CN101755342B - 滚动跟踪式太阳能组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种跟踪式太阳能组件，其包括基体、第一支撑件和第二支撑件。太阳能板可以安装在基体上。第一支撑件包括相对于基体固定的第一弯曲滚动表面。第一支撑件和第二支撑件可以与支撑表面接合。第一弯曲滚动表面可以沿支撑表面滚动，以使基体在第一取向和第二取向之间移动。基体及任何太阳能板具有足够的重量以达到固有稳定，并在没有固定在支撑表面上的情况下抵抗风力载荷。本发明可以包括用于将基体偏压向选定取向的偏压装置，选定取向处于第一取向或第二取向、或者位于第一取向和第二取向之间。基体的上表面可以具有延伸进入基体的开口区域，太阳能板安装在开口区域中，开口区域用作太阳能板的太阳能集中装置。

Description

滚动跟踪式太阳能组件

背景技术

光伏阵列被用于多种目的，包括公用交互电力系统、远程或无人站点的电源、移动电话交换点的电源或农村电源。这些光伏阵列所具有的容量可以是从几千瓦到几百千瓦或更高，并且通常安装在白天的大部分时间都曝露在阳光下的适度平坦区域。

一般来说，跟踪式太阳能收集系统具有太阳能板(通常为光伏板)，多排所述太阳能板被支撑在用作轴线的扭矩管上。可以使用跟踪器驱动系统使所述多排太阳能板围绕其倾斜轴线转动或摆动，以保持太阳能板尽可能正对太阳。通常，将多排太阳能板布置为使它们的轴线沿南北方向设置，并且跟踪器在白天逐渐地转动多排太阳能板，使其从早晨的朝东的方向转动到下午的向西的方向。然后多排太阳能板返回到朝东的方向，从而为下一天做好准备。在Barker等人的美国专利No.5,228,924中示出了这种类型的太阳能收集装置。在这种装置中，每排太阳能板都具有各自的驱动机构。其它的设计(例如美国专利No.6,058,930)使用了单个致动器来控制多排太阳能板。

吹过安装在建筑物的房顶上或其它支撑表面上的光伏(PV)阵列或其它太阳能收集组件的空气在PV组件上产生了两种类型的力：趋于将PV组件推向侧面的侧向力和趋于将PV组件抬起的风浮力。人们已经在对PV组件阵列的设计和评定上做了大量的工作以使风力最小化。参见美国专利No.5,316,592；5,505,788；5,746,839；6,061,978；6,148,570；6,495,750；6,534,703；6,501,013和6,570,084。

发明内容

与支撑表面一起使用的跟踪式太阳能组件的第一实例包括基体、第一支撑件和第二支撑件。太阳能板可以安装在所述基体上并由所述基体支撑。所述第一支撑件包括相对于所述基体固定的第一弯曲滚动表面。所述第一支撑件和所述第二支撑件可以与所述支撑表面接合。所述第一弯曲滚动表面可以沿所述支撑表面滚动，以使所述基体在第一取向和第二取向之间移动。在一些实例中，所述基体及安装于其上的任何太阳能板具有足够的重量以达到固有稳定，并在所述跟踪式太阳能组件没有固定在所述支撑表面上的情况下抵抗风力载荷。在一些实例中，所述跟踪式太阳能组件具有重物和重心；在所述基体在大致朝东的取向和大致朝西的取向之间的运动中，所述跟踪式太阳能组件的所述重物通过使所述重心与所述枢转轴线产生竖直偏差来产生恢复力，这种偏差会使跟踪式太阳能组件向所述重心与所述枢转轴线大致正好竖直对准的平衡位置移动。在本发明的一些实例中，还包括用于在白天期间至少按时将所述基体从第一取向向第二取向移动的装置，所述第一取向为大致朝东的取向，所述第二取向为大致朝西的取向。在本发明的一些实例中，还包括用于将所述基体向选定取向偏压的偏压装置，所述选定取向处于所述第一取向或所述第二取向、或者位于所述第一取向和所述第二取向之间，所述第一取向为大致朝东的取向，所述第二取向为大致朝西的取向。在一些实例中，所述基体具有上表面和从所述上表面延伸进入所述基体的开口区域；所述太阳能板可以安装在所述开口区域中并与所述上表面隔开，所述开口区域用作所述太阳能板的太阳能集中装置。

