CN101056076B - 太阳能电池板追日旋转平台 - Google Patents

Abstract

目前的太阳能电池板的安装，使其与地面间的夹角与当地纬度相同即可，为了让电池板尽量多地吸收太阳能，充其量在北半球冬天将此角度拉大、夏季减小而已，这些做法的目的都是使阳光适应季节变化以直射太阳能电池板，但却解决不了整个白昼的上午、下午阳光对电池板斜射问题。本技术是将太阳能电池板装载于与地面平行的圆形旋转平台上，其旋转角速度与地球自转速度相同，使所装载的太阳能电池板在整个白昼始终追随太阳的直射，从而使已有电池板最大程度地获取太阳能，由高转速电机传动到圆形旋转平台每个白昼0.5转的极低转速，其减速系统是通过三级行星针轮摆线减速机串接，最后由摩擦轮传动装置或销齿轮传动装置完成的总体减速系统实现准确追日。设计中不仅解决旋转平台移位，而且对地震倾覆、风载吹翻具有设防。为适应对太阳能电池板发电量大小需求的不同，金属构架支座与传动装置之间的圆形支撑轨道的直径设置系列：80米、60米、50米、45米、40米、36米、30米、26米、20米、16米、12米、9米、6米等，用户可按需要的规模选用。

Description

太阳能电池板追日旋转平台

一，所属技术领域

本发明专利所属技术领域是机械传动，关联领域太阳能电池板光伏发电装置、钢结构。

二，背景技术

中华人民共和国国家发展改革委员会能源局所做的《中国“十一五”光伏发展规划建议》中规划我国到2010年光伏发电量目标装机总容量达到500兆瓦，约占全国电力装机容量的0.73‰；到2020年，总装机容量达到30000兆瓦，约占全国总装机容量的3％；到2050年，光伏发电量达到全国总发电量25％，即1880000兆瓦，2011-2020每年安装2950兆瓦，2020-2050每年安装61700兆瓦。光伏发电将成为我国经济社会发展的主要能源之一。该公文还证实了实际装机容量远远大于政策规划的市场装机容量。

作为绿色、无污染、成本低廉的永久性能源，光伏发电不仅适用于每个建筑物，更适用于我国幅员辽阔的交通不便山区、荒原和边防。这对于燃料能源日趋紧张的世界性问题来说，光伏发电的重大意义愈来愈凸现。

无论是单晶硅、多晶硅，还是非晶硅的太阳能电池板，光电转换率可在20％以上。最近(2007年6月)，美国波音公司子公司Spectrolab有限公司在《应用物理学通讯》杂志称，他们采用多重接合技术使太阳能电池板的光电转换率达到40.7％，而理论可达50％以上。总之，光伏发电事业方兴未艾、前途无量。

目前的太阳能电池板的安装，使板面与地面间的夹角与当地纬度相同即可，至多在北半球冬天将此角度拉大、夏季减小而已，这些做法的目的都是使阳光直射太阳能电池板，但却解决不了整个白昼的上午、下午阳光对电池板斜射问题。对于已经安装使用了的电池板来说，阳光对电池板斜射属于对已经到手的太阳能源的浪费。应该把这个浪费捡回来。

三，发明目的

众所周知，由于地球围绕太阳公转的轨道是个椭圆形。就北半球而言，冬天地球处于该椭圆轨道的近日曲线段，离太阳近；夏天离太阳远。然而冬天离太阳近却比夏天冷。究其原因乃冬天为太阳斜射地球之故。夏天时节，北回归线以南地区皆有阳光直射的机会。这足以证明阳光直射比斜射被照射物体，所多获得的能量是极其可观的。

连向日葵的葵花圆盘都知道转颈追日，以最大程度地获取阳光能量。人类也应该去效仿它而获益。

既然用户安装了太阳能电池板，在现有这块电池板的面积上就得最大程度地获取太阳能。本专利技术是将太阳能电池板按圆形列阵装载于旋转平台上，其旋转角速度与地球自转的角速度同步，即每个白昼0.5转，使所装载的太阳能电池板在整个白昼从日出到日落始终追随太阳的直射，提高光伏效率，从而使现有电池板最大程度地获取太阳能。

