CN102195527B - 由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置 - Google Patents

Abstract

由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，包括太阳能电池板，支架、连接架、横向轴与纵向轴；支架包括底座、支架柱与横梁，支架柱安装于底座，横梁安装于支架柱，连接架通过横向轴与太阳能电池板连接，连接架下部活套于纵向轴，纵向轴固设在支架柱顶端；传动机构包括高度角电动伸缩推杆和时角电动伸缩推杆；高度角电动伸缩推杆下端通过下轴承连接于支架柱，高度角电动伸缩推杆上端通过滑块和滑杆连接于太阳能电池板，并控制太阳能电池板绕横向轴转动，时角电动伸缩推杆控制太阳能电池板绕纵向轴转动。本发明结构简单，控制传动机构功耗低，时角跟踪幅度≥±50°，高度角变化幅度≥±35°，大幅度提高了太阳能电池板的发电效率。

Description

由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，涉及一种自动跟踪太阳的光伏发电装置，具体说是一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置。

背景技术

太阳能光伏发电为人类提供可持续能源，并保护赖以生存的环境，但其发电效率低、发电成本相对较高仍是制约其大规模应用的重要因素。在没有出现高效的光伏电池材料之前，研制有实用价值的太阳能光伏发电自动跟踪系统，则是提高太阳能光伏发电效率、促进太阳能应用的主要途径之一。

国外在20世纪80年代就对太阳能跟踪系统进行了大量研究，我国自20世纪90年代也开始进行了这方面的研究和开发。如CN200820040115.3自动跟踪太阳能光伏发电装置专利，通过行星减速机输出齿轮内啮合转盘轴承内圈上的轮齿，推动转盘轴承外圈、转盘轴承盖及安装在转盘轴承盖上的支架带动光伏组件安装平而转动，实现东西方位角的跟踪；通过升降机升降杆驱动电池平台绕转轴转动，实现在仰角方向上对太阳光的自动跟踪。再如：CN200910038907.6太阳能光伏发电自动跟踪系统专利，根据高灵敏度光控头采集的光照信号，控制低速直流电机正向或反向转动，带动丝杆伸缩，从而使太阳电池组件绕固定轴转动，达到跟踪的目的。以上专利技术传动机构各不相同，实际应用各有利弊。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提供一种小功耗大推力的由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置。该光伏发电装置结构简单、成本低廉、系统稳定、跟踪效果好、功低耗，能可靠实现提高太阳能电池板发电效率的目的。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：

一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，包括太阳能电池板，用于控制太阳能电池板转动的传动机构（简称传动机构），其特征在于：它还包括支架、连接架、横向轴与纵向轴；支架包括底座、支架柱与横梁，支架柱安装于底座，横梁安装于支架柱，连接架通过横向轴与太阳能电池板连接，连接架下部活套于纵向轴，纵向轴固设在支架柱顶端；传动机构包括高度角电动伸缩推杆和时角电动伸缩推杆；高度角电动伸缩推杆下端通过下轴承连接于支架柱，高度角电动伸缩推杆上端通过滑块和滑杆连接于太阳能电池板，时角电动伸缩推杆控制太阳能电池板绕纵向轴转动，时角电动伸缩推杆一端连接于横梁。

本发明太阳能电池板既可围绕横向轴上下转动，又可围绕纵向轴左右转动；高度角电动伸缩推杆用来控制太阳能电池板绕横向轴转动，跟踪太阳高度角，时角电动伸缩推杆用来控制太阳能电池板绕纵向轴转动，跟踪太阳时角。

高度角电动伸缩推杆和时角电动伸缩推杆分别通过其直流电机推动，太阳能电池板充电的蓄电池为两个电动推杆的直流电机提供直流12V电源，无需外接电源；每个电动推杆均由跟踪检测控制电路控制，跟踪检测控制电路分别给两个电动推杆提供正、反向开关信号驱动电动推杆伸缩，从而控制太阳能电池板同时跟踪太阳时角和太阳高度角，使太阳能电池板正对太阳，提高太阳能电池板的发电效率。

高度角电动伸缩推杆和时角电动伸缩推杆分内分别装有伸缩行程限位开关，当电动推杆伸出或缩回以限定位置时，限位开关断开，电动推杆的直流电机停止工作，保证系统安全、稳定、节能。