与支撑表面一起使用的跟踪式太阳能组件的第二实例包括支撑组件，该支撑组件包括基体和基体支撑件。太阳能板安装在所述基体上并由所述基体支撑。所述基体支撑件可在所述支撑表面上定位而不与所述支撑表面固定，从而支撑所述基体，以使所述基体在第一取向和第二取向之间移动。所述基体及安装于其上的所述太阳能板具有足够的重量以达到固有稳定，并在所述支撑组件没有固定在所述支撑表面上的情况下抵抗风力载荷。

跟踪式太阳能组件的第三实例包括支撑表面和支撑组件。所述支撑组件包括基体、第一支撑件和第二支撑件。太阳能板可以安装在所述基体上并由所述基体支撑。所述第一支撑件可以由所述支撑表面支撑在所述支撑表面上的固定位置。所述第一支撑件包括支撑所述基体并与所述基体接合的第一弯曲滚动表面。所述第一弯曲滚动表面相对于所述支撑表面固定。所述第二支撑件可与所述支撑表面接合。当所述第一弯曲滚动表面与所述基体接合并沿所述基体滚动时，所述基体可以在第一取向和第二取向之间移动。

可以从附图、详细描述和所附权利要求书看出本发明的其它特征、方面和优点。

附图说明

图1是从基体下侧看到的跟踪式太阳能组件的实例的总体视图；

图2是图1所示的跟踪式太阳能组件的局部分解视图，示出了一个与基体分离的太阳能板；

图3是图1所示的跟踪式太阳能组件的俯视图；

图4是图1所示的跟踪式太阳能组件的侧视图，示出了与基体相连的驱动线和滑轮；

图5是图4所示的跟踪式太阳能组件的仰视图，以虚线示出了早晨、中午和晚上时的枢转轴线；

图6是一排图4所示的跟踪式太阳能组件在处于中午取向时的简化俯视图；

图7是图6所示的一排跟踪式太阳能组件在处于中午取向时的朝向南方的简化侧视图；

图8示出了图7所示的跟踪式太阳能组件处于早晨的朝东取向；

图9和图10是与图1所示的跟踪式太阳能组件相似的跟踪式太阳能组件的侧视图和仰视图，但包括了线性重物驱动器，该线性重物驱动器用于改变重心并从而改变东-西取向，以使所述跟踪式太阳能组件可以从早到晚地跟随太阳；

图11和图1 2示出了图9和图10所示跟踪式太阳能组件的一种替代方案，其中使用摆式驱动器改变重心；

图13和图14示出了图9和图10所示跟踪式太阳能组件的另一种替代方案，其中使用液体压载组件改变重心；

图15是与图3相似的俯视图，但其中从赤道边缘向地极边缘延伸的侧部边缘不是平行的而是收拢的；

图16示出了在地极边缘使用延伸部分的另一实例，所述延伸部分具有用作弯曲滚动支撑件的弯曲外边缘；

图17示出了与图16所示相似的实例，但该实例既包括图16所示的地极边缘延伸部分又包括赤道边缘延伸部分，所述延伸部分的弯曲的滚动表面在导轨中运动；

图18和图19是示出了准稳定跟踪式太阳能组件的实例的俯视图和侧视图；

图19A是图18和图19所示的准稳定跟踪式太阳能组件的一种替代方案的侧视图；

图20是图1至图5所示的实例的一种替代方案的局部分解视图，其中在太阳能板下方的基体中形成开口区域；

图21和图22是图1至图5所示的实例的另一种替代方案的仰视和俯视局部分解视图，其中基体具有用于各个缩小尺寸的太阳能板的太阳能集中开口区域；以及

图23至图25示出了跟踪式太阳能组件的又一种实例，其中第一支撑件是与基体分离的部件。

具体实施方式

下面参考具体的结构实施例和方法进行描述。应当理解，本发明不限于具体公开的实施例和方法，而是可以使用其它的特征、元件、方法和实施例来实现。对优选实施例的描述是用于展示本发明，而不是用于限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求书限定。本领域的普通技术人员可以根据下面的描述想到多种等同变型。各实施例中的相同部件均以相同的附图标记指示。