为适应用户对太阳能电池板发电量大小需求的不同，按支座构架与传动装置之间的圆形支撑轨道的直径设置系列：80米、60米、50米、45米、40米、36米、30米、26米、20米、16米、12米、9米、6米等，可按需要选用。大直径旋转体可以设计多重轨道以分担承重、缓解支座构架的刚度变形。

四，技术方案

太阳能电池板按圆形列阵布置在金属结构的支座构架上，该金属支座构架被固定在龙骨托架上，即龙骨托架承受着太阳能电池板光伏装置和金属支座构架的全部重量。该龙骨托架固定装设有摩擦轮传动装置或销齿轮传动装置的被动轮，上述所有组件构成旋转体。旋转体被传动装置拖动以每个白昼0.5转的角速度围绕系统轴心旋转，即与地球的自转速度同步。若系统规模小，则设计一圈圆形轨道；规模大则设计多圈轨道。

若采用销齿轮传动装置，车轮被固定在龙骨下方，中碳钢制造的圆圈轨道被固定在钢筋混凝土基础之上(见说明书附图图1)。

若采用摩擦轮传动装置，车轮被固定在混凝土基础座的上方，中碳钢制造的圆圈轨道被固定在龙骨之下(见说明书附图图2)。

为安装和维护之便，承载太阳能电池板光伏装置的金属支座构架上面铺设铝合金或花纹钢板的甲板(见说明书附图图3中的14)。

整个传动体系由电机、三级串接的行星摆线针轮减速机、摩擦轮传动装置或销齿轮传动装置的主动轮，最后拖动摩擦轮传动装置或销齿轮传动装置的被动轮完成整个传动。如果选用同步转数每分钟1000转的六极电机，总减速比130万；若选用同步转数每分钟750转的八极电机，总减速比97.5万。直径小、发电规模小的系统可选用一台电机及其驱动装置；随规模增大，可选用二台或多台电机及其驱动装置。在多于一台时，要均布在同一圆周上。

用户选择摩擦轮传动还是销齿轮传动，要结合规模大小、安全可靠、建造成本、维护简易等诸因素决定。总之，这两种传动在世界范围内用于旋转平台和旋转餐厅都是可行的，技术是成熟的。选择摩擦轮传动的话，主动轮是圆柱轮，被动轮可以是圆盘轮(见说明书附图图2中的件9)或圆柱轮。三级行星摆线针轮减速机输出轴通过联轴器将转数传给主动摩擦轮。在主动摩擦轮与被动摩擦盘之间的法向压力调整，可通过三级行星摆线针轮减速机与主动摩擦轮共用联合底座，然后用螺旋调整联合底座与被动摩擦盘之间的距离来实现。联合底座的安装平面须是斜面。

为了确保旋转体能准确围绕轴心线旋转，在轴心设有定心轴装置。还有一个必须要发生的问题是，当太阳能板光伏装置随旋转体一起旋转时，其发电的正负极引线也必然一起旋转并绞缠、扭断。为解决此问题，将定心轴设计成空心轴，正负极引线从空心轴穿过，分别连接到两个彼此绝缘的铜制滑环(见说明书附图图3中的件16、22)上，滑环外分别与正负极碳刷接触。滑环随空心轴一起转动，碳刷借助弹簧力轻压在滑环外圆柱面上，正负电流从两个碳刷引出到系统外。碳刷上方须设计防雨。定心轴装置内设有件19限位止推盘，用以限制旋转体轴心处的垂直挠度。

该定心轴装置不仅可以起到防止旋转体被移位，同时其中的卡环(见说明书附图图3中的件20)与支座组合件(见说明书附图图3中的件18)的结构设计对地震倾覆、风载吹翻可起到一定的设防作用。依当地地震设防、气象资料设计。

由于安装太阳能电池板用户所处纬度和季节的不同，实际上旋转体在一个白昼的旋转角度不一定是180度(例如北球夏季，随纬度增高白昼渐长)。一般情况，一个白昼按11小时算，则其余13小时的非白昼可使旋转体继续旋转，复位到早晨迎接太阳的位置。这样，可以不设计专为复位用的逆向运转机构，也没有必要选用调速电机或调速减速机，这样可降低成本。只在到达终点时设限位开关并定时日出启动电机即可。

