CN101916116A - 太阳能收集器的极轴跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能收集器的极轴跟踪装置，包括用作结构横梁并可旋转的极轴及固定在极轴上并随其旋转的面板，其中该跟踪装置还包括设置于极轴一端的第一转轮，与第一转轮通过钢缆连接的第二转轮及与第二转轮连接的驱动装置，该驱动装置驱动第二转轮转动，并通过钢缆带动第一转轮旋转进一步带动极轴旋转。

Description

太阳能收集器的极轴跟踪装置

【技术领域】

本发明在广泛意义上属于太阳能领域，在此特指光伏电池面板和聚焦型太阳能收集器的太阳跟踪系统领域，尤其指极轴太阳能跟踪系统的领域。

【背景技术】

本发明是指太阳能收集器，尤其指极轴跟踪系统装置，来跟踪太阳相对于地球的运动，从而使收集太阳能达到更高的效率和更低的成本。本发明应用于平板光伏面板和聚焦光热或光伏装置。

光伏太阳能电池板被广泛应用于住宅或商业的太阳能应用上。由于太阳相对地球的运动，导致照射到固定的光伏电池板上的太阳光每天在不同的时刻或每年不同的时间具有不同的入射角。此种入射光线会降低太阳能电池板的收集效率及减少此太阳能电池板产生的电量。由于收集的太阳能量与余弦角成正比，即太阳光的入射角与太阳能电池板的垂直表面之间的夹角，此效果所导致的损失即为熟知的余弦损失。为提高太阳光的收集效率，太阳能电池板可使用一个跟踪器使其与太阳入射光保持接近于垂直的位置。

跟踪器可也被广泛地应用于聚焦性太阳能板上，通过大面积的光学收集器将太阳光聚焦于一小面积太阳能吸收器上，此太阳能吸收器可为光伏电池或光热转换器。为了在太阳移动时使焦点保持在目标接收器上，此跟踪系统要跟随太阳运动，以维持聚焦。

二维跟踪系统具有两种形式，即方位角/高度跟踪及极角/季节(或赤道的)跟踪(参照《来自太阳的能量》第四章，http://www.powerfromthesun.net)。对于方位角/高度跟踪系统，其机械构造较为简单，但是，由于两轴所需的旋转速度并非恒定不变且相互依赖，因此在任何给定的地点需经常的调整，而且可靠的跟踪控制方案是复杂并且困难的，通常还需要有主动的感应和控制。对于极角/季节角(或赤道角)跟踪系统，其二轴是相互独立的。绕极轴的旋转速度是固定的，在日间大约为每小时15度。然而其季节角的转动非常缓慢并且易于跟踪太阳的季节移动。但是，实现此种跟踪系统的机械方案并非完美。许多先前的发明专利中对该系统均有描述，包括美国专利4,285,567及美国专利4,413,423及美国专利6,284,968B1。在先前的所有系统中，太阳能收集器的主体会对极轴施加一个较大的扭矩，并需要在日间绕极轴以固定的速度旋转。如此，会增加电机的负载需求并在高风力负载情况下导致系统的不稳定性。本发明就是为了改善该问题。

跟踪系统通常都需要为每一个跟踪器设置电机和驱动控制元件。为了降低系统的成本，非常希望用一个电机和驱动控制来同时驱动几个跟踪器。先前美国专利6,058,930阐述了通过一个一维的跟踪系统来实现此设想。该发明中，线性驱动器在跟踪过程中必须改变其角度，如此一来使得跟踪运动变得不规则，需要主动的探测和控制。跟踪器之间较长的刚性连接也非常笨重，同时其高度在跟踪时一直变化，这样会使得系统不可靠。本发明揭示了一个非常简单的极轴跟踪系统设计，消除了其不足之处。本发明适用于一维和两维的跟踪系统。

