CN102223109A - 一种双轴跟踪式光伏聚光发电系统 - Google Patents

Abstract

一种双轴跟踪式光伏聚光发电系统，包括控制器(1)、双轴跟踪机械结构(2)、光伏电池板组(3)和低倍聚光镜片(4)。双轴跟踪机械结构由谐波减速器、蜗轮蜗杆减速器(2-2-3-1)、电动推杆(2-2-2)、承载立柱(2-2-1)、旋转工作钢结构(2-2-3)、仰俯工作钢结构(2-2-4)组成。低倍聚光反射镜片(4)对太阳光进行聚光，同时通过机械跟踪结构驱动光伏电池板面垂直于太阳光线，并用镜面将太阳光反射到光伏电池板面，增强其光电转换特性。

Description

一种双轴跟踪式光伏聚光发电系统

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电系统，特别涉及一种太阳能聚光光伏发电装置。

背景技术

目前化石能源的逐渐枯竭以及环保呼声的高涨，迫切需要人们开发清洁的可再生能源，太阳能发电便是人们青睐的可再生能源之一。随着现代电力电子技术、微电子技术和控制技术的进步，特别是电力电子器件和高性能微控制器技术的提高，研制出双轴跟踪式两倍聚光发电系统成为可能。由于太阳能跟踪设备的电池板价格过于昂贵，造成整体太阳能跟踪设备成本高，不容易推广。低倍聚光式光伏跟踪系统用镜面反射方法增强了太阳光辐射，提高了光伏电池板的光电转换效率，节省了大量昂贵的光伏电池板。相对于那些普通光伏跟踪系统而言，双轴跟踪式两倍聚光发电系统具有结构简单，总体成本低，而发电效率比普通跟踪类型高特点。

在现有的国内外跟踪太阳能技术中，所设计的双轴太阳能跟踪装置大多采用旋转和仰俯机械运动相结合的方式实现时时追踪太阳。但这种机械结构需要大量昂贵的光伏电池板，导致推广使用的难度增大。

发明内容

本发明的目的是克服目前太阳能跟踪光伏发电系统接收太阳光辅照度低，光能利用率低等缺陷，提出一种双轴跟踪式聚光发电系统。本发明能够增强太阳光利用效率，提高光伏电池发电效率，节省光伏电池板数量，降低发电成本。

本发明通过跟踪和镜面反射的同步进行，增强太阳光辐射，提高太阳能电池板的转化效率，可减少昂贵电池板的数量。

本发明包括控制器、双轴跟踪机械结构、光伏电池板组和低倍聚光镜片。

所述的控制器安装在一个全封闭的不锈钢控制箱体内，控制箱体安装在承载立柱侧面。控制器控制双轴跟踪机械结构在水平面和垂直面内的运转，实时跟踪太阳。

所述的双轴跟踪机械结构由承载立柱、电动推杆、安装在承载立柱顶端的水平面内旋转工作钢结构，以及位于水平面内旋转工作钢结构顶端的一个铰接销上面的仰俯工作钢桁架组成。所述的水平面内旋转工作钢结构内部安装有蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器和由控制器控制的第一步进电机。其中蜗轮蜗杆减速器和谐波减速器组成了复合减速器。第一步进电机、谐波减速器和蜗轮蜗杆减速器由内向外依次顺序安装。第一步进电机和谐波减速器通过第一步进电机主轴输出端连接，谐波减速器的输出轴端和蜗轮蜗杆减速器连接，蜗轮蜗杆减速器的蜗杆和旋转工作钢结构外部的钢管连接，通过蜗杆的旋转带动水平面内旋转工作钢结构旋转。涡轮蜗杆传动完全自锁。

电动推杆底部装有由控制器控制的第二步进电机和一套齿轮，其中第二步进电机和齿轮轴连接，上部由丝杆丝母和密封钢桶组成，由内向外，装配顺序依次是丝杆、丝母、密封钢桶。电动推杆的第二步进电机正反旋转带动齿轮正反旋转，齿轮轴正反旋转带动丝杆正反旋转，丝杆正反旋转使丝母和密封钢桶伸缩运动，从而实现电动推杆的伸缩传动。复合减速器由蜗轮蜗杆减速器和谐波减速器组成。由内向外，装配顺序依次是蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器和由控制器控制的第一步进电机。复合减速器传动时，第一步进电机正反旋转带动谐波减速器正反旋转，谐波减速器正反旋转带动蜗轮蜗杆减速器正反旋转，从而实现复合减速器的顺时针和逆时针转动的传动。

