CN201401972Y - 太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构 - Google Patents

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张建一
张耀明
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Abstract

本实用新型公开了一种太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，它包括太阳能聚光器阵列、高度角联动机构、方位角联动机构；太阳能聚光光伏发电阵列通过一套高度角驱动机构带动整个阵列的所有聚光器倾斜跟踪太阳高度角，通过一套方位角驱动机构带动整个阵列的所有聚光器绕其传动轴旋转跟踪太阳方位角。由于整个太阳能聚光光伏发电阵列，只采用一套太阳高度角驱动机构和一套太阳方位角驱动机构，就可实现整个阵列的所有聚光器二维联动跟踪太阳运行，跟踪成本低廉。而且由于太阳高度角驱动机构和太阳方位角驱动机构完全为简单的机械机构构成，制造容易，跟踪精度高，抗大风能力强。

Description

太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能利用技术领域，特别是涉及一种太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构。
背景技术
太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭，充分开发利用太阳能不仅可以节约日益枯竭的常规能源，缓解严峻的资源短缺问题，而且还可以减少污染，保护人类赖以生存的生态环境。在众多的太阳能利用技术中，太阳能光伏发电技术实现了直接将太阳能转化为电能，是一种最方便的利用方式，它具有运行安全可靠、无需燃料、无噪声、无污染、可就地利用、使用维护简便、规模可大可小等优点，因而受到了世界各国的重视。
虽然太阳能光伏发电具有很多优点，但在光伏发电的发展过程中，使用成本过高一直是制约其迅速推广应用的关键因素。其重要原因之一是：用于生产太阳能电池的半导体材料价格昂贵，消耗量大，导致以太阳能电池为核心的光伏发电***的成本难以大幅度降低。
常规的光伏发电***一般是将太阳能电池固定安装，价格居高不下，难以迅速推广应用。根据太阳能电池在一定条件下输出的电流与接受的光照强度成正比增加而又不至于影响光伏电池寿命的特征，人们开始研究采用聚光和跟踪技术，希望在获得同样电能的情况下减少太阳能电池的用量，而增加的跟踪聚光的成本远低于所节约的太阳能电池的成本相当于用普通的金属玻璃等材料代替昂贵的半导体材料。德国、美国、西班牙、澳大利亚等国都分别开发了菲涅尔透镜聚光、反射聚光等各种聚光光伏发电***，现有折射聚光的缺点是光强均匀性较差，透过率难以提高，制造成本较高，大型抛物面反射聚光的缺点是抛物面反射镜制造难度大，成本较高，反射镜容易破碎，机构整体防风性能差。这些均导致整套***性价比提高不明显，使得聚光光伏发电***的优势难以体现。到目前为止，仅有少量试验、示范性质的聚光光伏发电***投入运行。
我国太阳能光伏组件产量几乎以每年翻番的速度增长，但太阳能光伏技术开发和利用的水平不仅远低于发达国家，也落后于印度、巴西等发展中国家。尽管我国有着很好的太阳能资源和光伏电池制造能力，但是太阳能光伏产业的整体水平与发达国家还有很大的差距，一是太阳能电池所使用的晶体硅原料的生产依赖进口，原料紧缺，目前乃至今后很长一段时期，成本下降的空间较小，二是太阳能光伏***应用还很少。
近几年来，国内外聚光光伏发电技术一般采用单立柱和轨道式二维跟踪太阳运行，因采用单机二维跟踪，其跟踪成本高。为了降低跟踪成本，现主要采用一套跟踪机构带动一台大型聚光器运行，但随着机型尺寸放大，其成本也成倍增加、稳定性较差，几十吨的大型聚光器对使用场所的基础要求也很高，这大大限制了聚光光伏发电技术的推广。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种易于制造、成本低廉、性价比高、具有较高跟踪精度和抗大风的太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构。
为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：
本实用新型是一种太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，它包括太阳能聚光器阵列、高度角联动机构、方位角联动机构和支架；所述的太阳能聚光器阵列由多个太阳能聚光器构成，每个太阳能聚光器的一个侧边铰接在支架上，在该侧边上同时连接方位角联动机构，每个太阳能聚光器的另一侧边铰接在高度角联动机构上。
所述的高度角联动机构由轴承座、可升降框架、平行四边形连杆、丝杆螺母驱动机构或链轮链条驱动机构组成；每一个小型聚光器一侧边中部置于轴承座上，轴承座铰接可升降框架上，小型聚光器另一侧边中部铰接在三角支架上。
所述的方位角联动机构主要由多个齿轮齿条传动啮合机构、多个连杆长度调节机构、多个连接杆、丝杆螺母驱动机构组成；各连接杆设置在两齿轮齿条传动啮合机构之间，多个齿轮齿条传动啮合机构被连接杆串联在一条直线上，在各连接杆的中段设置调节长度的连杆长度调节机构，所述的丝杆螺母驱动机构安装在最外连接杆的外端，用于驱动连接杆、齿轮齿条传动啮合机构沿直线左右移动。
所述的齿轮齿条传动啮合机构由导轨、齿条、半圆齿轮、法兰盘组成；所述的齿条的本体滑接在导轨轨道内，齿条齿牙与半圆齿轮啮合，半圆齿轮固定在法兰盘上，法兰盘套接在小型聚光器的传动轴上，小型聚光器的传动轴通过轴承和轴承座铰接在在支架上。
所述的方位角联动机构采用平行四边形连杆机构，所述的平行四边形连杆机构由多根摆杆、可调连接杆组成；摆杆与聚光器一端固定，可带动聚光器摆动，摆杆和可调连接杆组成平行四边形连杆机构，可带动所有小型聚光器转动20°-160°。
所述的半圆齿轮的齿轮转动角度为0°-180°。
采用上述方案后，本实用新型具有以下优点：
