CN102349164A - 太阳能采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能采集系统，该系统包括日光跟踪器，其特征在于，日光跟踪器包括水平承载主管，该主管能绕着其轴线转动；多个辅助管，该多个辅助管以垂直于所述主管可活动的方式被固定，并能够绕着它们的轴线转动；面板，所述面板固定到所述辅助管中的每一个，所述面板能够捕获太阳能；支承结构，该支承结构包括竖直定位的第一柱和第二柱；所述第一柱和所述第二柱均包括定位于它们顶部处的连接元件，所述连接元件用于在所述面板的端部处固定所述主管；所述连接元件包括用于固定所述主管的第一横向部分和用于固定可能的另一主管的第二横向部分；所述主管包括能够使其扩张的可滑动接头，所述可滑动接头在一个端部处固定到所述主管，而在另一端部处固定到所述第一横向部分；所述第一柱和所述第二柱在它们的基部处包括联接部；所述联接部通过螺旋轴固定到地面；所述第一柱和所述第二柱中的每一个通过固定到地面的至少两根绳缆而保持在竖直位置；所述至少两根绳缆通过螺旋轴固定到地面。

Description

太阳能采集系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能采集系统，尤其是一种包括双轴的太阳跟踪器的光电设备，该双轴的太阳跟踪器使得光电面板或其它太阳能采集装置保持朝着太阳恰当地定向。
背景技术
光电设备是一种利用太阳能以便通过光伏效应产生电能的电气设备。
日光跟踪器是一种自动控制装置，能够有利地使得光电面板、热日光面板或日光集中器朝着太阳的光线定向。更复杂的日光跟踪器具有两个自由度，通过这两个自由度，它们能够实时地、完美地对准从光电面板到太阳的光线的垂直线。
已知的是，日光跟踪器包括支承一个或多个日光面板的杆。这些日光面板由致动器驱动，这些致动器使得日光面板能够朝着太阳定向。
在某些情况下，当要产生高电平的电能时，这些日光面板具有可达到超过100m2的尺寸。
这需要坚固的支承杆和很大的基部，因为该系统必须能够抵抗严峻的气候条件，尤其是抵抗风力。这导致了相当大的结构重量，相当大的基部尺寸，以及需要时间以及专门劳动力的安装。
此外，如果这些日光跟踪器被定位于农田表面上，该表面对在土地上劳作设置严苛的限制，其由靠近土地设置以用于限制风力作用的障碍表示。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种悬挂的太阳能采集系统，其使得能够在下方对土地进行所有劳作。
另一个目的是提供一种双轴日光跟踪器，其具有简单的构思。
另一个目的是提供一种安装和移除简单的系统。
再一个目的是提供一种模块化结构。
这些和其它的目的根据本发明通过一种太阳能采集系统来实现，该太阳能采集系统包括：日光跟踪器，其特征在于，该日光跟踪器包括：水平承载主管，该水平承载主管能够绕着其轴线转动；多个辅助管，该多个辅助管以垂直于所述主管可活动的方式固定，并且能够绕着它们的轴线转动；面板，该面板固定到所述辅助管中的每一个，该面板能够捕获太阳能；支承结构，该支承结构包括竖直布置的第一柱和第二柱；所述第一柱和所述第二柱均包括定位在它们的顶部处的连接元件，该连接元件用于在所述主管端部处固定所述主管；所述连接元件包括用于固定所述主管的第一横向部分和用于固定可能的另一主管的第二横向部分；所述主管包括使其能够扩张的可滑动接头，所述可滑动接头在一端部处固定到所述主管，而在另一端部处固定到所述第一横向部分；所述第一柱和所述第二柱在它们的基部处包括联接部；所述联接部通过螺旋轴固定到地面；所述第一柱和所述第二柱中的每一个通过固定到地面的至少两根绳缆而保持在竖直位置；所述至少两根绳缆通过螺旋轴固定到地面。
本发明的其它特征在从属权利要求中进行描述。
根据本发明，大的设备可设置在农田表面上，与此同时保持土地可用于其进行农作物耕种的主要目的。