电动推杆通过上端的活动铰链与所述的仰俯工作钢桁架铰接在一起，电动推杆下端通过活动铰链与旋转工作钢结构铰接。通过所述的双轴跟踪机械结构使光伏电池板组的安装面在水平面内作圆周旋转运动，在竖直面内作仰俯运动。

所述的电动推杆中的丝杠传动螺牙和丝母完全自锁，并且，电动推杆在整体长度方向具有抵抗较大压力的大刚度，与现有技术的电动推杆相比，还具有优良的抗拉能力。

本发明通过电动推杆控制光伏电池板组高度角的变化，通过复合减速器转动来控制水平面内旋转角度变化。所述的双轴跟踪机械结构中还设有两个角度传感器来辅助控制器控制角度变化，第一角度传感器安装在水平面内旋转工作钢结构转动齿轮上，此角度传感器和水平面内旋转工作钢结构同步运动；第二角度传感器安装在仰俯工作钢桁架下部铰接销上，和仰俯工作钢桁架同步运动。角度传感器外部为一个不锈钢壳，角度传感器内部安装有限位开关。角度传感器具有实时向控制器程序发送双轴跟踪机械结构旋转角度检测数据及限位功能。这样角度传感器在检测角度时，也能很好地保护整个双轴跟踪机械结构。

角度传感器采用旋转编码器反馈旋转轴的位置信号，通过外电路将位置信号传送给控制器，控制器利用该信号对光伏阵列位置进行闭环程序控制。

仰俯工作钢桁架位于旋转工作钢结构顶端的一个铰接销上面，其外形为“W”形，在仰俯工作钢桁架的四个内侧面装有反射太阳光的低倍聚光镜片，在仰俯工作钢桁架的两个底部上表面装有进行光电转换的光伏电池板组。当太阳光直射到光伏电池板组安装面时，低倍聚光镜片会反射太阳光至底面的光伏电池板组的安装面上，可使太阳光辐射强度增加一倍，提高了光伏电池板组的发电转换效率。

低倍聚光镜片采用亚克力材质制作，具有很高的反射率和柔韧性，可实现对太阳光的1倍聚光，提高电池板组光电转换的效率。低倍聚光镜片安装在立柱顶部的旋转工作钢结构上。

控制器外接六套电路系统，分别是：两套指挥电动推杆和复合减速器的步进电机外接电路系统，两套接收承载立柱顶端的旋转角度传感器和仰俯工作钢桁架结构角度传感器的角度反馈信号外接电路系统，两套安装在承载立柱顶端的旋转角度传感器内部和仰俯工作钢桁架结构角度传感器内部的限位开关外接电路系统。

本发明的特点在于：

除了直接用光伏电池板组接受太阳光辐射转化电能外，还通过简单镜片反射太阳光辐射到光伏电池板表面，增强光伏电池板的光电装换特性，使系统可以更大程度提高发电效率。这样只用较低成本就可以取较高的发电效率。

本发明的光伏发电特性效率在相同条件下比太阳光伏固定式支架发电系统效率可以提高52.8％。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的前后剖面图；

图3是本发明的控制器工作原理图；

图4a和图4b是本发明太阳跟踪示意图，图4a为跟踪前的示意图，图4b为跟踪结束后的示意图；

图5是本发明的立柱和推杆局部结构图；

图6a和图6b是双轴跟踪机械传动机构结构图，图6a为水平传动机构；图6b为垂直传动机构；

图7是本发明反射太阳光原理图；

图8a和图8b是双轴跟踪式聚光发电系统具体结构示意图；

图9是地平坐标系中太阳的位置图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是双轴跟踪式光伏两倍聚光发电系统本发明总体结构图。如图1所示，本发明双轴跟踪式光伏两倍聚光发电系统主要结构包括控制器1、双轴跟踪机械结构2、光伏电池板组3和低倍聚光镜片4。承载立柱2-2-1为中空钢管，支撑本发明双轴跟踪式聚光发电系统载荷。承载立柱2-2-1矗立在地面上，承载立柱2-2-1的侧面悬挂有控制器1，承载立柱2-2-1顶端的上部安装有水平面内旋转工作钢结构2-2-3，在承载立柱2-2-1的顶端铰接销上面为安装仰俯工作钢桁架2-2-4。仰俯工作钢桁架2-2-4外形为“W”形状，在仰俯工作钢桁架2-2-4的四个内侧面装有反射太阳光的低倍聚光镜片4，在仰俯工作钢桁架2-2-4的两个底部上表面装有光伏电池板组3。水平面内旋转工作钢结构2-2-3实现本发明双轴跟踪式聚光发电系统的水平旋转自由度。仰俯工作钢桁架2-2-4实现本发明双轴跟踪式聚光发电系统的在竖直平面内的仰俯自由度。