(1)由于本实用新型的整个太阳能聚光光伏发电阵列，只采用一套太阳高度角驱动机构和一套太阳方位角驱动机构，就可实现整个阵列的所有聚光器二维联动跟踪太阳运行，跟踪成本低廉。而且由于太阳高度角驱动机构和太阳方位角驱动机构完全为简单的机械机构构成，制造容易，跟踪精度高，抗大风能力强。
(2)由于本实用新型由多行和多列的小型聚光器组成一个聚光阵列，每个聚光器外形尺寸较小、重量轻、易于采用冲压批量化加工，聚光器的精度可得到保证，安装工艺简单，因此达到成本最低。
(3)由于每个聚光器的尺寸小、重量轻，所以防风性能好；整个聚光阵列的重量均匀分布在整个场所，因此适合安装在屋顶及地基要求不高的场所，有利于在土地资源较紧张城市推广太阳能利用。
(4)由于采用二维联动跟踪太阳运行，电路上只需要采用一套传感器接收太阳运行信号，就可通过电路控制驱动机构跟踪太阳，达到电控成本最低。
(5)由于太阳高度角每天变化很小，采用倾斜方式联动跟踪太阳高度角，其高度角跟踪所消耗的电能可达到最少。
综上所述，本实用新型与其他大型聚光器相比，易于制造、成本低廉、性价比高、具有较高跟踪精度和抗大风性能。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。
附图说明
图1是本实用新型的俯视图；
图2A是本实用新型聚光器阵列高度角在60°位置跟踪示意图；
图2B是本实用新型聚光器阵列高度角在90°位置跟踪示意图；
图3A是本实用新型高度角联动机构在60°位置示意图；
图3B是本实用新型高度角联动机构在90°位置示意图；
图4A是本实用新型聚光器阵列方位角在45°位置齿轮齿条机构跟踪示意图；
图4B是本实用新型聚光器阵列方位角在90°位置齿轮齿条机构跟踪示意图；
图5是图2在I处局部放大图；
图6是图5沿A向视图；
图7A是本实用新型聚光器阵列方位角在45°位置平行四边形连杆机构跟踪示意图；
图7B是本实用新型聚光器阵列方位角在90°位置平行四边形连杆机构跟踪示意图；
图8是本实用新型单个聚光器光学原理示意图。
具体实施方式
如图1、图2A所示，本实用新型是一种太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，它包括太阳能聚光器阵列1、方位角联动机构2、高度角联动机构3和支架5。
所述的太阳能聚光器阵列1由多个太阳能聚光器4(4行121、122、123、124和4列111、112、113、114)构成，每个太阳能聚光器4的一个侧边铰接在支架5上，在该侧边上同时连接方位角联动机构2，每个太阳能聚光器4的另一侧边铰接在高度角联动机构3上。
如图2A、图2B所示，所述的太阳能聚光光伏发电阵列1由一个高度角联动机构3推动所有太阳能聚光器4倾斜到每一时刻太阳高度角位置，如图2A所示的60°和如图2B所示90°不同位置，从而实现太阳高度角联动跟踪。
如图3A、图3B所示，所述的高度角联动机构3由轴承座31、可升降框架32、平行四边形连杆33、丝杆螺母驱动机构34或链轮链条驱动机构(图中未标注)组成。每一个小型聚光器4一侧边中部通过轴承置于轴承座31上，轴承座31铰接可升降框架32上，小型聚光器4另一侧边中部铰接在三角支架5上。所述的可升降框架32的两端铰接在平行四边形连杆33，丝杆螺母驱动机构34铰接在平行四边形连杆33的结合处。
所述的高度角驱动机构34推动平行四边形连杆33运动，由平行四边形连杆33驱动可升降框架32上下平行运动，确保所有小型聚光器4倾斜角度一致，达到太阳能聚光光伏发电阵列高度角的联动跟踪。
如图4A、图4B所示，所述的方位角联动机构2主要由多个齿轮齿条传动啮合机构21、多个连杆长度调节机构22、多个连接杆23、丝杆螺母驱动机构24组成。各连接杆23设置在两齿轮齿条传动啮合机构21之间，多个齿轮齿条传动啮合机构21被连接杆23串联在一条直线上，在各连接杆23的中段设置调节长度的连杆长度调节机构22，所述的丝杆螺母驱动机构24安装在最外连接杆23的外端，用于驱动连接杆23、齿轮齿条传动啮合机构21沿直线左右移动。
长度调节机构22、连接杆23和齿条212串联在一条直线上，通过长度调节机构22调节各个聚光器121、122、123、124方位角的初始值一致。由丝杆螺母驱动机构24推动连接杆23直线移动，由连接杆23推动所有齿条212带动齿轮213转动，实现太阳能聚光光伏发电阵列方位角的联动跟踪。
如图5、图6所示，所述的齿轮齿条传动啮合机构21由导轨211、齿条212、半圆齿轮213、法兰盘214组成。所述的导轨211安装在支架5上，齿条212的本体滑接在导轨211轨道内，齿条212齿牙与半圆齿轮213啮合，半圆齿轮213固定在法兰盘214上，法兰盘214套接在小型聚光器4的传动轴41上，小型聚光器4的传动轴41通过轴承42和轴承座43铰接在在支架5上。所述的半圆齿轮213的齿轮转动角度为0°-180°。
所述的多个齿轮齿条传动啮合机构21齿条212靠多个连杆长度调节机构22、多个连接杆23串联在一条直线上，由电动推杆带动连接杆23作直线运动，实现机组方位角联动；由于滑接齿条212的导轨211安装在支架5上，使得高度角的跟踪不影响齿轮齿条的传动；且齿条212置于齿轮213上方，运动时，靠导轨211保证正常传动间隙，不跟踪时，靠齿条212及其各连接杆23的自重消除齿轮213间隙，最大限度减少小型聚光器4聚光架受到风载时产生晃动。
如图7A、图7B所示，方位角联动机构2也可采用平行四边形连杆机构7实现联动，所述的平行四边形连杆机构7主要由多个连杆71、多个连杆长度调节机构72、丝杆螺母驱动机构73组成。所述的连杆71与聚光器4铰接在一起，形成一组平行四边形连杆，通过丝杆螺母驱动机构73推动平行四边形连杆左右摆动，从而带动所有聚光器实现方位角20°-160°跟踪。通过调整连杆长度调节机构72，使所有聚光器4的初始角度一致。
如图8所示，每一个聚光器4由电池板401、平面镜402、聚光架403组成。平面镜402安装在聚光架403上，电池板401安装在聚光架403顶部，通过方位角和高度角的自动跟踪联动机构，使得太阳光线始终垂直聚光器4顶部的电池板401，确保太阳光线经平面镜发射后，均匀地照射在电池板401上，达到数倍聚光。