这通过将日光面板定位于距离地面某一高度处而不使用关键的承载结构来实现。这个方案使用具有大约5m高度且非常细的柱，该柱通过绳结保持在适当的位置。用于柱和绳结的固定地基还可简化为螺旋轴，从而为农作物留下尽可能大的空间。
以这种方式，多排柱形成于地面上，在面板之间具有大约4.5m的通道空间。这确保了下面的土地的用于运行农业机械的总体可用性，或者如果该结构形成在道路上，对于道路车辆是完全实用的。
附图说明
根据本发明的通过附图中的非限制性实例进行说明的一个实施例的随后详细描述，本发明的特征和优点将显而易见，附图中：
图1示出了根据本发明的太阳能采集系统；
图2是用于根据本发明的太阳能采集系统的第一动力机构的部分透明的更详细视图；
图3是根据用于本发明的太阳能采集系统的第二动力机构的部分透明的更详细视图；
图4和5示出了根据本发明的用于将主管固定到支承杆的联接器的另外的实施例；
图6是用于连接根据本发明的连接太阳能采集系统的绳缆的系统的细节的分解图；
图7是根据本发明的太阳能采集系统的可滑动扩张接头的细节的分解图；
图8和9示出了根据本发明的用于将支承柱和绳结固定到地面的结构的两个实施例。
具体实施方式
参照所附的附图，根据本发明的太阳能采集系统包括多个日光跟踪器，其具有由拉紧结构(tenso-structure)支承的多个日光面板。
每个日光跟踪器包括水平承载主管10，该主管能够绕着其轴线转动，多个辅助管11与主管连接，该多个辅助管垂直地固定到主管10并可绕着它们的轴线在轴承上转动。
主管10主要由挤制铝(重量轻)制成，具有12m长且在内部具有大约30-40cm直径的空心。
辅助管11在主管两侧上终止于凸缘中，从而使得面板通过螺旋装置而被安装和拆卸。
面板12被固定到每个辅助管11，以便能够捕获太阳能。
主管10在其端部处固定到两个支柱13，该两个支柱通过绳结网保持在适当的位置。
该支柱是具有大约10-12cm的直径和3-4mm的厚度的铁柱。
对于两个排列成排的主管10，需要两个横向支杆13和一个中间支杆13。
支杆13和绳结经由地基并且优选借助于转动轴16而固定到地面15。
支柱13通过布置在它们基部处的联接部17而固定到螺旋轴16。
该地基有利地包括被驱动到地面中的螺旋轴16，或者包括就地形成的小桩、基本上形成在地面中一定深度处的混凝土圆柱。
螺旋轴16和连接元件在它们顶部处设置有联接部17，该联接部包括带钻孔的竖直板5。这些支柱13在它们的基部处终止，其中两个间隔开的带钻孔的竖直板布置成与板5协作。
销7被插入到并排的孔中，以使得支柱13能够绕着与主管10的轴线平行的轴线转动。
内部开孔(用于绳缆通入到其内部的可能通道)的固定元件(或连接顶架)21固定到支柱13的上端部。横向于支柱存在包括若干个孔的两个凸缘，该若干个孔是将连接顶架固定到主管10的螺钉所需要的。
一个凸缘用于将连接顶架21固定(支承)到主管10，另一个凸缘远离第一个凸缘，用于将连接顶架21固定(支承)到与第一个主管10排成直线的另一个相邻的主管10。以这种方式，可形成主管10的连续排。
固定元件21具有用于将其固定到支柱13的下部部分50、中间部分51和包括上述凸缘的上部部分52。
在下部部分50与中间部分51之间设置有用于绳缆55的支座，该绳缆垂直于主管10的轴线布置。
在中间部分51与上部部分52之间设置有用于绳缆56的支座，该绳缆56以与主管10的轴线相同的方向布置。
因此，固定元件21形成为使得其能够借助于穿过两条互相垂直的金属绳缆55和56而安装在支柱13的头部上。
基本上，两个拉紧的金属绳缆55和56被嵌入连接顶架21的组成元件中。
