CN102298393B

CN102298393B - 太阳光对应装置

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Publication number: CN102298393B
Application number: CN 201110162953
Authority: CN
Inventors: 刘建中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: CN102298393A

Abstract

一种太阳光对应装置，它包括太阳能组件固定架、立支撑架、旋转支撑框架、左右角对应驱动构件和俯仰角对应驱动构件；所述的太阳能组件固定架铰接在旋转框架上，所述的旋转支撑框架铰接在立支撑架上；通过左右角对应驱动构件和俯仰角对应驱动构件的协调运动，实现对太阳光的准确跟踪。本发明具有结构简单合理、运转能耗低、易于控制、运行精确度高、便于安装和日常维护的特点。

Description

太阳光对应装置

技术领域

本发明涉及太阳能利用设备技术领域，具体地说是一种可以双轴跟踪太阳光的太阳光对应装置。

背景技术

由于化石能源的日益枯竭，以及其在生产和使用过程中造成的环境污染、温室效应等问题越来越严重，使得新能源的开发和利用已经越来越受各国重视。其中，太阳能作为一种高效清洁、分布广泛、几乎可以无限利用的新型能源，吸引人们对其研发的投入逐渐加大。但是，目前在太阳能利用方面，尤其是在光伏发电领域：利用率低，发电成本高昂仍是普遍存在的问题。这主要表现在以下两个方面:其一，由于现在的光伏发电技术所使用的光伏电池主要采用的是单晶硅和多晶硅等半导体材料，其价格昂贵；其二，目前高质量的单晶硅电池板，其光电转化率也仅能达到19％左右，且其最长使用寿命只有二十几年，这样也加大了太阳能发电的成本，增加了太阳能发电市场化的难度。因此，在想方设法降低电池板成本、开发利用新的光电转化率更高的电池板材料的同时，如何提高现有光伏电池板的单位发电效率，就成为降低太阳能发电成本的主要途径之一。

现在的太阳能光伏发电系统，大多是将太阳能电池板固定安装，这样就仅能保证在每年的某一天的某一时间，太阳光以最佳角度照射，所以太阳光的利用率相对较低。如果使太阳能电池板能始终与太阳光保持最佳角度或采用聚光技术，就可以用同样面积的电池板原件，获得更多的电能，这一切都需要一种成熟、可靠的太阳光跟踪技术。据研究，采用跟踪技术比固定安装的太阳能电池板发电量因不同地区光照条件不同，可以提高30%--50%以上。但是现有的太阳光跟踪技术大都因为结构复杂等原因导致成本偏高，甚至超过发电装置总投资的30％，而且跟踪本身要有电能损耗，占用的土地也比固定安装时多，设备的养护、维修又需要额外增加技术人员，装置运行风险也大于固定安装等等；同时，为了降低跟踪成本，生产厂家现在将跟踪装置造的越来越大，这又产生了风阻加大、安装维护难度增加、对道路和地基要求提高等一系列问题，使得跟踪技术产生的效果的吸引力大大降低，阻碍了太阳光跟踪技术的商业化发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现双轴准确跟踪的太阳光对应装置，同时具有结构合理、低成本、低功耗、运行可靠和便于日常维护的特点。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该太阳光对应装置，其特征是，包括

立支撑架，所述立支撑架为其他零部件的安装平台；

旋转支撑框架，所述旋转支撑框架是由若干边框组成的框架式结构，所述旋转支撑框架通过旋转支撑框架前后两边框处的第一轴可转动的连接在立支撑架上；

太阳能组件固定架，所述太阳能组件固定架置于所述旋转支撑框架内部，且太阳能组件固定架通过太阳能组件固定架左右两侧处的第二轴可转动的连接在所述旋转支撑框架的左右边框上；

一附加杆是自旋转支撑框架延伸出来的杆件，所述附加杆与旋转支撑框架连接成一体，附加杆的形状可以根据实际空间确定安装位置，较优的位置位于第二轴下侧的旋转支撑框架左框或右框上；