电动推杆2-2-2底部装有由控制器1控制的第二步进电机2-2-2-1和一套齿轮，其中第二步进电机2-2-2-1和齿轮轴连接。电动推杆2-2-2上部由丝杆丝母和密封钢桶组成，由内向外，装配顺序依次是丝杆、丝母、密封钢桶。电动推杆2-2-2传动时，第二步进电机2-2-2-1正反旋转带动齿轮正反旋转，齿轮轴正反旋转带动丝杆正反旋转，丝杆正反旋转使丝母和密封钢桶伸缩运动，从而实现电动推杆2-2-2的伸缩传动。

水平面内旋转工作钢结构2-2-3内部安装有蜗轮蜗杆减速器2-2-3-1、谐波减速器和第一步进电机2-2-3-2；第一步进电机2-2-3-2和谐波减速器通过第一步进电机2-2-3-2主轴输出端连接，谐波减速器的输出轴端和蜗轮蜗杆减速器2-2-3-1连接，蜗轮蜗杆减速器2-2-3-1的蜗杆和旋转工作钢结构外部的钢管连接，通过蜗轮蜗杆减速器2-2-3-1蜗杆的旋转带动水平面内旋转工作钢结构2-2-3旋转。

蜗轮蜗杆减速器2-2-3-1和谐波减速器组成复合减速器。由内向外，装配顺序依次是蜗轮蜗杆减速器2-2-3-1、谐波减速器和由控制器1控制的第一步进电机2-2-3-2。复合减速器机械传动时，第一步进电机2-2-3-2正反旋转带动谐波减速器正反旋转，谐波减速器正反旋转带动蜗轮蜗杆减速器2-2-3-1正反旋转，从而实现复合减速器的顺时针和逆时针转动的传动。

图2是本发明的剖面图。如图2所示，承载立柱2-2-1的顶部是水平面内旋转工作钢结构2-2-3，水平面内旋转工作钢结构2-2-3的铰接销上面是仰俯工作钢桁架2-2-4，电动推杆2-2-2上端的活动铰链与仰俯工作钢桁架2-2-4铰接在一起，电动推杆的下端通过活动铰链与水平面旋转工作钢结构2-2-3铰接。

图3是控制器1的工作流程图。

图4a和图4b为在机械传动作用下，太阳光及仰俯工作钢桁架2-2-4与光伏电池板组安装面由不垂直到实现垂直的示意图，其中图4a所示为仰俯工作钢桁架2-2-4的位置，此时太阳光和光伏电池板组安装面之间有一偏移角θ，当偏移角θ超过阈值时，本发明双轴跟踪式光伏聚光发电系统开始跟踪运转，直到太阳光和光伏电池板组安装面垂直为止，如图4b所示。低倍聚光镜片4安装在仰俯工作钢桁架2-2-4的四个内侧面上。通过控制器1控制电动推杆2-2-2伸缩和复合减速器转动，实现光伏两倍聚光。

图5和图8a、图8b所示为仰俯工作钢桁架2-2-4的结构。第二角度传感器安装在仰俯工作钢桁架2-2-4的铰接销上。图6a、图6b表明了涡轮蜗杆减速器和电动推杆2-2-2外形及其活动铰链的铰接。第一角度传感器安装在水平面内旋转工作钢结构转动齿轮上。

图7是仰俯工作钢桁架2-2-4，低倍聚光镜片4安装在仰俯工作钢桁架2-2-4的四个内侧面上，低倍聚光镜片4折射太阳光和直接辐射太阳光实现两倍聚光。

图9是地平坐标系中太阳的高度角和方位角，也即本发明所实现的高度角-垂直仰俯角和方位角-水平面内旋转角。

控制器1控制本发明的过程如下：

控制器1具有自动计算太阳方位角和发出控制指令的功能。控制器1将角度传感器检测得到的双轴跟踪式聚光发电系统转动的角度数据与根据时间计算得到的太阳位置角度作差值比较，如差值大于设定的阈值，控制器1便控制步进电机向阈值减小方向转动，否则就停止驱动电机运转。限位开关安装在两个角度传感器内部，一旦角度传感器运转到极限位置时撞击触发此限位开关，控制器1便停止所有运转控制。