先前，绳缆装备有锁定套筒57(其增加了绳缆的直径)，这些锁定套筒以根据设计尺寸在工厂中而非常精确地确定的间隔距离而压接在绳缆上。以这种方式，这些套筒还形成了一种组装模板，因为已经定位的套筒非常精密地形成了主管10的头部之间的距离。因此，绳缆不仅用于将支柱支承到适当位置，而且用于以非常准确的恰当距离将它们保持在适当的位置处，以便避免调整管头部之间的距离的需要，而这对于由环绕每个头部的很多个连结件组成的传统系统来说是必要的。该系统降低成本，简化头部安装，以及加快设备组装，从而确保了很高的精确度。特别地，上述内容涉及用于将平行管10连接到一起的绳缆，还涉及了排列成稍微低于主管10地延伸的绳缆。
对于具有6排6个主管的采集系统，使用具有18mm直径的钢绳缆。
在主管10的一个端部处设置有马达24，该马达适当地固定到主管，其齿轮25啮合在带有齿的半圆体26(或齿轮)中，该半圆体固定到固定元件21。该马达24使得该主管10绕着其轴线转动。
在主管10的更内部设置有马达30，该马达操作齿条，该齿条使齿轮32严格地随着固定到日光跟踪器11的轴33转动。对于固定到主管10的每一对日光跟踪器重复该结构。
作为上述方案的一种替代方案，齿轮可由具有滑轮和绳缆(或链)的齿条所代替。
马达24和30典型地包括步进的电动马达，该步进的电动马达连接到不可逆转的减速齿轮，它们在两个运动方向上(典型地绕着其静止状态±90°)，以由控制系统设定的可变速度而牵引联动装置(linkage)。例如由螺杆减速器提供不可逆转性。当跟踪太阳时，所用的电动马达以非常低的转速产生相当大的扭矩，但是还以较高转速使用以用于使轴线快速定位。具体地，马达以大约1/1.5牛顿的力使用。
步进马达通过限定将要进行的步进数量来利用电子控制的定位。
假若由马达在每个前进步幅上所产生的扭矩大于抵抗扭矩，则该马达以绝对精度执行重新定位。
优选地，为了使这些管转动，使用滑动轴承，该滑动轴承包括插入管与两个连接到连接顶架的固定端部部件之间的塑料带。这些轴承在机器使用寿命内免于维护，但是提供比球轴承更大的摩擦。因此，扭矩不仅由于轴承摩擦而且由于由压在这些面板上的风力所导致的可能失衡而不得不克服。
为了获得充足的扭矩，不可逆转的减速齿轮不得不联接到一个或多个机械转速减速器。
连接不可逆转的减速齿轮的系统还可用作制动器。一旦马达已经使轴线定位，则其甚至抵抗跟踪器从外面所经受的力而保持该定位。
有利地，使用马达开环控制系统。
为了诊断的目的，控制系统使用倾斜的传感器来周期性地检验轴线的倾斜度。这仅仅是为了安全目的而进行的周期控制，该周期控制最初还用于在安装跟踪器时找到轴线的初始位置。
可滑动扩张接头36定位于主管10的另一端部处，并构成为伸缩元件，以使其扩张。
一个伸缩元件60被固定到连接顶架21的凸缘且另一个伸缩元件61被固定到主管10。两个伸缩元件由聚四氟乙烯(PTFE)环分隔开。
在组装期间，滑动端部被固定到支承结构，以便能够实现最大扩张和最大收缩。
扩张接头36使得主管10能够在没有按压在支承点(也就是连接顶架)的情况下通过热膨胀而伸长，或者反之亦然，其使得连接顶架在固定点内具有一些运动弹性，由此补偿绳缆的弹性。
如果支柱13沿着直线定位，则将使用固定元件21。如果这些柱将沿着公路或河流，则其因此不能沿着直线固定，可使用两个沿着不同方向定位的交错结构45。这些交错结构45包括环46，这些环安装在支柱13上并且它们可绕着支柱转动。每个交错结构45包括两个支座22，用于固定主管10的螺钉定位于这两个支座中。
当主管10承载时，其支承其自重、内部联动装置的重量、面板所所固定到的转动轴的重量以及面板的重量。管的机械特性是为了抵抗风力和雪的重量，与轴线的位置无关。主管10还包含用于各面板12的电连接绳缆(或流体输送管)，以用于将由它们产生的电流或由它们所捕获的热量运送到外面。
用于跟踪器的控制系统被集成到主管10中，通过由使用基于日期和时间的算法的天文预报、地理安装坐标以及平行于地面的主轴线相对于北的定向而得出的已知方法，该控制系统能够将面板恒定地朝着太阳定向，以使得太阳垂直于面板的捕获表面。