在所述旋转支撑框架和立支撑架之间安装可以驱动旋转支撑框架绕第一轴旋转的左右角对应驱动构件；

在所述太阳能组件固定架和旋转支撑框架之间、亦或太阳能组件固定架和附加杆之间安装可以驱动太阳能组件固定架绕第二轴旋转的俯仰角对应驱动构件；

所述的左右角对应驱动构件至少包括可以使旋转支撑框架绕第一轴转动的第一驱动装置及传动部件，所述第一驱动装置固定安装在立支撑架上；

所述的俯仰角对应驱动构件至少包括可以使太阳能组件固定架绕第二轴转动的第二驱动装置或手动定位装置。

优选地，所述旋转支撑框架为矩形框，对应的太阳能组件固定架为矩形架，这样太阳能组件固定架就可以旋转支撑框架框内。

所述的左右角对应驱动构件包括安装在立支撑架上的第一驱动装置，以及与第一驱动装置的输出端相配合的、其上设有齿状或链槽状传动构造的刚性半圆弧体，所述的刚性半圆弧体两端固定连接在旋转支撑框架上；所述的第一驱动装置至少包括电机和蜗轮蜗杆减速器；所述的第一驱动装置驱动刚性半圆弧体转动。

所述的俯仰角对应驱动构件包括安装在旋转支撑框架的附加杆上的第二驱动装置，以及与第二驱动装置的输出端相配合的、其上设有齿状或链槽状传动构造的刚性半圆弧体，所述的刚性半圆弧体两端固定连接在太阳能组件固定架上；所述的第二驱动装置至少包括电机和蜗轮蜗杆减速器；所述的第二驱动装置驱动刚性半圆弧体转动。

所述的左右角对应驱动构件包括安装在立支撑架上的第一驱动装置，以及第一传动绳和第二传动绳；所述的第一驱动装置至少包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装与传动绳相配合的绳轮；所述的绳轮为中间直径小、两端直径大的柱状，且在绳轮柱面上设有两条关于绳轮中间断面对称的第一螺旋导向槽和第二螺旋导向槽；所述的第一传动绳和第二传动绳分别设置在第一螺旋导向槽和第二螺旋导向槽内，两绳的一端固定在对应的螺旋导向槽内，两绳的另一端分别连接在旋转支撑框架上，二者之间为收放关系。

所述的俯仰角对应驱动构件包括安装在旋转支撑框架的附加杆上的第二驱动装置，以及第三传动绳和第四传动绳；所述的第二驱动装置包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装可以和传动绳相配合的绳轮；所述绳轮为中间直径小、两端直径大的柱状，且在绳轮柱面上设有两条关于绳轮中间断面对称的第三螺旋导向槽和第四螺旋导向槽；所述的第三传动绳和第四传动绳分别设置在第三螺旋导向槽和第四螺旋导向槽内，两绳的一端固定在相应的螺旋导向槽内，两绳另一端分别连接在太阳能组件固定架上，二者之间为收放关系。

所述的俯仰角对应驱动构件包括设置在旋转支撑框架的附加杆上的手动定位装置和至少有一端固定连接在太阳能组件固定架上的刚性弧体；所述的刚性弧体上具有槽状或孔状的定位结构；所述的手动定位装置包括设置在旋转支撑框架的附加杆上的定位构造和可以穿插在定位构造和刚性弧体上的定位结构之间的定位销。