本发明涉及太阳能收集，并特别涉及滚动跟踪式太阳能组件，该滚动跟踪式太阳能组件能够跟踪太阳相对于地球的运动。本发明更特别涉及对结构的改进，所述结构提供固有稳定性，从而有效防止风力载荷损坏跟踪式太阳能组件。本发明用于太阳能组件，在所述太阳能组件中，太阳能板具有用于发电的光伏电池阵列，然而本发明的原理也适用于例如太阳能加热装置。

图1至图5是滚动跟踪式太阳能组件10的一个实例的多个视图，该滚动跟踪式太阳能组件10主要包括太阳能板支撑组件12和至少一个太阳能板14。虽然可以在滚动跟踪式太阳能组件10中使用单个太阳能板14，但在多个实例中均示出了多个太阳能板14。太阳能板支撑组件12包括基体16和支撑腿18，支撑腿18与基体16的下表面20刚性连接并从该下表面20伸出。太阳能板14安装在基体16的上表面21上。支撑组件12包括第一支撑件22和第二支撑件24。

本发明的一方面基于对以下事实的认识：如果以较为廉价但沉重的材料(例如钢筋混凝土)来制造组件10，那么组件固有地可以抵抗风力载荷。因此，基体16优选由钢筋混凝土或其它重型材料制成。这使得组件10固有稳定，从而在没有将组件10固定在支撑表面30上的情况下抵抗由风力载荷引起的运动。例如，基体16的上表面21的表面面积为160平方英尺(14.9平方米)，其重量为约4000到6000磅。对表面面积与重量的关系的选择主要取决于现场条件，包括角取向的范围、基体16的形状和预期的风速。当风速高到足以导致组件10转动至最大朝东取向或最大朝西取向时，组件10的重量应能够足以避免任何进一步的运动。也就是说，在通常情况下，只凭风力自身不太可能将组件10掀翻，或是将组件10从其期望位置移开。

在图1至图5所示的实例中，第一支撑件22包括沿基体16的一端形成的第一弯曲滚动表面26，第二支撑件24包括支撑腿18，在支撑腿18的远端上具有第二弯曲滚动支撑件28。在其它实例中，不使用滚动支撑件28，而是在支撑腿18的任一端或沿支撑腿的长度使用接头。如图4所示，滚动表面26和滚动支撑件28均由支撑表面30支撑。表面30通常包括用于与滚动表面26和滚动支撑件28接触的特制区域。例如，可以使用一条压实的砾石或混凝土来支撑滚动表面26，并且可以通过凹陷的支承表面(例如支撑在混凝土块中的半球形不锈钢杯)或一条压实的砾石垫板来支撑滚动支撑件28。

图1至图5所示的太阳能组件10的一个实例具有位于中心的重心34。基体16通常被定向为使其纵向中心线36沿极轴定向。在北半球，滚动表面26被定向为朝南，而在南半球，滚动表面26被定向为朝北。为了便于进行讨论，以在北半球的使用为例对本实例进行描述。

太阳能组件10限定移动的瞬时枢转轴线。瞬时枢转轴线延伸经过滚动支撑件28与支撑表面30接触处的北枢转点38和第一弯曲滚动表面26上的与支撑表面30抵靠的位置。在图2和图5中标出了三个这种位置：早晨的南枢转点40、中午的南枢转点41和晚上的南枢转点42，从而限定了早晨的枢转轴线44、中午的枢转轴线45和晚上的枢转轴线46。

组件10通过驱动装置48在早晨的南枢转点40与支撑表面30接触处的早晨取向和晚上的南枢转点42与支撑表面30接触处的晚上取向之间移动，在图6和图7中以简化的形式示出了驱动装置48的实例。图6和图7示出了全部通过驱动装置48同时驱动的太阳能组件10的排列50。驱动装置48包括驱动线52，驱动线52与导向滑轮54接合并将相邻的太阳能组件10相互连接。驱动装置48还包括驱动器56，驱动器56通过驱动器驱动线58与排列50一端的跟踪式太阳能组件57相连。在某些实例中，排列50的相反端上的跟踪式太阳能组件59通过张紧源驱动线62与例如弹簧、配重等张紧源60相连。