该控制系统还可以：在需要的情况下(冰雹、过大的风等等)将这些面板快速重新定位到特定位置，保持系统运动以防止结冰，检测驱动构件中的任何故障，检测面板分离，进行各种类型的环境测量。
每个主管10包括：集成到管自身的控制系统，以及用于与附近的主管10通信的收发两用机。
控制系统设置有优选是ZigBee型收发两用机，由此，它能够在由若干日光跟踪器和一个或多个控制中心组成的网络内通信。每个收发两用机形成网络内的一个网点，能够将其自己的信息与附近网点直接通信，或者将从附近网点接收的信息转发。收发两用机的活动半径必须达到能够不仅与最近的收发两用机通信，而且在它们中一个或多个中出故障的情况下能够与更远的收发两用机通信。为了这个目的，每个收发两用机的活动半径必须至少等于主管10长度的四倍。
借助于网络，每个主管10被连接到控制中心，其可从该控制中心周期地接收内部时钟的精确同步。集成的控制系统知道准确时间、地理位置(经度和纬度)以及主跟踪器轴线相对于北的方向，并能够时刻计算太阳的绝对位置，并进而调节机械构件。
该控制中心设置有气象控制单元，并且必要时将任何紧急状况传送给所有跟踪器。例如，在强风的情况下，其迫使面板到适当位置以便使最小的表面暴露于风力下。在下雨的情况下，其迫使面板进入竖直位置，以使得整个下面的地面接收雨。在低温的情况下，其使机械构件保持连续运动以阻止在接头上结冰。在维护期间，其使面板适当地定位，以使得它们不会妨碍下面车辆运行。周期性地，它能够接触每个单个的跟踪器，以检验其存在性和可操作性。
每个跟踪器能够将诊断警告或测量结果传送到警报中心。
每个跟踪器设置有闪光灯和间歇性声音报警装置，闪光灯和声音报警装置可在下列情况下被激活：警告跟踪器周围的人机械构件将进行快速运动；以及在警报的情况下(例如由于盗窃而使面板分离)将向负责人员指示跟踪器的位置。
通常，使用若干主管10，该若干个主管沿着适当间隔开的平行排布置，以防止拂晓和黄昏时面板之间的阴影的相互干扰。在该构造中，每个柱用来支承两个相邻主管的一个端部。支柱的高度必须使得面板能够转动到它们接近于竖直的最大限度。对于最小高度，根据安装位置可增加另一空间。
这种设备的典型安装例如沿着公路、沿着铁道、沿着堤防或沿着运河。在这种情况下，支承结构将包括沿着道路或运河的边缘的柱的线性组件，柱的高度使得人和车辆能够通过。如果适当地间隔开，可使用已有的柱组件，诸如多排灯柱、架空电话线或低压电线。
在以长的多排平行跟踪器的形式在规则的长方形或正方形网格的农田上安装的情况下，形成可耕种田地的长带，带的宽度取决于跟踪器的长度和多个平行排之间的距离。柱布置的高度将不仅取决于所使用的车辆而且取决于农作物。
典型的情况是可使用具有主管10的跟踪器，该主管有12m长，呈间隔开9m的平行排，以及具有高度5的柱，包括：在主管10的一个端部上的五个面板，以及在另一个端部上、在主管10的与第一个端部相对的位置处的五个面板，以使避免平衡问题，这些面板具有1m×2m的尺寸，且间隔开大约1.5m。通过这种构造，对农作物的类型或能在跟踪器下面通过的农业机械的尺寸没有限制。
此外，通过将装置固定到柱上，跟踪器和电气部件保持远离地面，从而增加对于人员的安全等级以及使得能够使用可淹没的地或沼泽地。
包括柱和绳结的结构可通过使用小型桩或螺旋桩而被插入到土地中，从而由仅仅有限的基础工程来实现，因此避免了位于地面上的传统跟踪器所需要的给人留下深刻印象的钢筋混凝土基础工程。
当一排柱已经被设置而且将这排柱横向连接到一起的绳缆已经通过这些柱的顶部(然后绳缆在这排柱的开始和终止处被阻挡到地面)时，这种方案通过在这些柱的基部处使用简单的杠杆系统而使这些柱在枢轴上非常容易地转动，从而使得这些柱从地面上升起。位于柱和地基之间的接头包括枢轴，该枢轴可被抽出以使得柱能够进行更换，并且在设备的寿命结束时，该枢轴使得该结构能够被拆除并且使得该地基能够很容易从地面拆除。该地基在其端部处的固定环处联接到提升装置，该提升装置将地基从地面竖直抽回。