所述的俯仰角对应驱动构件为一电动直线推杆，所述电动直线推杆一端连接在旋转支撑框架的附加杆上，另一端连接在太阳能组件固定架上的。

本发明的有益效果是：

1）结构合理，力学性能好；多点支撑，稳定性强。

2）拆组灵活，易于运输，方便安装。

3）成本低：跟踪装置可以的小型低矮化，即减小了风阻，又便于日常维护。

4）控制程序简单：利用开环的时钟控制系统即可实现精确追踪。即降低了控制系统的成本，又减少了故障的几率，有利于实现大规模中心控制。

4）减速比大，驱动动力要求小，驱动能耗低。

5）适用范围广，本装置有效地解决了回归线以内太阳光直射点南北两侧摆动问题。

附图说明

图1为实施例一的立体图；

图2为图1中A向视图；

图3为图1的俯视图；

图4图1的另一状态图；

图5实施例二的结构示意图；

图6实施例三的结构示意图；

图7为绳轮的结构示意图；

图8实施例四的结构示意图；

图9实施例五的结构示意图；

图中：1太阳能组件固定架，11俯仰角旋转轴A，2立支撑架，2′立支撑架，3旋转支撑框架，30附加杆，31左右角旋转轴A，41左右角刚性弧体，42俯仰角刚性弧体,

42′刚性弧体,44定位孔，45定位销，51第一传动绳，52第二传动绳，53第三传动绳，54第四传动绳，61第一齿轮，62第二齿轮，7直线推杆，81第一驱动装置，82第二驱动装置，83第一回转驱动装置，84第二回转驱动装置，9左右角绳轮，9′俯仰角绳轮，91第一螺旋导向槽，92第二螺旋导向槽。

具体实施方式

该太阳光对应装置，包括用于固定安装太阳能电池板的太阳能组件固定架1、用于为其他部件提供支撑的立支撑架2和立支撑架2'、一个矩形的旋转支撑框架3、左右角对应驱动构件和俯仰角对应驱动构件。两个支撑架南北方向安装在地基上。

实施例一

如图1～图4所示，太阳能组件固定架1是由热浸锌钢质型材通过焊接或螺栓栓接呈矩形的框架结构，太阳能电池板可以固定在太阳能组件固定架上。旋转支撑框架3是一个由四根槽钢栓接组成的矩形的方框，太阳能组件固定架1正好可以落在旋转支撑框架3框内，在太阳能组件固定架1的左右两侧边中间分别焊接俯仰角旋转轴A11和俯仰角旋转轴B（对应发明内容及权利要求里的第二轴系列），在旋转支撑框架3的左右两侧对应处开有轴孔，轴孔内分别安装俯仰角轴承组合A和俯仰角轴承组合B，太阳能组件固定架1和旋转支撑框架3在俯仰角方向上就形成了可转动的连接关系。

一个设有传动齿的刚性的半圆弧状体,标记为俯仰角刚性弧体42。俯仰角刚性弧体42沿南北方向与太阳能组件固定架1垂直，俯仰角刚性弧体42两端固定（焊接）连接在太阳能组件固定架1的背面。一个附加杆30（A字状或柱状）栓接或焊接在旋转支撑框架3背面右边框的中间位置；在附加杆30的下端安装第二驱动装置82，该驱动装置优选同步电机并配以蜗轮蜗杆减速器。蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装齿轮，此处标记为第二齿轮62，该第二齿轮62与俯仰角刚性弧体42上的齿相啮合，第二齿轮62控制俯仰角刚性弧体42的运转，从而带动太阳能组件固定架1转动，可以起到调整俯仰角的目的，形成俯仰角对应驱动构件。

在第二驱动装置的驱动下，太阳能组件固定架1可以相对于旋转支撑框架3在俯仰角方向上转动。

旋转支撑框架3的前后两侧边中间处分别焊接左右角旋转轴A31和左右角旋转轴B（对应的是发明内容里的第一轴）。立支撑架2和2′为焊接或栓接而成的人字状或柱状钢结构，立支撑架2和2′的下端通过紧固螺栓固定到基座上，上端分别固定安装左右角轴承组合A和左右角轴承组合B，用于和旋转支撑框架3前后两侧的旋转轴配合。

一个设有齿的刚性半圆弧体，标记为左右角刚性弧体41。左右角刚性弧体41沿东西方向与旋转支撑框架3垂直，两端固定（焊接）连接在旋转支撑框架3的背面，形成大齿圈状。第一驱动装置81优选同步电机并配以蜗轮蜗杆减速器；它固定安装在立支撑架2上，其蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装有齿轮，此处标记为第一齿轮61，第一齿轮61与左右角刚性弧体41上的齿相啮合（其它啮合或咬合结构也可），控制左右角刚性弧体41的运转。形成左右角对应驱动构件。该左右角刚性弧体41用于控制旋转支撑框架3转动，间接带动太阳能组件固定架1沿左右角方向转动。