本发明已经制作出样机，样机试验证明，时角跟踪幅度≥±50°，高度角跟踪幅度≥±35°；每天控制跟踪太阳时角的电动推杆累计工作时间仅5分钟左右，控制高度角的电动推杆工作时间更少，所以整个跟踪装置功耗极低。本发明能使太阳照射到太阳能电池板的时间较非跟踪固定角度放置式太阳照射到太阳能电池板的时间提高近一倍，且绝大部分时间是太阳直射太阳能电池板，最大幅度的利用太阳能量，从而大幅度提高了太阳能电池板的发电效率。本发明采用小功耗大推力的电动推杆控制太阳能光伏发电板双轴跟踪太阳，结构简单、成本低廉、系统稳定、跟踪效果好。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式，

图2是本发明的另一种实施方式，

图3是本发明的又一种实施方式，

图4是连接架与支架柱和太阳能电池板的立体结构关系示意图，

图5是连接架与支架柱和太阳能电池板的剖切示意图，

图6是本发明电气原理框图，

图7是本发明的第四种实施方式。

图中：1—高度角电动伸缩推杆，2—时角电动伸缩推杆，3—上轴承，4—下轴承，5—支架柱，6—滑块，7—滑杆，8—太阳能电池板，801—太阳能电池，802—电池托架，803—固定架，9—第一万向节，10—横梁，11—第二万向节，12—太阳能电池板横中线，13—横向轴，1301—横向轴的中轴线，14—纵向轴，1401—纵向轴的中轴线，15—左斜支架，16—右斜支架，17—左转轴，18—右转轴，19—第二万向节的横向转轴，20—第一万向节的纵向转轴，21—纵向转轴，22—横向转轴，23—跟踪检测控制电路，24—充电控制器，25—蓄电池，26—高度角推杆直流电机，2601—高度角推杆直流电机的伸出转动开关，2602—高度角推杆直流电机的收缩转动开关，27—时角推杆直流电机，2701—时角推杆直流电机的伸出转动开关，2702—时角推杆直流电机的收缩转动开关，28—支架，29—连接架，30—底座，32—负载，33—竖轴。

具体实施方式

实施例1    如图1所示：一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，包括太阳能电池板8，用于控制太阳能电池板转动的传动机构，它还包括支架28、连接架29、横向轴13与纵向轴14；支架28包括底座30、支架柱5与横梁10，支架柱5安装于底座30，横梁10安装于支架柱5，连接架29通过横向轴13与太阳能电池板8连接，连接架29下部活套于纵向轴14，纵向轴14固设在支架柱5顶端；传动机构包括高度角电动伸缩推杆1和时角电动伸缩推杆2；支架柱5下端安装下轴承4，高度角电动伸缩推杆1固定连接于下轴承4，高度角电动伸缩推杆1上端通过滑块6和滑杆7连接于太阳能电池板8，时角电动伸缩推杆2控制太阳能电池板8绕纵向轴14转动，时角电动伸缩推杆2一端连接于横梁10。

参见图1、图4与图5：太阳能电池板8包括太阳能电池801与电池托架802，太阳能电池801安装在电池托架802上，电池托架802设有固定架803，横向轴13活动套装于固定架803，连接架29上部活动套装于横向轴13；支架柱5安装有上轴承3，高度角电动伸缩推杆1上端固定连接于上轴承3，从而使高度角电动伸缩推杆1整体可绕固设在支架柱5顶端的纵向轴14转动；滑杆7固定安装在电池托架802，高度角电动伸缩推杆1上端安装滑块6，滑块6与滑杆7活动式连接，通过高度角电动伸缩推杆1的上下伸缩带动滑块6沿滑杆7上下滑动，从而调整太阳能电池板8围绕横向轴13转动，以便正对太阳高度角。

参见图1：电池托架802左右两侧设有左右耳板，左斜支架15通过左转轴17安装于左耳板，右斜支架16通过右转轴18安装于右耳板，左斜支架15与右斜支架16的另一端固定于下轴承4；横梁10上安装有第一万向节9，电池托架802安装有第二万向节11，控制太阳能电池板8时角的时角电动伸缩推杆2一端安装于第一万向节的纵向转轴20，另一端安装于第二万向节的横向转轴19；通过时角电动伸缩推杆2的伸缩推动太阳能电池板8围绕支架柱5顶端固定的纵向轴14左右转动，从而跟踪太阳时角。

