗轮蜗杆减速器2-1-1组成。步进电机2-1-3的输出轴和谐波减速器2-1-2的输出轴机械连接，谐波减速器2-1-2的输出轴和蜗轮蜗杆2-1-1的蜗杆机械连接；所述的蜗轮蜗杆减速器2-1-1上安装有所述的机械支撑部分2-2；步进电机2-1-3、谐波减速器2-1-2和蜗轮蜗杆减速器2-1-1依次顺序连接安装，蜗轮蜗杆减速器2-1-1的蜗轮和机械支撑部分2-2的六方形管钢管承载立柱连接。

机械支撑部分2-2由承载立柱2-2-1和承载立柱2-2-1上固定的焊接桁架、以及斜支撑角钢组成。承载立柱2-2-1为一个中空六方形钢管。所述的斜支撑角钢安装在焊接桁架顶面，其上安装有光伏电池板组3。光伏电池板组3和斜支撑角钢均按照一定角度朝南倾斜安装，光伏电池板的安装面为南北方向的多排层次结构，所述的多排层次结构的顶面在同一水平面内，每排之间有间距。由于整个伞式单轴跟踪光伏发电***的单轴跟踪机械结构的外形如同雨伞一样由中间支撑，其余边缘悬空，故称作伞式单轴跟踪光伏发电***。承载立柱2-2-1为中空六方形钢管，支撑本发明伞式单轴跟踪光伏发电***载荷。控制器1悬挂在承载立柱的顶面，承载立柱2-2-1顶部安装有水平面内旋转工作钢结构2-2-2，水平面内旋转工作钢结构2-2-2实现本发明伞式单轴跟踪光伏发电***的水平旋转自由度。

图2是本发明的仰视图，承载立柱2-2-1的底部是机械传动部分2-1。

图3是单轴跟踪集成控制器1的工作流程图。

图4为太阳光与单轴跟踪机械结构2在机械传动部分2-1的作用下与光伏电池板组3的安装面由不垂直到实现最接近垂直的过程示意图，其中图4a表示伞式单轴跟踪光伏发电***由偏移角θ超过阈值开始跟踪运转，直到图4b和光伏电池板组3的安装面最接近垂直，阈值小于一定值为止。

图5所示为复合减速器机械结构外形。角度传感器安装在蜗轮蜗杆减速器的蜗轮的顶部钢板上面。整个伞式单轴跟踪机械结构分两层，为底层和顶层两层的平面桁架空间搭接结构。六方钢管在蜗轮的上面通过螺栓和蜗轮的顶部钢板连接，六方钢管的各个钢管侧面和机械支撑底层的桁架螺栓连接，所有的顶层桁架连接电池板并用角钢和螺栓与钢管侧面的机械支撑的底层桁架空间连接。

图6是地平坐标系中太阳的高度角和方位角，本发明所实现的是方位角跟踪。

如图3所示，控制器1的控制过程如下：

控制器1具有自动计算太阳方位角和发出控制指令的功能。控制器1将角度传感器检测得到的伞式单轴跟踪光伏发电***转动的角度数据与根据时间计算得到的太阳位置角度作差值比较，如差值大于设定的阈值，控制器1便控制步进电机向阈值减小方向转动，否则就停止驱动步进电机运转。限位开关安装在角度传感器内部，一旦角度传感器运转到极限位置时撞击触发此限位开关，控制器1便停止步进电机运转。

控制器1发出并传递转动指令信号给复合减速器的步进电机2-1-3，步进电机2-1-3转动带动谐波减速器2-1-2一级减速旋转，谐波减速器2-1-2带动蜗轮蜗杆减速器2-1-1二级减速旋转。由于，蜗轮蜗杆减速器2-1-1的蜗轮和机械支撑部分2-2的六方形管钢管承载立柱连接，所以机械部分2也跟着旋转运动，使光伏电池板组3的安装面在水平面内作旋转运动。

单轴跟踪机械传动机构2有一个自由度，即水平面内转动自由度。通过步进电机2-1-3带动谐波减速器2-1-2一级变速，涡轮蜗杆减速器2-1-1二级减速旋转，为机械传动部分2-1转动部件提供旋转的动力。单轴跟踪机械传动机构2能够提供较大转动力矩，并实现其传动的自锁，以防止在大风和自重情况下机械部分滑动。

本发明工作原理和工作过程如下：

（1）如图4所示，控制器1中的时间模块每天按时启动，根据天文公式，计算本发明单轴光伏发电***在天球坐标下的太阳光角度，然后经过坐标变换为地平坐标系下的太阳光角度，即安装地的太阳位置，通过角度传感器检测光伏电池板组当前所处的位置，并与控制器1计算出的太阳位置相比较，二者的差值为角θ。当角θ大于控制器设定的阀值时，控制器1启动电机，使光伏电池板组3向太阳光入射方向旋转，直到太阳光垂直于光伏电池板组3的表面，如图4b所示。当角θ小于控制器设定的阀值时，1控制器就发出指令停止运动。同时，本发明单轴跟踪发电***还在角度传感器中设置了限位开关，一旦单轴跟踪式发电***转动到此位置撞击了限位开关，控制器1的控制运转就立刻停止所有运转控制。