这样太阳能组件固定架1就即可以在俯仰角方向旋转，又可以通过旋转支撑框架3的旋转，实现左右角方向（东西）的旋转。

控制第一驱动装置81和第二驱动装置82运转的程序控制箱可以安装在立支撑架2或2′上，也可以采用中心控制系统。电机运转控制程序按照天文常数设定，通过设定合理的程序，两驱动装置协同工作，模拟太阳日运行轨迹，使设备具备双轴精确对应太阳光的功能。

具体为：日出前，该太阳光对应装置处于初始状态，对应有效跟踪方位；从日出后的初始状态开始，程序控制第一驱动装置81工作，驱动旋转支撑框架3转动，从而带动太阳能组件固定架1沿左右角方向转动，直至日落前设定时分停止；同时，程序控制第二驱动装置82工作，进而驱动太阳能组件固定架1按程序设定的角度进行运转，直至中午时分达到太阳当天最大高度角的对应点后，第二驱动装置82在程序的控制下按反向回转到设定对应角度，这样就将复杂的天文计算，简化为由左右角刚性弧体41和俯仰角刚性弧体42两个垂直的传动部件之间（通过左右角按规定时间旋转规定度数所对应的齿数和俯仰角每规定时间旋转规定度数所对应的齿数）的协调运转，来确定不同的对应点，并由这些对应点连成一条与太阳运行轨迹吻合的曲线，实现太阳能组件始终与太阳光保持最佳角度。

直至下午日落前规定的时间停止运转，最后程序控制太阳光对应装置返回至早上的初始状态。

当风力达到设定级别时，程序控制太阳能组件固定架1处于水平状态，为避风状态；降雪时，程序控制太阳能电池板固定架处于竖直，为避雪状态。

此运转方式其优点是跟踪准确，最大限度地减少光的折射损耗，尤其适合于对跟踪准确度要求较高的聚光式太阳能发电装置，实现了对太阳光的准确跟踪。缺点是两个驱动装置都必须适时工作，装置本身电能消耗较多。

本实施例中，在较大范围的电站设计中，南北方向上相邻装置可以共同使用一个立支撑架，具体为：将若干个太阳光对应装置中的第二轴通过联轴器连接成一体，这样多套太阳光对应装置就可以共用一套左右角对应驱动构件，且左右方向上驱动是同步的，达到节约投资的目的。

实施例二

如图5所示，与实施例一不同之处在于：俯仰角对应驱动构件的刚性弧体42′上具有定位结构，该定位结构为均布在刚性弧体42′上的定位孔44（或定位槽）阵列，使之具备调整空间位置并固定刚性弧体42′的功能（该刚性弧体42′至少有一端连接在太阳能组件固定架1上）。附加杆30的顶端与刚性弧体42′上的定位孔44（或定位槽）对应的位置设置固定孔或固定槽；一根定位销45（圆销）可以插设在定位孔44和固定孔之间，可以将刚性弧体42′和旋转支撑框架附加杆30锁定在一起，定位孔44、固定孔和定位销45组成了一个简易的手动定位装置，从而实现手动调节俯仰角的目的。相对于实施例二中的第一驱动装置，可以简化控制程序，节约驱动成本。

左右角对应构件与实施例一相同。

该种方式可以实现左右角单轴自动对应太阳光的目的，而俯仰角需要借助人工进行间隔调整。其中，第一驱动装置81按规定时间控制刚性弧体41旋转规定度数所对应的齿数，驱动旋转支撑框架3沿左右角方向转动，从而带动太阳能组件固定架1对应太阳每天中的方位变化，直至下午日落前规定的时间停止运转，最后返回至早上时的初始状态。而俯仰角由人工按照太阳一年中的高度角变化每固定天数加以调整，可以将实施例一中的第二驱动装置省略，改用定位销45锁定。因装置自身的重力平衡设计，再加上附加杆30的杠杆作用，该工作简单易行，通过安装在旋转支撑框架附加杆30上的手动定位装置锁定，实现调节俯仰角的目的。