【发明内容】

本专利的目的就是为了提供一种太阳能跟踪设计方案，以避免上述缺点。本发明的一个特别目的是提供机械方案，会使得施加在旋转轴上的力矩最小，从而可增加系统的稳定性。本发明的另一个特别目的是提供一个设计方案，由一组电机/蜗轮齿轮和控制系统，以简单的齿轮/链条或转轮/钢缆机构来驱动多个系统。

为了实现上述目的，太阳能收集器被安装在太阳跟踪器上，此太阳收集器的至少一个转动轴(第一个转轴或极轴)是与地球自转轴平行，该转动为南北方向设置，并且具有与当地纬度角相等的水平倾斜角。此极轴是通过地上设置的两个固定块支撑，而此固定块上设有转动球轴承或者轴承座套以利于旋转。

在一实施例中，面板的旋转通过一齿轮/链条机构实现，在此机构中，该面板的转动通过第一齿轮得以实现，该齿轮的旋转轴杆固定在位于旋转极轴杆上端下方的轴承上，面板的旋转驱动了第一链条，该链条的两端固定在位于旋转中心一定距离外的面板的每一边的两个铰链上。齿轮是由一个步进电机及蜗杆齿轮驱动，以减小速度及电机的力矩负荷，并防止风载或其他外界阻力产生的反转运动。并且安装第一齿轮的转轴上还设有第二齿轮，并且该第二齿轮依序通过第二链条驱动第二面板，并依此类推。

在另一实施例中，面板的转动通过一转轮/钢缆机构实现。在此机构中，该面板的转动通过固定在旋转极轴杆较高一端的第一转轮实现，而该第一转轮通过一固定并缠绕于第一转轮上的第一钢缆驱动，并且在第一转轮下方一定距离上设置有第二转轮。第二转轮是固定在一旋转轴上，该旋转轴是通过旋转球轴承或轴承座得以支撑以便于旋转。并在在旋转轴上设有一齿轮转轮，该齿轮转轮通过一步进电机及一蜗轮齿轮驱动以减小速度及电机的力矩负荷，并防止风载或其他外界阻力产生的反转运动。并且安装第二转轮的旋转轴上还设有第三转轮，并且该第三转轮依次通过第二对转轮/钢缆驱动第二跟踪器，依次类推。通过用转轮/钢缆代替齿轮/链条的方案可以减少第一极轴与后续跟踪器的极轴之间由于模块之间链条拉力的非弹性伸张所产生的可能的旋转角度错误，并且也可消除齿轮与链条之间润滑的需要。该钢缆不锈钢制造以防止腐蚀。并且此钢缆具有高的强度及一定的弹性以防止在刚性连接中经常出现的断裂或永久的变形。

在这两种机构中，通过一组电机/蜗轮齿轮箱及控制电路便可实现驱动多个太阳能收集器面板的目的，从而降低整个系统的成本。通过将面板固定于可以旋转的极轴上，该极轴以每小时15度的恒定速度进行转动，在太阳正午时具有中心位置，以跟踪太阳日间的运动。对于平面光伏电池板面板，由于其最大23度的季节角平均而言余弦损失非常小，这种一维跟踪方案足以将效率提高30％。

对于集光型收集器，可采用二维跟踪器。在这些实例中，增加了另一个垂直于第一轴的第二季节旋转轴。第二旋转轴枢支撑(具有轴承)被固定在第一旋转轴上，并且该面板固定在季节旋转轴上。为减少或消除作用在旋转极轴上的巨大扭力，收集器面板从中间分开，如此，该面板可在沿季节轴旋转时从极轴穿过。季节轴支撑部件以及如此设置的面板，使得面板到极轴的扭力基本为零。第二轴慢速旋转以跟踪太阳一年中季节的运动。对于二维跟踪器，一个大型跟踪器组群的极轴可通过单一的电机驱动，而每一个跟踪器的季节轴则要通过安装于跟踪器上的单独的电机/蜗杆齿轮驱动。跟踪器的控制系统可被编程为“日期逻辑性(chronologically)”，以根据时钟将面板定位始终与太阳垂直。准确的时钟时间可通过GPS信号或电池驱动的电子钟获得。