横向轴13、左转轴17、右转轴18和第二万向节的横向转轴19必须在一条直线上即横向轴的中轴线1301上，并与太阳能电池板横中线12平行，不然，太阳能电池板不能正常转动。

参见图6与图1：本发明还包括电气设施，电气设施包括安装于太阳能电池板8的跟踪检测控制电路23，蓄电池25，充电控制器24，高度角推杆直流电机26，时角推杆直流电机27；太阳能电池板8与充电控制器24输入端连接，充电控制器24输出端与蓄电池23及负载32连接，跟踪检测控制电路23与高度角推杆直流电机的伸出转动开关2601、高度角推杆直流电机的收缩转动开关2602、时角推杆直流电机的伸出转动开关2701和时角推杆直流电机的收缩转动开关2702相连接；蓄电池25分别给高度角推杆直流电机26和时角推杆直流电机27供电，跟踪检测控制电路23分别通过高度角推杆直流电机的伸出转动开关2601、高度角推杆直流电机的收缩转动开关2602、时角推杆直流电机的伸出转动开关2701和时角推杆直流电机的收缩转动开关2702控制高度角推杆直流电机26和时角推杆直流电机27的工作状态。高度角推杆直流电机和时角推杆直流电机分别推动高度角电动伸缩推杆和时角电动伸缩推杆伸缩，蓄电池为两个电动推杆的直流电机提供直流12V电源，跟踪检测控制电路分别给两个电动推杆提供正、反向开关信号驱动电动推杆伸缩，从而控制太阳能电池板同时跟踪太阳时角和太阳高度角，使太阳能电池板正对太阳，提高太阳能电池板的发电效率。

高度角电动伸缩推杆1和时角电动伸缩推杆2内分别装有伸缩行程限位开关（图中未标示），当电动推杆伸出或缩回到限定位置时，限位开关断开，电动推杆的直流电机停止工作，从而保证系统安全、稳定、节能。

本发明的工作过程大致如下：当太阳从东方升起时，跟踪检测控制电路23检测到太阳高度角升高，跟踪检测控制电路23接通高度角推杆直流电机的收缩转动开关2602，高度角电动伸缩推杆1收缩，同时通过滑块6和滑杆7带动太阳能电池板8仰角增大；当太阳能电池板8转至正对太阳时，跟踪检测控制电路23断开高度角推杆直流电机的收缩转动开关2602，高度角电动伸缩推杆1停止收缩，太阳能电池板8停止转动。太阳再升高，高度角电动伸缩推杆1再收缩；正午时，太阳能电池板8转至当天仰角最大位置。每年夏至正午，是太阳能电池板8全年仰角最大位置。

下午，当跟踪检测控制电路23检测到太阳高度角降低，跟踪检测控制电路23接通高度角推杆直流电机的伸出转动开关2601，高度角电动伸缩推杆1伸出，同时通过滑块6和滑杆7带动太阳能电池板8仰角减小；当太阳能电池板8转至正对太阳时，跟踪检测控制电路23断开高度角推杆直流电机的伸出转动开关2601，高度角电动伸缩推杆1停止伸出，太阳能电池板8停止转动。太阳再降低，高度角电动伸缩推杆1再伸出；夕阳落山时，太阳能电池板8转至仰角最小位置，此时高度角电动伸缩推杆1的伸出行程达到最大，高度角电动伸缩推杆1内的伸出限位开关断开，高度角推杆直流电机26停止转动，太阳能电池板8便停止在仰角最小位置。

同时，当太阳自东向西运动时，跟踪检测控制电路23检测到太阳时角变化，跟踪检测控制电路23接通时角推杆直流电机的收缩转动开关2702，时角电动伸缩推杆2收缩，同时通过第二万向节11带动太阳能电池板8向西转动，也就是使高度角电动伸缩推杆1整体围绕固设在支架柱5顶端的纵向轴14转动；当太阳能电池板8转至正对太阳时，跟踪检测控制电路23断开时角推杆直流电机的收缩转动开关2702，时角电动伸缩推杆2停止收缩，太阳能电池板8停止转动。太阳再向西，时角电动伸缩推杆2再收缩；夕阳西下时，当太阳能电池板8转至时角最大位置，此时时角电动伸缩推杆2的收缩行程达到最大，时角电动伸缩推杆2内的收缩限位开关断开，时角推杆直流电机27停止转动，太阳能电池板8便停止在时角最大位置。