在驱动线52、58、62上没有任何张力的情况下，各个组件10趋于使自身定向成重心34与枢转轴线竖直对准。如图5所示，当太阳能组件10处于中午的南枢转点41抵靠在支撑表面30上的中午取向时，重心34与中心线36对准。当组件10向一侧或另一侧倾斜时，也就是向其晚上取向或早晨取向倾斜时，由重心34与瞬时枢转轴线的偏差产生恢复力。为使排列50的组件10向早晨取向移动，驱动器56拉动驱动器驱动线58，从而促使一排组件10同时变为如图8所示的早晨的朝东取向。此时，驱动器56通常克服由各个组件10的重量产生的恢复力和由张紧源60施加的力。随着白天从早晨变到晚上，通过张紧源60拉动张紧源驱动线62并通过从驱动器56上适当地释放驱动器驱动线58，来使组件10的排列50从图8所示的早晨取向朝着晚上取向(未示出)运动。在其它的实例中，驱动器56和张紧源60可以颠倒使用，即：在排列50的西端设置驱动器56，而在排列50的东端设置张紧源60。假定张紧源60不使用电源，那么在白天结束时，在不给驱动器56供电的情况下，这种装置可以使组件10的排列50自然地返回至其朝东取向。在其它实例中，张紧源60可以是电动驱动器，从而可以对张紧源60施加在张紧源驱动线62上的力的大小进行控制。

在某些情况下，可能需要使重心在中午以外的其它时刻(例如早晨取向的时刻)与瞬时枢转轴线对准。在这种情况下，可以向例如下表面20增加重量以使重心与早晨枢转轴线44对准，或者可以通过改变基体16的几何形状或支撑腿18的位置来改变重心。将驱动器56设置在排列50的西端，这样可以不使用张紧源60，或者至少减小了必须由张紧源60施加的力的大小。

有时可能需要单独地驱动各个组件10。例如，在某些情况下，可能不想或无法驱动组件10的整个排列50。图9至图14示出了通过在白天移动组件的重心来单独驱动组件10的三个实例。图9和图10示出了安装在组件10的下表面20上的直线重物驱动器66。驱动器66包括重物68，重物68通过螺纹安装在东-西取向的螺杆或蜗杆70上。通过蜗杆驱动器72使蜗杆70旋转，以使重物68在横向(也就是东-西方向)上移动。这使组件10能够自我定向在最大程度地暴露于阳光下的适当取向。可以通过多种常规的方式或非常规的方式来控制蜗杆驱动器。例如，可以把基于白天的时间的控制预编程到蜗杆驱动器72中。可以使用合适的太阳跟踪装置来控制蜗杆驱动器72的操作。可以在每个组件10上连接单独的跟踪装置，或者可以使用公用的跟踪装置，该公用的跟踪装置通过有线连接或无线连接向各个蜗杆驱动器72提供信息。可以从太阳能板14获得用于驱动蜗杆驱动器72的电能。可以使每个组件10中的一个太阳能板14专用于为蜗杆驱动器72供电。

图11和图12示出了单独驱动的太阳能组件10的另一实例。图11和图12所示的实例为摆锤类型的，其中重物68安装在臂74的一端。臂74的另一端与摆锤驱动器76相连，摆锤驱动器76与下表面20相邻地固定在支撑腿18上。如图12所示，摆锤驱动器76的动作使得臂74旋转预定的弧长，从而移动重物68并改变跟踪式太阳能组件10的重心34的位置。和图9和图10中所示的实例一样，这导致滚动表面26沿支撑表面30滚动，以使组件10在白天跟随太阳的运动。

图13和图14示出了单独驱动的太阳能组件10的又一实例。在这个实例中，液体压载装置80固定在下表面20上并且包括在东-西方向上彼此分隔开的第一液囊82和第二液囊83(或其它液体容器)。液囊82和83通过液体管路84相连，在液体管路84上设置有泵86。在液囊82和83之间来回泵送液体可以改变组件10的重心位置，从而使组件10从早晨取向到晚上取向跟踪太阳的运动。