【附图说明】

图1是本发明的一实施例的一个太阳能极轴跟踪器的侧视示意图。

图2是本发明的一实施例的一个太阳能极轴跟踪器(观察者位于跟踪器北面)的前视图。

图3是本发明的一实施例的电机/蜗杆齿轮组装系统的顶视图(上面)及侧视图(下面)。

图4是本发明一实施例的太阳能极轴跟踪器从中心位置旋转至早晨位置的前视图。

图5是本发明一实施例的由一个电机组装件驱动的位于太阳正午位置的跟踪器阵列的示意图。

图6为本发明一实施例的由一个电机组装件驱动的位于早晨位置的跟踪器阵列的示意图。

图7为本发明一实施例的两位跟踪器结构的侧视图。

图8为本发明一实施例的太阳能收集器面板的顶视图。

图9为本发明一实施例的与由一个电机/蜗杆齿轮组装件驱动的极轴以链轮连接的跟踪器阵列的前视图。

图10为本发明一实施例的跟踪器在早晨、正午、下午位置的前视图。

图11为本发明一实施例的另一个极轴旋转装置的跟踪器的前视图。

图12为本发明一实施例的跟踪器下午位置的前视图。

图13为本发明一实施例的另一个线性执行器倾斜角旋转装置的二维跟踪器的侧视图。

图14为本发明一实施例的有丝杆驱动装置的电机/蜗杆齿轮组装件的顶视图。

图15为本发明另一实施例的太阳面板跟踪器的侧视图。

图16为本发明另一实施例的一个太阳能极轴跟踪器(观察者位于跟踪器北面)的前视图。

图17为本发明另一实施例的电机/蜗杆齿轮组装系统的顶视图(上面)及侧视图(下面)。

图18为本发明另一实施例的太阳能极轴跟踪器从中心位置旋转至早晨位置的前视图。

图19为本发明另一实施例的由一个电机组装件驱动的位于太阳正午位置的跟踪器阵列的示意图。

图20为本发明另一实施例的由一个电机组装件驱动的位于早晨位置的跟踪器阵列的示意图。

图21为本发明另一实施例的两位跟踪器结构的侧视图。

图22为本发明另一实施例的太阳能收集器面板的顶视图。

图23为本发明另一实施例的与由一个电机/蜗杆齿轮组装件驱动的极轴以链轮连接的跟踪器阵列的前视图。

图24为本发明另一实施例的跟踪器在早晨、正午、下午位置的前视图。

【具体实施方式】

I.齿轮/链条机构

请参阅图1与图14所示，为本发明齿轮/链条机构的实施示意图，第一个实施例为一维跟踪器，该跟踪器最常在平板光伏电池面板中运用。请参考图1所示，极轴1(Polar Axis)是用作结构横梁并由两个球轴承3和4(或者任何其他类型的轴承座套)与其底座一起，以绕轴旋转来支撑。太阳能收集面板2固定在极轴1上，并随其旋转。轴承3通过其底座被固定在可旋转的铰链7上，该铰链随后被固定在底基6上。轴承4通过其底座被固定在支撑结构框架8上，该框架8被固定在固定件5上。框架8的长度和其在固定件5上的高度可调整，以使得极轴与水平面之间的倾斜角相当于安装位置的纬度角(Latitude Angle)。如图2所示，链条齿轮9是由电机/蜗轮齿轮组装件14驱动，之后再驱动链条11。链条11的两端被水平固定在设在极轴1上的铰链12和13上。如图3所示，一个带有减速齿轮箱19的步进电机，通过一组传动齿轮20驱动丝杆23。丝杆23由两个球轴承21和22绕轴旋转来支撑，以驱动固定在轴杆16上的蜗轮齿轮24。轴杆16是通过两个球轴承18绕轴旋转来支撑。蜗杆齿轮24的作用是为了防止由于面板2的自重或风载导致的通过链条齿轮9的反转移动，即只有丝杆23的转动才能使蜗杆齿轮24旋转，而蜗杆齿轮24的旋转无法驱动丝杆23。三个链条齿轮9，10，15被安装并固定在轴杆16上。链条齿轮9驱动链条11以旋转横梁1。链条齿轮10和15被用于将多个跟踪器与链条26和27捆绑连接在一起，此可参图5所示。电机/蜗轮齿轮组装件14的底座25安装在框架8上。当电机旋转齿轮，面板2沿极轴1旋转，如图4和图6所示。电机被编程为以昼间每小时15度旋转极轴，以跟踪昼间的太阳移动。