控制器1发出的控制指令控制电动推杆第二步进电机2-2-2-1运转：比如使电动推杆2-2-2伸长，由电动推杆2-2-2顶起仰俯工作钢桁架2-2-4，使光伏电池板组3上仰运动。与此运动方式相反，电动推杆2-2-2收缩，电动推杆2-2-2向下拖动仰俯工作钢桁架结构2-2-4，光伏电池板组3下俯运动，如此实现本发明双轴跟踪式聚光发电系统的仰俯跟踪运动需要的运动自由度。此运动完成后，控制器1接着发出指令，传递转动指令信号到立柱顶端的旋转工作钢结构2-2-3的第一步进电机2-2-3-2，第一步进电机2-2-3-2转动使谐波减速器一级减速旋转，谐波减速器带动蜗轮蜗杆减速器2-2-3-1二级减速旋转。由于旋转工作钢结构2-2-3和蜗杆固连，所以旋转工作钢结构2-2-3也随之旋转运动，使电池板安装面3在水平面内作旋转运动。如此把第一步进电机2-2-3-2正反运动转变成水平面内旋转工作钢结构2-2-3水平面东西向的旋转跟踪运动，实现光伏电池板组3在水平面内的旋转跟踪自由度。控制器1首先分析仰俯工作钢桁架结构2-2-4的角度传感器采集的角度信息，接着分析反映立柱顶端的钢结构2-2-3旋转角度的角度传感器的角度信息，然后控制分别控制相应第一和第二布进电机运转与停止，实现本发明双轴跟踪式光伏聚光发电系统的跟踪运动。

双轴跟踪机械机构有两个自由度：竖直面仰俯运动自由度和水平面内转动自由度。通过第一电机带动谐波减速器一级变速，涡轮蜗杆减速器2-2-3-1旋转二级变速，为旋转刚性工作结构2-2-3转动部件提供旋转的动力；通过控制器控制第二步进电机2-2-2-1带动电动推杆2-2-2伸缩，为整个仰俯工作刚性桁架架构2-2-4仰俯运动提供动力，电动推杆2-2-2的传动能实现完全自锁。双轴跟踪机械机构2能提供较大转动和仰俯力矩，并实现整个双轴跟踪机械结构2传动的自锁，以防止在大风和自重情况下机械部分滑动。

本发明工作原理和工作过程如下：

(1)如图3所示，控制器1中时间模块每天按时启动，根据天文公式，计算本发明光伏聚光发电系统在天球坐标下的太阳光角度，然后经过坐标变换为地平坐标系下的太阳光角度，即安装地的太阳位置，所述的双轴跟踪式光伏聚光发电系统安装地的太阳位置表示为地平坐标系中的太阳高度角和太阳方位角。通过角度传感器检测光伏聚光发电系统当前所处的位置，并与控制器1计算出的太阳位置相比较，二者的差值为偏移角θ。当偏移角θ大于控制器设定的阀值时，控制器1启动步进电机，使光伏电池板组3向太阳光入射方向旋转，直到太阳光垂直于光伏电池板组3的表面。当偏移角θ小于控制器设定的阀值时，1控制器就发出指令停止运动。另外，在太阳光光强不足情况下如果双轴跟踪式聚光发电系统启动运转，光伏电池板无法发电，这样情况下所述的双轴跟踪式聚光发电系统空转。为了防止这种情况发生，双轴跟踪式聚光发电系统设置了光强检测信号，在太阳光强度不足情况下控制器1不启动运转。同时，双轴跟踪式聚光发电系统还在角度传感器中设置了限位开关，一旦双轴跟踪式聚光发电系统转动到此位置撞击了限位开关，控制器1便立刻停止所有的运转控制。

(2)当控制器1软件发生故障，第一和第二步进电机失去控制时，本发明双轴跟踪式聚光发电系统启动后难以再通过控制器1的控制指令使其停止运行，所述的双轴跟踪机械结构2和太阳能光伏电池板组3将面临损坏的危险。为防止该现象的出现，在铰接销的第二角度传感器中和旋转工作钢结构2-2-3的第一角度传感器中安装了限位开关，如图6a和图8b所示。当太阳光伏电池板转动超过极限位置后，双轴跟踪机械机构的仰俯工作钢桁架结构将触发限位开关，使控制器中由限位开关控制的继电器动作，切断控制器的驱动电源，保护整个光伏聚光发电系统安全。控制器1还针对恶劣天气提供了保护功能。当出现大风天气时，控制器1将使光伏电池板组4复位，以减小其迎风面积，使其处于安全状态。

如图6b所示，光伏电池板组4高度角的控制是通过电动推杆2-2-2来实现的，但单独使用电动推杆2-2-2难以达到高度角控制的精度要求。如图8b所示，在仰俯工作钢桁架2-2-4的铰接销上安装了第二角度传感器，第二角度传感器和光伏聚光发电系统同步运动。角度传感器和限位开关可保护整个双轴跟踪式聚光发电系统。