太阳落山后，当跟踪检测控制电路23检测不到阳光，跟踪检测控制电路23接通时角推杆直流电机的伸出转动开关2701，时角电动伸缩推杆2伸出，同时通过万向节11带动太阳能电池板8向东转动复位；当太阳能电池板8转至东方时角最小位置时，时角电动伸缩推杆2伸出限位开关断开，时角推杆直流电机27停止转动，时角电动伸缩推杆2停止伸出，太阳能电池板8停止转动，复位完成。

第二天，如此往复，周而复始。

由于两个电动推杆的控制，太阳能电池板能够在大部分时间正对太阳直射，从而大幅度提高了太阳能电池板的发电效率。

实施例2    图2所示是本发明的第二种实施方式，横梁10上固设有竖轴33，时角电动伸缩推杆2一端经竖轴33连接于横梁10；下轴承4装有纵向转轴21，时角电动伸缩推杆2另一端与纵向转轴21连接。其余结构与实施例1相同。

时角电动伸缩推杆2伸缩推动下轴承4转动，带动固定在下轴承4的高度角电动伸缩推杆1转动，因高度角电动伸缩推杆1上端连接太阳能电池板8，固而带动太阳能电池板8左右转动，也就是带动太阳能电池板8围绕纵转轴14转动，跟踪太阳时角。

实施例3     图3所示是本发明的第三种实施方式，滑块6固定在滑杆7上端，支架柱5安装有上轴承3和下轴承4，高度角电动伸缩推杆1固定连接于下轴承4，下轴承4装有纵向转轴21与横向转轴22 ，横梁10上固设有竖轴33，时角电动伸缩推杆2一端经竖轴33连接于横梁10，另一端与纵向转轴21连接；高度角电动伸缩推杆1与上轴承3没有关联。其余结构与实施例1相同。

由于上轴承3对高度角电动伸缩推杆1没有约束，电动推杆1下端与轴承4连接处可绕横向转轴22转动；高度角电动伸缩推杆1上下伸缩同样可以控制太阳能电池板8围绕支架柱5上端的横向转轴13上下转动跟踪太阳高度角。

实施例4    图7所示是本发明的第四种实施方式，电池托架802上面也就是与太阳相对的一面设有弧型反射面，太阳能电池801位于电池托架802上方的弧型反射面焦距处，弧型反射面用反光材料制作，太阳能电池801的采光面与弧型反射面相对，这样，可将太阳能电池801制作的小一些，太阳能电池801的采光面的面积小于弧型反射面的面积，以尽可能降低成本。由于本发明装置双轴跟踪太阳，所以用于发电的太阳能电池板始终能接收弧型反射面聚焦的太阳光，便可实现聚焦式太阳能光伏发电。

总之，利用本发明原理，可制成适用各种不同用途的太阳能高效利用装置。

本装置采用模块化设计，可随时拆御异地组装，单套适合无电地区农牧民家庭使用。多套组阵排列同样适合大型光伏发电站组网发电。

Claims (8)

1.一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，包括太阳能电池板，传动机构，其特征在于：它还包括支架（28）、连接架（29）、横向轴（13）与纵向轴（14）；所述支架（28）包括底座（30）、支架柱（5）与横梁（10），所述支架柱（5）安装于所述底座（30），所述横梁（10）安装于所述支架柱（5），所述连接架（29）通过所述横向轴（13）与所述太阳能电池板（8）连接，所述连接架（29）下部活套于所述纵向轴（14），所述纵向轴（14）固设在所述支架柱（5）顶端；所述传动机构包括高度角电动伸缩推杆（1）和时角电动伸缩推杆（2）；所述支架柱（5）下端安装下轴承（4），所述高度角电动伸缩推杆（1）固定连接于所述下轴承（4），所述高度角电动伸缩推杆（1）上端通过滑块（6）和滑杆（7）连接于所述太阳能电池板（8），所述时角电动伸缩推杆（2）控制所述太阳能电池板（8）绕所述纵向轴（14）转动，所述时角电动伸缩推杆（2）一端连接于所述横梁（10）；所述太阳能电池板（8）包括太阳能电池（801）与电池托架(802)，所述电池托架（802）左右两侧各设一个耳板，左斜支架（15）通过左转轴（17）安装于左耳板，右斜支架（16）通过右转轴(18)安装于右耳板，所述左斜支架(15)与所述右斜支架（16）的另一端固定于所述下轴承（4）；