在图1至图14所示的实例中，基体16包括沿着赤道边缘89的滚动表面26和从赤道边缘89延伸至地极边缘90的平行侧部边缘88。在图15所示的实例中，侧部边缘88不是平行的，而是随着从赤道边缘89向地极边缘90延伸而收拢。这种构造相对于图1至图14所示的实例有几个主要的不同之处。第一，由于侧部边缘88是收拢的，所以向东或向西的最大倾斜取向可以大于图15所示的实例。第二，图15所示的实例中的靠近地极边缘90的表面面积小于先前的实例中的靠近地极边缘90的表面面积，从而有助于减小风阻力。第三，在这种情况下，可以将组件构造为在早晨指向东北方向并在下午指向西北方向，从而提高夏天的产能率。

图16示出了另一种实例，其中第二支撑件24包括沿地极边缘90的地极端的主体延伸部分92。主体延伸部分92具有用作第二弯曲滚动支撑件28的弯曲外边缘。滚动支撑件28在两个侧部边缘88之间延伸。图17所示的实例与图16所示的实例的相似点在于其包括地地极端的主体延伸部分92；然而，第一支撑件22包括赤道端的主体延伸部分94。主体延伸部分94具有用作第一弯曲滚动表面26的弯曲外边缘。当组件10安装在房顶上时，这种具有主体延伸部分92、94的组件可能很实用；在这种情况下，主体延伸部分92、94的弯曲外边缘可以如图17所示地在导轨95内或导轨95上滚动，从而有助于保护屋顶表面并在屋顶表面上分散重量。此外，任何这些被驱动的太阳能组件都可被构想为固定倾斜(非跟踪式)的太阳能组件，但固定倾斜的太阳能组件可能在强风的作用下滚动至与通常位置相比风力载荷较低的位置。

图18和图19示出了组件10的实例，其中基体16为圆形，重心34与北枢转点38对准，从而枢转轴线总是经过重心。这使组件10在任何取向时都是准稳定的。这种构造可以减小使基体16倾斜所需的力的大小。图19A示出了图18和图19所示的组件10的一种替代实施例。图19A所示的组件10同样是准稳定的并具有支撑腿18，支撑腿18固定在基体16上并从基体16伸出。

图20示出了图1至图5所示的实例的一种替代方案。图20所示的组件10具有从基体16的上表面21延伸的开口区域96。基体16通常由混凝土制成。在本实例中，开口区域96延伸贯穿基体16。开口区域96的尺寸和位置被制定为可使太阳能板14安装在上表面21上并覆盖所述开口区域。这有助于通过允许冷却气流接触太阳能板14的上表面和下表面来使太阳能板14保持凉爽。

图21和图22示出了另一实例，其中基体16具有延伸贯穿基体16的多个太阳能集中开口区域98。太阳能板14通常通过直接固定在基体16的下表面20上而安装在开口区域98的底部。限定开口区域98的侧壁被构造为将太阳辐射导向太阳能板14，从而把太阳辐射集中在太阳能板上。和图20所示的实例一样，空气可以在太阳能板14的两侧自由循环，从而有助于冷却太阳能板并由此提高工作效率。开口区域还可以用于减轻基体16的重量，并减少通常用于制造基体16的混凝土的成本。

图23至图25示出了另一种实例，其中第一支撑件22是与基体16分离的部件。在图23所示的实例中，第一支撑件22支撑在支撑表面30上并包括第一弯曲滚动表面26。滚动表面26沿赤道边缘89接触基体16的下表面20。相对于图23所示的实例而言，图24所示的实例交换了第一支撑件22和第二支撑件24的位置。在图24所示的实例中，滚动表面26沿地极边缘90与基体16的下表面20接合。图25示出了一个实施例，其中第一支撑件22和第二支撑件24均是单个组件100的零件。组件100包括圆柱状底座102，沿圆柱状底座102的上边缘形成第一弯曲滚动表面26，并且支撑腿18从圆柱状底座102的上端伸出。滚动支撑件28形成在支撑腿18的端部上并与形成在基体16的下表面20中的半球形开口104接合。