Claims (6)

1、一种太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，其特征在于：它包括太阳能聚光器阵列、高度角联动机构、方位角联动机构和支架；所述的太阳能聚光器阵列由多个太阳能聚光器构成，每个太阳能聚光器的一个侧边铰接在支架上，在该侧边上同时连接方位角联动机构，每个太阳能聚光器的另一侧边铰接在高度角联动机构上。
2、根据权利要求1所述的太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，其特征在于：所述的高度角联动机构由轴承座、可升降框架、平行四边形连杆、丝杆螺母驱动机构或链轮链条驱动机构组成；每一个小型聚光器一侧边中部置于轴承座上，轴承座铰接可升降框架上，小型聚光器另一侧边中部铰接在三角支架上。
3、根据权利要求1所述的太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，其特征在于：所述的方位角联动机构主要由多个齿轮齿条传动啮合机构、多个连杆长度调节机构、多个连接杆、丝杆螺母驱动机构组成；各连接杆设置在两齿轮齿条传动啮合机构之间，多个齿轮齿条传动啮合机构被连接杆串联在一条直线上，在各连接杆的中段设置调节长度的连杆长度调节机构，所述的丝杆螺母驱动机构安装在最外连接杆的外端，用于驱动连接杆、齿轮齿条传动啮合机构沿直线左右移动。
4、根据权利要求3所述的太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，其特征在于：所述的齿轮齿条传动啮合机构由导轨、齿条、半圆齿轮、法兰盘组成；所述的齿条的本体滑接在导轨轨道内，齿条齿牙与半圆齿轮啮合，半圆齿轮固定在法兰盘上，法兰盘套接在小型聚光器的传动轴上，小型聚光器的传动轴通过轴承和轴承座铰接在支架上。
5、根据权利要求1所述的太阳能聚光光伏发电阵列方位角的自动跟踪联动机构，其特征在于：所述的方位角联动机构采用平行四边形连杆机构，所述的平行四边形连杆机构由多根摆杆、可调连接杆组成；摆杆与聚光器一端固定，可带动聚光器摆动，摆杆和可调连接杆组成平行四边形连杆机构，可带动所有小型聚光器转动20°-160°。
6、根据权利要求4所述的太阳能聚光光伏发电阵列的自动跟踪联动机构，其特征在于：所述的半圆齿轮的齿轮转动角度为0°-180°。
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