实施例二指的是最常被用于聚光型太阳能收集面板的两维跟踪器，如图7所示。极轴1和其昼间旋转以与实施例1相同的方式安排及编程。一对球轴承28置于底座内，而底座被固定在极轴1的水平横梁结构上，以绕轴旋转的方式支撑面板2。面板2如图8所示被分为两部分，以使面板2在沿由轴承28支撑的倾斜轴330旋转时穿过极轴1。第二组电机/蜗杆齿轮组装件和其底座31被固定在极轴1上，并驱动链条齿轮32。链条齿轮随后驱动两端固定在面板2框架上的铰链34和35的链条33。一个太阳热能(或光伏)接收器30(Thermal Receiver)由固定在面板2的结构框架横梁29支撑。电机如此编程以旋转太阳能收集面板2和接收器30，以形成与极轴1的倾斜角(Declination Angle)，来跟踪太阳年间的移动，如图7所示。多个跟踪器可以与第一实施例相似的方法来设置，其极轴1仅可由一组电机/蜗杆齿轮组装件来驱动，如图9所示。图10所示为面板在早晨、正午、下午的位置，其中面板的倾斜角等于零。

第三实施例如图11所示。在此设计中，极轴1以与第一实施例相似的方式校直与支撑。支撑结构8具有一个水平横梁来支撑和固定电机/蜗杆齿轮组装件36和轴承/链条齿轮组装件38。电机/蜗杆齿轮组装件36与图3所示的相似，带有由电机/蜗杆齿轮组装件36驱动的链条齿轮37。链条39形成了三角形环，其顶部固定在支撑杆40上。支撑杆40固定在极轴1的端部(通过矩形的孔轴配合)，以旋转极轴1和面板2。轴承/链条齿轮组装件38包含两个链条齿轮，第一个齿轮驱动链条39，形成三角形的环状，以驱动支撑杆40运动，此可如图12所示；第二个链条齿轮(未图示)驱动第二链条(未图示)来驱动下一个跟踪器，此结构类似于图5和6所示，此处不再赘述。

第四实施例如图13所示。在此设计中，使用丝杆代替链条，以旋转面板2从而与极轴1形成一个倾斜角。电机/蜗杆齿轮装配件25固定于极轴横梁结构上。丝杆37通过蜗杆齿轮24驱动，且该蜗杆齿轮24的中心固定在一套设于丝杆37上的螺母上，即如图14所示。由于蜗杆齿轮由电机带动旋转，丝杆37进行线性运动，进而推动面板2以围绕由轴承28支撑的季节轴33转动。