角度传感器采用了旋转编码器来反馈旋转轴的位置信号，利用该信号对光伏电池板组的位置进行闭环控制，提高控制精度。

控制器必须能够承受短时大风引起的风载荷，能够在冬季霜雪等天气条件下顺利地启动和运转，因此机械传动部分必须具有提供较大转动力矩的能力。

如图7和图8a、图8b所示，低倍聚光镜片4具有很好柔韧性和强度，有利于野外安装与使用。当太阳光垂直入射光伏电池板组3时，低倍聚光镜片4镜面反射的太阳光刚好全部落在光伏电池板处，达到约2倍的太阳聚光。

本发明在双轴跟踪方式下，光伏电池板组3沿水平和竖直两自由度转轴运动，如图3和图8a、图8b所示。双轴跟踪式聚光发电系统通过计算太阳入射光与光伏电池板组平面的夹角关系来确定跟踪角度。理论上，双轴跟踪机械结构能够完全跟踪太阳的运行轨迹，从而实现入射角为零。本发明采用了高度角-方位角的双轴跟踪方式，如图9所示。

如此，每间隔一定时间段对本发明光伏聚光发电系统在两个自由度的运动，实现水平旋转跟踪和垂直仰俯跟踪两种方式，实现任意太阳位置跟踪运动。

Claims (5)

1.一种双轴跟踪式光伏聚光发电系统，其特征在于，所述的光伏聚光发电系统包括控制器(1)、双轴跟踪机械结构(2)、光伏电池板组(3)和低倍聚光镜片(4)；所述的双轴跟踪机械结构(2)包括承载立柱(2-2-1)、电动推杆(2-2-2)、安装在承载立柱顶端的水平面内旋转工作钢结构(2-2-3)，以及位于水平面内旋转工作钢结构顶端铰接销上面的仰俯工作钢桁架(2-2-4)；电动推杆(2-2-2)的上端与所述的仰俯工作钢桁架(2-2-4)铰接在一起，电动推杆(2-2-2)的下端与旋转工作钢结构(2-2-3)铰接；所述的仰俯工作钢桁架(2-2-4)外形为“W”形状，在仰俯工作钢桁架(2-2-4)的四个内侧面装有反射太阳光的低倍聚光镜片(4)，在仰俯工作钢桁架(2-2-4)的两个底部上表面装有光伏电池板组(3)；水平面内旋转工作钢结构(2-2-3)实现本发明双轴跟踪式聚光发电系统的水平旋转；仰俯工作钢桁架(2-2-4)实现本发明双轴跟踪式聚光发电系统的在竖直平面内的仰俯运动。

2.按照权利要求1所述的双轴跟踪式光伏聚光发电系统，其特征在于，所述的水平面内旋转工作钢结构(2-2-3)内部安装有蜗轮蜗杆减速器(2-2-3-1)、谐波减速器和第一步进电机(2-2-3-2)；第一步进电机(2-2-3-2)和谐波减速器通过第一步进电机(2-2-3-2)主轴输出端连接，谐波减速器的输出轴端和蜗轮蜗杆减速器(2-2-3-1)连接，蜗轮蜗杆减速器的蜗杆和旋转工作钢结构外部的钢管连接，通过蜗轮蜗杆减速器的蜗杆的旋转带动水平面内旋转工作钢结构(2-2-3)旋转。

3.按照权利要求1所述的双轴跟踪式光伏聚光发电系统，其特征在于，所述的电动推杆(2-2-2)底部装有由控制器(1)控制的第二步进电机(2-2-2-1)和一套齿轮，所述的第二步进电机(2-2-2-1)和齿轮轴连接，电动推杆(2-2-2)的上部由丝杆丝母和密封钢桶组成，丝杆、丝母和密封钢桶由内向外顺序依次装配。

4.按照权利要求1所述的双轴跟踪式光伏聚光发电系统，其特征在于，所述的水平面内旋转工作钢结构(2-2-3)的转动齿轮上装有第一角度传感器，所述的第一角度传感器和水平面内旋转工作钢结构(2-2-3)同步运动；第二角度传感器安装在仰俯工作钢桁架(2-2-4)下部铰接销上，第二角度传感器和仰俯工作钢桁架(2-2-4)同步运动；两个角度传感器内部安装有限位开关，角度传感器采用旋转编码器反馈旋转轴的位置信号。

5.按照权利要求1至4的任意一项所述的双轴跟踪式光伏聚光发电系统，其特征在于，所述的控制器(1)控制所述的双轴跟踪式光伏聚光发电系统跟踪太阳。

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