其优点是减少了成本，降低了跟踪的电能消耗，驱动程序也仅仅需要控制左右角规律旋转即可，做到了最简单化，成本也大大降低；缺点是需要人工调节俯仰角，而且存在一定的跟踪误差，不能达到最大限度利用太阳能的目的。

实施例三

如图6、图7所示，与实施例一不同之处在于：左右角对应驱动构件中的刚性弧体由传动绳替代，包括第一传动绳51和第二传动绳52；俯仰角对应驱动构件中的刚性弧体由传动绳替代，包括第三传动绳53和第四传动绳54。

第一驱动装置81包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装与传动绳相配合的绳轮9，该绳轮9为中间直径小、两端直径大的柱状，且直径自中间向两侧渐变。在绳轮柱面上设有两个关于绳轮中间断面对称的第一螺旋导向槽91和第二螺旋导向槽92，两螺旋导向槽的旋向相反，两导向槽的深度根据传动绳缠绕的需要进行设计。第一传动绳51和第二传动绳52分别设置在第一螺旋导向槽和第二螺旋导向槽内，其中，第一传动绳51的一端固定在第一螺旋导向槽91右侧，另一端连接在旋转支撑框架3的背面；第二传动绳52一端固定在第二螺旋导向槽92右侧，另一端也连接在旋转支撑框架3的背面。当绳轮旋转时，第一传动绳收绳，第二传动绳放绳，二者之间为收放关系，反之亦然。通过设置合理的螺旋导向槽参数，可以保证平稳调节左右角。

第二驱动装置82包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装与传动绳相配合的绳轮9′，该绳轮9′为中间直径小、两端直径大的柱状，且直径自中间向两侧渐变。在绳轮柱面上设有两个关于绳轮中间断面对称的第三螺旋导向槽和第四螺旋导向槽，两螺旋导向槽的旋向相反，两导向槽的深度根据传动绳缠绕的需要进行设计。第三传动绳53和第四传动绳54分别设置在第三螺旋导向槽和第四螺旋导向槽内，其中，第三传动绳53的一端固定在第三螺旋导向槽右侧，另一端连接在太阳能组件固定架1的背面；第四传动绳54一端固定在第四螺旋导向槽右侧，另一端也连接在太阳能组件固定架1的背面。当绳轮旋转时，第一传动绳收绳，第二传动绳放绳，二者之间为收放关系，反之亦然。通过设置合理的螺旋导向槽参数，可以保证平稳调节俯仰角。

实施例四

如图8所示，与实施例一不同之处在于：所述的俯仰角对应构件是一个一端铰接在旋转支撑框架附加杆30上，另一端铰接在太阳能组件固定架1背面的电动直线推杆7。该直线推杆由电机驱动螺杆伸缩，控制太阳能组件固定架1沿俯仰角方向旋转相应的角度。

同理，液压直线推杆和气压直线推杆可对电动直线推杆进行等效替换。

实际使用过程中，既可以采用实施例一中俯仰角跟踪构件与左右角跟踪构件规律运动相配合的准确跟踪方式，但由于电动直线推杆7自身的局限性，使得装置跟踪的角度会受到一定限制；也可以采用每隔固定天数由电动直线推杆7按照太阳一年中的高度角变化规律进行角度调节的办法。

实施例五

如图9所示，与实施例一不同之处在于，左右角对应驱动构件包括第一回转驱动装置和联轴器。在俯仰角旋转轴A和旋转支撑框架3之间安装第二回转驱动装置84，该回转装置是由电机、蜗轮蜗杆减速器集成一体形成的，市场有售，第一回转驱动装置安装在立支撑架上，且所述第一回转驱动装置的输出轴通过联轴器和旋转支撑框架连接。通过第二回转驱动装置84直接驱动太阳能组件固定架1绕俯仰角旋转轴旋转，简化结构。

同理，在立支撑架2和俯仰角旋转轴A之间安装第一回转驱动装置83，直接驱动太阳能组件固定架1绕左右角旋转轴旋转，简化结构。

这样太阳能组件固定架1就可以在俯仰角方向由第二回转驱动装置84驱动旋转，并通过第一回转驱动装置83驱动旋转支撑框架3的沿左右角方向旋转，实现左右角方向的旋转，二者协调运动，就可以准确实现对太阳光的跟踪。