（2）当控制器1软件发生故障，步进电机2-1-3失去控制时，本发明伞式单轴跟踪装置启动后难以再通过控制器1的控制指令使其停止运行，所述的单轴跟踪机械结构2和太阳能光伏电池板组3将面临损坏的危险。为防止该现象的出现，在旋转工作钢结构2-1的角度传感器中安装了限位开关，如图5所示。当太阳光伏电池板转动超过极限位置后，伞式单轴跟踪传动机构将触发限位开关，使控制器中由限位开关控制的继电器动作，切断控制器的驱动电源，保护整个伞式单轴跟踪装置安全。

如图1所示，光伏电池板组3安装的倾斜角度是根据安装当地的纬度来决定的，并且是固定不变的。如图5所示，传动***边缘安装了角度传感器2-1-4，角度传感器2-1-4和单轴跟踪光伏发电***同步运动。角度传感器2-1-4和限位开关可保护整个单轴跟踪式光伏发电***。

角度传感器采用了适当精度的旋转编码器来反馈旋转轴的位置信号，利用该信号对光伏电池板组的位置进行闭环控制，提高控制的精度。

控制器必须能够承受短时大风引起的风载荷，能够在冬季霜雪等天气条件下顺利地启动和运转，因此机械传动部分2-1必须具有提供较大转动力矩的能力。

本发明在单轴跟踪方式下，光伏电池板组3沿水平自由度旋转运动，如图1所示。单轴跟踪式光伏发电***通过计算太阳入射光与光伏阵列平面的夹角关系来确定跟踪角度。本发明采用了高度角随当地纬度固定倾斜，而跟踪方位角的单轴方式，如图6所示。

如此，每间隔一定时间段对本发明光伏发电***进行一个自由度的跟踪运动，实现水平旋转跟踪方式，实现任意太阳位置追踪运动。

Claims (4)

1.一种伞式单轴跟踪光伏发电***，其特征在于，所述的单轴跟踪光伏发电***包括控制器（1）、伞式单轴跟踪机械结构（2）和光伏电池板组（3）；所述的控制器（1）安装在控制箱内，所述的控制箱安装在伞式单轴跟踪光伏发电***的承载立柱（2-2-1）的顶面上；所述的控制器（1）控制所述的伞式单轴跟踪机械结构（2）在水平面内的运转，跟踪太阳；所述的单轴跟踪机械结构（2）由机械传动部分（2-1）和机械支撑部分（2-2）组成；所述的机械传动部分（2-1）为一套安装在所述的伞式单轴跟踪光伏发电***底部的复合减速器，所述的复合减速器提供所述的单轴跟踪机械结构的传动旋转动力；所述的机械支撑部分（2-2）由承载立柱（2-2-1）、固定在承载立柱（2-2-1）上的焊接桁架，以及斜支撑角钢组成；所述的斜支撑角钢安装在焊接桁架顶面，其上安装有光伏电池板组（3）。

2.根据权利要求1所述的伞式单轴跟踪光伏发电***，其特征在于所述的复合减速器由蜗轮蜗杆减速器（2-1-1）、谐波减速器（2-1-2）和步进电机（2-1-3）组成；步进电机（2-1-3）的输出轴和谐波减速器（2-1-1）的输出轴机械连接，谐波减速器（2-1-2）的速度输出轴和蜗轮蜗杆（2-1-1）的蜗杆机械连接；所述的蜗轮蜗杆减速器（2-1-1）上安装有所述的机械支撑部分（2-2）；步进电机（2-1-3）、谐波减速器（2-1-1）和蜗轮蜗杆减速器（2-1-1）依次顺序连接安装，蜗轮蜗杆减速器（2-1-1）的蜗轮和机械支撑部分（2-2）的承载立柱（2-2-1）连接。

3.根据权利要求1所述的伞式单轴跟踪光伏发电***，其特征在于所述的机械传动部分（2-1）中设有角度传感器（2-1-4），角度传感器（2-1-4）安装在转动齿轮上，所述的角度传感器内装有转动齿轮，并依靠所述的转动齿轮传动；角度传感器（2-1-4）和所述的单轴跟踪光伏发电***同步运动；所述的转动齿轮和复合减速器连接在一起；角度传感器内部安装有限位开关。

4.根据权利要求1所述的伞式单轴跟踪光伏发电***，其特征在于所述的光伏电池板组和斜支撑角钢朝南倾斜安装，光伏电池板的安装面为南北方向的多排层次结构，所述的多排层次结构的顶面在同一水平面内，每排之间有间距。

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