II.转轮/钢缆机构

请参阅图15至图24，为本发明转轮/钢缆机构实施方式的示意图，第一个实施例为一维跟踪器，该跟踪器最常在平板光伏电池面板中运用。请参考图15所示，极轴1(Polar Axis)是用作结构横梁并由两个球轴承3和4(或者任何其他类型的轴承座套)与其底座一起，以绕轴旋转来支撑。太阳能收集面板2固定在极轴1上，并随其旋转。轴承3通过其底座被固定在可旋转的铰链7上，该铰链随后被固定在底基6上。轴承4通过其底座被固定在支撑结构框架8上，该框架8被固定在固定件5上。框架8的长度和其在固定件5上的高度可调整，以使得极轴与水平面之间的倾斜角相当于安装位置的纬度角(Latitude Angle)。一转轮9(即第二转轮)是固定在旋转轴13上并且通过电机/蜗轮齿轮组装件14(即驱动装置)驱动，此电机/蜗轮齿轮组装件14是固定在框架8上(框架8的具体结构如图16所示)，并驱动一不锈钢钢缆11。如图16所示，该钢缆11是固定并张紧在转轮9(即第二转轮)及转轮12(即第一转轮)上。如图17所示，一具有减速齿轮箱的步进电机19通过一组传动齿轮20驱动一丝杆23，丝杆23由两个球轴承21和22绕轴旋转来支撑，以驱动固定在轴杆16上的蜗轮齿轮24。轴杆16是通过两个球轴承18绕轴旋转来支撑。蜗杆齿轮24的作用是为了防止由于面板2的自重或风载导致的通过链条齿轮9的反转移动，即只有丝杆23的转动才能使蜗杆齿轮24旋转，而蜗杆齿轮24的旋转无法驱动丝杆23。二个钢缆转轮9与10安装并固定在转轴杆(旋转轴)13上。固定在极轴上的转轮9是由钢缆11驱动以旋转极轴1。如图19所示，转轮10与15用以通过钢缆26与27将多个跟踪器串接在一起。如图18与图20所示，电机/蜗轮齿轮组装件14的底座25安装在框架8上，当电机旋转转轮，面板2绕极轴1旋转，并且该电机被编程为以昼间每小时15度旋转极轴，以跟踪昼间的太阳移动。

实施例二指的是最常被用于聚光型太阳能收集面板的两维跟踪器，如图21所示。极轴1和其昼间旋转以与实施例1相同的方式安排及编程。一对球轴承28置于底座内，而底座被固定在极轴1上，通过该球轴承28支撑的旋转轴29与极轴相垂直并以绕轴旋转的方式支撑面板2，面板2如图22所示被分为两部分，以使面板2绕倾斜角旋转轴29旋转时穿过极轴1，并且固定在旋转轴上的转轮30是通过轴承28得以支撑。具有壳体的第二组电机/蜗杆齿轮组装件31被固定在极轴1上并驱动一钢缆转轮32。该第二组电机/蜗杆齿轮组装件31通过此种方式设置并固定在极轴上，从而令该第二组电机/蜗杆齿轮组装件31施加于极轴上的扭力为零。钢缆转轮32进一步驱动钢缆33，而该钢缆33再驱动转轮30。该钢缆33被固定并张紧在转轮30与32上。一太阳热(或光伏)能接收器33’通过固定在面板2上的结构梁34支撑。面板2通过扩位结构被设置并固定在旋转轴29上，如此面板及热接收器施加在旋转轴29上的扭力为零。

电机可通过编程以旋转太阳能收集面板2和接收器30，以形成与极轴1的倾斜角(Declination Angle)，来跟踪太阳年间的移动，如图21所示。多个跟踪器可以与第一实施例相似的方法来设置，其极轴1仅可由一组电机/蜗杆齿轮组装件来驱动，如图23所示。图24为面板在早晨、正午、下午的位置，其中面板的倾斜角等于零。

Claims (13)

1.一种太阳能收集器的极轴跟踪装置，包括用作结构横梁并可旋转的极轴及固定在极轴上并随其旋转的面板，其特征在于：该跟踪装置还包括设置于极轴一端的第一转轮，与第一转轮通过钢缆连接的第二转轮及与第二转轮连接的驱动装置，该驱动装置驱动第二转轮转动，并通过钢缆带动第一转轮旋转进一步带动极轴旋转。