以上各实施例可以在不同环境条件下相互结合使用。

在大型光伏电站系统实施中，本发明可将控制箱改为由总控制中心集中控制，以实现光感应跟踪，抗风防雪功能等多种控制方式，而装置自身设计即具有良好的防沙、防锈功能。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种太阳光对应装置，其特征是，包括

立支撑架，所述立支撑架为其他零部件的安装平台；

一附加杆是自旋转支撑框架延伸出来的杆件，所述附加杆与旋转支撑框架连接成一体；

2.根据权利要求1所述的太阳光对应装置，其特征是，所述旋转支撑框架为矩形框，对应的太阳能组件固定架为矩形架，所述太阳能组件固定架恰好置于所述旋转支撑框架内部。

3.根据权利要求1或2所述的太阳光对应装置，其特征是，所述的左右角对应驱动构件包括安装在立支撑架上的第一驱动装置，以及与第一驱动装置的输出端相配合的、其上设有齿状或链槽状传动构造的刚性半圆弧体，所述的刚性半圆弧体两端固定连接在旋转支撑框架上；所述的第一驱动装置至少包括电机和蜗轮蜗杆减速器；所述的第一驱动装置驱动刚性半圆弧体转动。

4.根据权利要求1或2所述的太阳光对应装置，其特征是，所述的俯仰角对应驱动构件包括安装在旋转支撑框架的附加杆上的第二驱动装置，以及与第二驱动装置的输出端相配合的、其上设有齿状或链槽状传动构造的刚性半圆弧体，所述的刚性半圆弧体两端固定连接在太阳能组件固定架上；所述的第二驱动装置至少包括电机和蜗轮蜗杆减速器；所述的第二驱动装置驱动刚性半圆弧体转动。

5.根据权利要求1或2所述的太阳光对应装置，其特征是，所述的左右角对应驱动构件包括安装在立支撑架上的第一驱动装置，以及第一传动绳和第二传动绳；所述的第一驱动装置至少包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装与传动绳相配合的绳轮；所述的绳轮为中间直径小、两端直径大的柱状，且在绳轮柱面上设有两条关于绳轮中间断面对称的第一螺旋导向槽和第二螺旋导向槽；所述的第一传动绳和第二传动绳分别设置在第一螺旋导向槽和第二螺旋导向槽内，两绳的一端固定在对应的螺旋导向槽内，两绳的另一端分别连接在旋转支撑框架上，二者之间为收放关系。

6.根据权利要求1或2所述的太阳光对应装置，其特征是，所述的俯仰角对应驱动构件包括安装在旋转支撑框架的附加杆上的第二驱动装置，以及第三传动绳和第四传动绳；所述的第二驱动装置包括电机和蜗轮蜗杆减速器，在蜗轮蜗杆减速器的输出轴上安装可以和传动绳相配合的绳轮；所述绳轮为中间直径小、两端直径大的柱状，且在绳轮柱面上设有两条关于绳轮中间断面对称的第三螺旋导向槽和第四螺旋导向槽；所述的第三传动绳和第四传动绳分别设置在第三螺旋导向槽和第四螺旋导向槽内，两绳的一端固定在相应的螺旋导向槽内，两绳另一端分别连接在太阳能组件固定架上，二者之间为收放关系。

7.根据权利要求1或2所述的太阳光对应装置，其特征是，所述的俯仰角对应驱动构件包括设置在旋转支撑框架的附加杆上的手动定位装置和至少有一端固定连接在太阳能组件固定架上的刚性弧体；所述的刚性弧体上具有槽状或孔状的定位结构；所述的手动定位装置包括设置在旋转支撑框架的附加杆上的定位构造和可以穿插在定位构造和刚性弧体上的定位结构之间的定位销。

8.根据权利要求1或2所述的太阳光对应装置，其特征是，所述的俯仰角对应驱动构件为一电动直线推杆，所述电动直线推杆一端连接在旋转支撑框架的附加杆上，另一端连接在太阳能组件固定架上的。