尤其当太阳能电池板列阵布置在直径较大的金属支座构架上时，金属支座构架制作及龙骨托架设计、计算应考虑用户当地的地震设防烈度、风载荷及雪载荷。旋转轨道设计应考虑旋转体对地震的防倾覆机构和防止风载吹翻系统，例如塔式起重机在其轨道处的防倾覆机构。

五，有益效果

1，在没有应用此项追日旋转平台之前，太阳能电池板只在“正晌午时”那一刹那才能被阳光直射。显然，其余全部白昼为斜射。而应用此项技术后，使电池板在全部白昼时间内接受阳光直射，从而最大程度地直接提高了同一电池板的光伏效率。

2，此项技术为太阳能电池板光伏装置大型化提供了条件。因为本技术旋转体设计考虑了用户当地的地震设防烈度、风载荷及雪载荷、旋转体对地震的防倾覆和风载的防吹翻机构。而这些因素是太阳能电池板大型化必须面临、必须解决的问题。

3，旋转体要耗电。例如，按直径50米圆盘列阵的太阳能电池板，旋转体总重80吨，由三个0.5千瓦电机驱动即可。而安装追日旋转平台后增加的光伏电力可达电机耗电的16倍以上。

4，为太阳能电池板大型化提供了实施的基础，规模大则效益愈显，必然导致使完成国家发展改革委员会的《中国“十一五”光伏发展规划建议》中我国到2010年、2020年、2050年光伏发电量的目标成为可能。

六，图面说明

说明书附图共4页。

图1给出的是采用销齿轮传动装置的总体系统主视图。图1中的：1固定的外圈轨道与作圆周运行的车轮组合件，2立式三级行星摆线针轮减速机与销齿轮传动装置，3定心轴装置，4龙骨，5固定的内圈轨道与作圆周运行的车轮组合件，6金属支座构架，7太阳能电池板光伏装置。

图2给出的是采用摩擦轮传动的总体系统主视图及传动装置放大图。图2中的：6金属支座构架，3定心轴装置，7太阳能电池板光伏装置，8卧式三级行星摆线针轮减速机与摩擦轮传动装置，9摩擦盘，10主动摩擦轮及其支撑轴，11主动摩擦轮支座，12联轴器，13联合底座。

图3是定心轴装置主视图。图3中的：7太阳能电池板光伏装置，14甲板，6金属支座构架，4龙骨，15正极碳刷，16滑环A，17空心轴，18支座组合件，9限位止推盘，20卡环，21负极碳刷，22滑环B。

图4是销齿轮传动装置布置图。图4中的：7太阳能电池板光伏装置，14甲板，6金属支座构架，4龙骨，23被动销齿轮，24主动销齿轮，25立式三级行

星摆线针轮减速机，26减速机座架，27地脚螺栓，28混凝土基础。

七，具体实施方式

按减速比定制卧式或立式三级行星摆线针轮减速机。驱动电机可选用交流电机或直流电机，可随减速机一起供货。采用直流电机的优点是可直接使用太阳能电池板光伏装置获得的直流电。如果该成套设备安装地点的交流电源方便，也可采用交流电机，例如六极电机，其异步转数约985转/分，为实现每个白昼0.5转的角速度，总减速比130万。

说明书附图3中，太阳能电池板光伏装置的发电正负极引线从定心轴装置的空心轴内的二个小孔引到滑环，滑环与空心轴之间皆相互绝缘，光伏装置所发出的正负电流从碳刷取出。空心轴采用珠光体不锈钢2Cr13较宜，可用焊接或螺栓联接将其固定在件4龙骨上。件20卡环是由一对经调质热处理的45号钢半环组成。卡环、空心轴与件18支座组合件的共同作用可防止旋转平台向上串动，即能对地震设防及防止旋转平台被风载吹翻。卡环剪切面计算要充分考虑地震和风载。件18支座组合件的支座体实质是个滑动轴承座，体外设黄油杯以向空心轴与支座体之间的滑动圆柱面注入润滑脂。支座体是由两个对称的半圆柱体对合而成，目的是夹住套在空心轴上的卡环，支座体的外圆柱面用箍环夹紧，箍环也是对称的一对，在箍环的凸缘上有螺栓孔，箍环夹紧支座体是由凸缘上的螺栓完成的。支座体通过螺栓连接在下方的钢底座，钢底座被固定在混凝土基础的地脚螺栓上。设置钢底座可方便定心轴装置与支座组合件的安装及维修拆装。