所述高度角电动伸缩推杆（1）上端固定连接于上轴承（3），所述高度角电动伸缩推杆（1）上端安装所述滑块（6），所述滑块（6）与所述滑杆（7）活动式连接，所述横梁（10）上安装有第一万向节（9），所述电池托架（802）安装有第二万向节（11），所述时角电动伸缩推杆（2）一端安装于第一万向节的纵向转轴（20），另一端安装于第二万向节的横向转轴（19），所述支架柱（5）安装有上轴承（3）；  

或者所述高度角电动伸缩推杆（1）上端固定连接于所述上轴承（3），所述高度角电动伸缩推杆（1）上端安装所述滑块（6），所述滑块（6）与所述滑杆（7）活动式连接，所述横梁（10）上固设有竖轴（33），所述时角电动伸缩推杆（2）一端经所述竖轴（33）连接于所述横梁（10）；所述下轴承（4）装有纵向转轴（21），所述时角电动伸缩推杆（2）另一端与所述纵向转轴（21）连接；

或者所述滑块（6）固定在所述滑杆（7）上端，所述支架柱（5）安装有上轴承（3）和所述下轴承（4），所述高度角电动伸缩推杆（1）固定连接于所述下轴承（4），所述下轴承（4）装有纵向转轴（21）与横向转轴（22），所述横梁（10）上固设有竖轴（33），所述时角电动伸缩推杆（2）一端经所述竖轴（33）连接于所述横梁（10），另一端与所述纵向转轴（21）连接。

2.根据权利要求1所述的一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，其特征在于：所述电池托架（802）设有固定架（803），所述横向轴（13）活动套装于所述固定架（803），所述连接架（29）上部活动套装于所述横向轴（13）。

3.根据权利要求2所述的一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，其特征在于：所述滑杆（7）固定安装在所述电池托架（802），所述太阳能电池（801）安装在所述电池托架（802）上。

4.根据权利要求3所述的一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，其特征在于：所述横向轴（13）、所述左转轴（17）、所述右转轴（18）和所述第二万向节的横向转轴（19）位于横向轴的中轴线（1301）上，并与太阳能电池板横中线（12）平行。

5.根据权利要求4所述的一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，其特征在于：所述电池托架（802）上面设有弧型反射面，所述太阳能电池（801）位于所述电池托架（802）上方的弧型反射面焦距处，所述太阳能电池（801）的采光面与所述弧型反射面相对，所述太阳能电池（801）的采光面的面积小于所述弧型反射面的面积。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，其特征在于：所述光伏发电装置还包括电气设施，所述电气设施包括安装于所述太阳能电池板（8）的跟踪检测控制电路（23），蓄电池（25），充电控制器（24），高度角推杆直流电机（26），时角推杆直流电机（27）；所述太阳能电池板（8）与所述充电控制器（24）输入端连接，所述充电控制器（24）输出端与所述蓄电池（23）及负载（32）连接，所述跟踪检测控制电路（23）与高度角推杆直流电机的伸出转动开关（2601）、高度角推杆直流电机的收缩转动开关（2602）、时角推杆直流电机的伸出转动开关（2701）和时角推杆直流电机的收缩转动开关（2702）相连接。 

7.根据权利要求6所述的一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，其特征在于：所述蓄电池（25）分别给所述高度角推杆直流电机（26）和所述时角推杆直流电机（27）供电，所述跟踪检测控制电路（23）分别通过所述高度角推杆直流电机的伸出转动开关（2601）、所述高度角推杆直流电机的收缩转动开关（2602）、所述时角推杆直流电机的伸出转动开关（2701）和所述时角推杆直流电机的收缩转动开关（2702）控制所述高度角推杆直流电机（26）和所述时角推杆直流电机（27）的工作状态。

8.根据权利要求7所述的一种由电动推杆控制的双轴自动跟踪太阳的光伏发电装置，其特征在于：所述高度角电动伸缩推杆（1）和所述时角电动伸缩推杆（2）内分别装有伸缩行程限位开关。

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