2.如权利要求1所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：该驱动装置为电机/蜗轮齿轮组装件，包括一个带有减速齿轮箱的步进电机、一组传动齿轮、丝杆及蜗轮齿轮，其中带有减速齿轮箱的步进电机通过一组传动齿轮驱动丝杆，丝杆驱动一固定在轴杆上的蜗轮齿轮，而第二转轮与蜗轮齿轮组设于同一轴杆上，从而带动第二转轮旋转。

3.如权利要求1所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：极轴是由两个球轴承与其底座一起以绕轴旋转来支撑，并且其中一轴承通过其底座被固定在一可旋转的铰链上，该铰链被固定在太阳能收集器的底基上，而另一轴承通过其底座被固定在该太阳能收集器的支撑结构框架上，该框架被固定在一固定件上，并且该框架的长度和其在固定件上的高度可调整，以使得极轴的倾斜角相当于安装位置的纬度角。

4.如权利要求1所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：设置第二转轮的轴杆上还设有另外两个转轮，该二转轮通过钢缆与其他太阳能收集器的相应转轮连接以同步旋转多个太阳能收集器。

5.如权利要求1所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：极轴与地球旋转的南北轴平行。

6.如权利要求1所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：极轴相对水平面具有倾斜纬度角。

7.如权利要求1所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：该太阳能收集器的极轴跟踪装置还包括一倾斜角旋转轴，该倾斜角旋转轴与极轴垂直。

8.如权利要求7所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：该倾斜角旋转轴通过二固定在极轴上的轴承支撑，并以绕轴旋转的方式支撑面板。

9.如权利要求8所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：面板被分为两部分，以使面板在绕倾斜轴旋转时穿过极轴。

10.如权利要求9所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：该倾斜角旋转轴上还设有一转轮，而极轴的一端设有另一转轮，此二转轮之间通过钢缆连接，并且该太阳能收集器的极轴跟踪装置还设有与极轴一端的转轮配合的第二驱动装置，该驱动装置驱动极轴一端的转轮旋转，进一步通过钢缆带动倾斜角旋转轴上的转轮，从而带动面板绕倾斜角旋转轴旋转。

11.如权利要求10所述的太阳能收集器的极轴跟踪装置，其特征在于：该第二驱动装置也为电机/蜗轮齿轮组装件，包括一个带有减速齿轮箱的步进电机、一组传动齿轮、丝杆及蜗轮齿轮，其中带有减速齿轮箱的步进电机通过一组传动齿轮驱动丝杆，丝杆驱动一固定在轴杆上的蜗轮齿轮，而极轴一端的转轮与蜗轮齿轮组设于同一轴杆上，从而带动该转轮旋转。

12.一种太阳能模组阵列，其特征在于该太阳能模组阵列包括：

多个太阳能模组，每一太阳能模组均包括一用作结构横梁并可旋转的极轴、固定在极轴上并随其旋转的面板、设置于极轴一端的第一转轮，与第一转轮通过钢缆连接的第二转轮及与第二转轮同轴设置的其他转轮，并且此多个太阳能模组的极轴相互平行，此多个太阳能模组的上述的其他转轮通过钢缆连接在一起；

驱动装置，与至少一个太阳能模组的第二转轮配合，以驱动第二转轮，并通过上述其他转轮及钢缆驱动其他太阳能模组同步运动。

13.如权利要求12所述的太阳能模组阵列，其特征在于：该驱动装置为电机/蜗轮齿轮组装件，包括一个带有减速齿轮箱的步进电机、一组传动齿轮、丝杆及蜗轮齿轮，其中带有减速齿轮箱的步进电机通过一组传动齿轮驱动丝杆，丝杆驱动一固定在轴杆上的蜗轮齿轮，而第二转轮与蜗轮齿轮组设于同一轴杆上，从而蜗轮齿轮带动第二转轮旋转。

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