定心轴装置与支座组合件的尺寸取决于光伏装置规模及用户当地的地震设防烈度、气象条件等。

以太阳能电池板列阵布置按直径50米的圆盘为例，其旋转体总重约80吨。在直径30米的圆周上均匀设置三台0.5千瓦驱动电机，即三台机相互间隔120度角。与之对应，摩擦轮传动装置或销齿轮传动装置的主动轮及其之前的传动系统也需要三套。同时，设计二条圆圈轨道。若对于太阳能电池板列阵布置直径小于20米的圆盘，采用一台驱动电机、一套传动装置、一条圆圈轨道即可。

订购直联型立式三级行星摆线针轮减速机机组(型号LSD0.5-1285A-21199)。其六个极的驱动电机与第一级行星摆线针轮减速机联在一起。按三台行星摆线针轮减速机串接，第一级、第二级和第三级的减速比分别是43、29、17。则此三级的减速比共为21199。第四级减速即最后一级减速是由摩擦轮传动或销齿轮传动完成，该级减速比是61，这样，总减速比为130万。摩擦轮传动装置或销齿轮传动装置的被动轮直径30000mm，则摩擦轮传动或销齿轮传动的主动轮直径493mm，该主动轮的轴孔直径180mm，即与三级行星摆线针轮减速机机组输出轴直径相同。

金属构架支座在一般情况下选用焊接组合的钢结构，也可选用焊接与高强螺栓联合组合的钢结构，例如南京长江大桥的钢结构。在无电地区安装可设计为须用扭矩扳手安装的高强螺栓组合的钢结构。

金属支座构架与摩擦轮传动装置或销齿轮传动装置的被动轮的交接须有龙骨托架连接。若是销齿轮传动，龙骨托架上装设圆周运行的车轮机构，圆圈轨道承载车轮及旋转体重量。圆圈轨道设计成二圈：在直径40米、20米处。轨道被固定在钢筋混凝土基础之上。外圆轨道设32个车轮，内圆设16个车轮。在外圈轨道外侧，在8个车轮支座上均匀布设防倾覆扣以防止旋转体系统受地震倾覆或风载荷吹翻。

Claims (1)

1.一种用于装载太阳能电池板光伏发电系统的与地面平行安装的圆形旋转平台，其旋转角速度与地球自转同步，目的是使所装载的太阳能电池板在整个白昼从日出到日落始终追随太阳的直射，从而使已安装使用的太阳能电池板尽量多地获取太阳能，与地面平行安装的包括金属支座构架、龙骨、甲板的圆形旋转平台支撑太阳能电池板光伏装置的重量，并组成旋转体，电机通过具有极高减速比的机械传动装置驱动旋转体，由电机的高转数到太阳能电池板每个白昼0.5转的极低转数旋转，减速系统是通过三级行星针轮摆线减速机串接，最后由摩擦轮传动装置或销齿轮传动装置完成的总体减速系统，其特征是：电机选用同步转数每分钟1000转的六极电机或同步转数每分钟750转的八极电机，拖动装载太阳能电池板光伏发电系统的与地面平行的圆形旋转平台，太阳能电池板光伏装置的发电正负极引线从定心轴装置的空心轴内的二个小孔引到滑环，滑环与空心轴之间相互绝缘，太阳能电池板光伏装置所发出的正负电流从碳刷取出，卡环、空心轴与支座组合件的共同作用可防止旋转平台向上串动，支座组合件的支座体是个滑动轴承座，支座组合件的支座体外设黄油杯以向空心轴与支座体之间的滑动圆柱面注入润滑脂，支座体是由两个对称的半圆柱体对合而成，目的是夹住套在空心轴上的卡环，支座体的外圆柱面用箍环夹紧，箍环也是对称的一对，在箍环的凸缘上有螺栓孔，箍环夹紧支座体是由凸缘上的螺栓完成的，支座体通过螺栓连接在下方的钢底座，钢底座被固定在混凝土基础的地脚螺栓上。

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