上述描述可能使用了例如上方、下方、顶部、底部、以上、以下等术语。在说明书和权利要求中使用这些术语是为了帮助理解本发明，而不是限制本发明。

虽然通过参考上面详述的优选实施例和实例公开了本发明，但是应当理解，这些实例是用于说明目的而非限制目的。可以预期，本领域的技术人员可以想到各种变型方案和组合方案，这些变型方案和组合方案均落入本发明的精神和所附权利要求书的保护范围之内。前面涉及的任何以及所有专利、专利申请和印刷出版物均通过引用并入本文。

Claims (15)

1.一种与支撑表面一起使用的跟踪式太阳能组件，所述太阳能组件包括：

基体，太阳能板能够安装在所述基体上并由所述基体支撑；

第一支撑件和第二支撑件；

所述第一支撑件包括相对于所述基体固定的第一弯曲滚动表面；

所述第二支撑件与所述基体的下表面连接并从该下表面伸出；

其中，所述第一支撑件和所述第二支撑件能够与所述支撑表面接合；并且

所述第一弯曲滚动表面能够沿所述支撑表面滚动，以使所述基体在第一取向和第二取向之间移动，所述第一取向为朝东的取向，所述第二取向为朝西的取向。

2.根据权利要求1所述的太阳能组件，其中，所述第一弯曲滚动表面与所述基体共面。

3.根据权利要求1所述的太阳能组件，还包括导轨，所述第一弯曲滚动表面沿所述导轨滚动。

4.根据权利要求1所述的太阳能组件，其中，所述基体及安装于其上的任何太阳能板具有足够的重量以达到固有稳定，并在所述跟踪式太阳能组件没有固定在所述支撑表面上的情况下抵抗风力载荷。

5.根据权利要求1所述的太阳能组件，其中，所述第二支撑件包括第二弯曲滚动表面。

6.根据权利要求1所述的太阳能组件，其中，所述第二支撑件包括细长的支撑腿，所述支撑腿具有位于所述基体上的上端和位于所述支撑表面上的下端。

7.根据权利要求1所述的太阳能组件，其中，当所述基体在朝东的取向和朝西的取向之间移动时，所述基体围绕所述第一支撑件上的北枢转点和所述第二支撑件上的南枢转点枢转，所述北枢转点和所述南枢转点限定枢转轴线。

8.根据权利要求7所述的太阳能组件，其中：

所述跟踪式太阳能组件具有重物和重心；并且

在所述基体在朝东的取向和朝西的取向之间的移动中，所述跟踪式太阳能组件的所述重物通过使所述重心与所述枢转轴线产生竖直偏差来产生恢复力，这种偏差会使所述跟踪式太阳能组件向所述重心与所述枢转轴线正好竖直对准的平衡位置移动。

9.根据权利要求8所述的太阳能组件，其中，所述跟踪式太阳能组件被构造为使得所述平衡位置处于从以下取向中选择的一个取向：

在所述朝东的取向和所述朝西的取向之间的中间位置的中午取向；

所述朝东的取向。

10.根据权利要求8所述的太阳能组件，还包括如下装置：所述装置用于在白天期间至少按时改变所述重心的位置，从而使所述跟踪式太阳能组件从所述朝东的取向向所述朝西的取向移动。

11.根据权利要求1所述的太阳能组件，还包括用于在白天期间至少按时将所述基体从所述第一取向向所述第二取向移动的装置。

12.根据权利要求1所述的太阳能组件，还包括用于将所述基体偏压向选定取向的偏压装置，所述选定取向处于所述第一取向或所述第二取向、或者位于所述第一取向和所述第二取向之间。

13.根据权利要求1所述的太阳能组件，其中，所述跟踪式太阳能组件的至少相当大的一部分是混凝土。

14.根据权利要求1所述的太阳能组件，其中，所述基体包括上表面和从所述上表面延伸进入所述基体的开口区域。

15.根据权利要求14所述的太阳能组件，还包括多个太阳能板，并且

其中，所述太阳能板安装在所述开口区域内并与所述上表面隔开，所述开口区域用作所述太阳能板的太阳能集中装置。

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