跟踪器沿着所有运动轴线是平衡的，并且因此对于其运动需要最小力。这导致了能量消耗低以及机械构件较轻。
所有机械构件被容纳在管状结构10内，受到保护以免于大气介质的侵入，以及延长使用寿命。
悬挂的装置使运动构件、电气系统以及任何流体输送网络保持无法够到，从而增加了设备的安全性。
在这方面，电气系统以及可能的流体输送网络可被联接到悬挂的绳缆，从而无需下降线路。
捕获面板被间隔开并且产生沿着地面移动的阴影，以使得下面的土地在所有点处接收直接阳光。地面投影非常有限并且是不连续的，以及对下面的农作物生长的干扰最小化。
当被悬挂在柱上时，该装置使得农业车辆能够在跟踪器下方通过而操作。
呈柱和绳结形式的支承结构不需要钢筋混凝土基础工程，该钢筋混凝土基础工程对于下面的地面产生相当大的影响并且在设备工作寿命的结束时难以被移除。
位于光电面板(或用于在捕获装置(capitation devices)中循环的流体的管道)之间的电连接系统事先被捆绑在管状结构内部，从而极大地简化了安装。光电面板或获取装置连同它们的支承结构一起被组装并且进行工厂测试，它们的支承结构包含捡拾传感器。仅仅在测试和集中该设备之前的最终安装阶段它们通过快速连接器被连接并固定到跟随器，从而导致了更高的安全性以防止在现场被偷窃。
如果跟随器设置有环境传感器，包括若干跟踪器的设备包括毛细管环境监测网络。
所使用的材料以及尺寸可根据需要和现有技术的状态而随意地选择。以这种方式想到的日光跟踪器可被进行很多修改和改变，全部落入本发明构思的范围内。此外，所有细节可由技术等同元件代替。

Claims (11)

1.一种太阳能采集系统，所述系统包括日光跟踪器，其特征在于，包括：水平承载的主管，所述主管能绕着其轴线转动；多个辅助管，所述多个辅助管以垂直于所述主管能活动的方式被固定，并能够绕着它们的轴线转动；面板，所述面板固定到所述辅助管中的每一个，所述面板能够捕获太阳能；支承结构，所述支承结构包括竖直定位的第一柱和第二柱；所述第一柱和所述第二柱均包括定位于它们顶部处的连接元件，所述连接元件用于在所述主管的端部处固定所述主管；所述连接元件包括用于固定所述主管的第一横向部分和用于固定可能的另一主管的第二横向部分；所述主管包括能够使其扩张的可滑动接头，所述可滑动接头在一个端部处固定到所述主管，而在另一端部处固定到所述第一横向部分；所述第一柱和所述第二柱在它们的基部处包括联接部；所述联接部通过螺旋轴固定到地面；所述第一柱和所述第二柱中的每一个通过固定到地面的至少两根绳缆而保持在竖直位置；所述至少两根绳缆通过螺旋轴固定到地面。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个所述主管，所述多个主管对齐并固定到多个所述第一柱和所述第二柱。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连接元件包括用于所述至少两根绳缆的固定装置。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少两根绳缆以彼此垂直的方式被固定到所述连接元件。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述至少两根绳缆在由所述至少两根绳缆上的早先预备好的套筒所限定的预定位置中被固定到所述连接元件。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，仅仅两根绳缆被固定到每个连接元件。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述联接部包括：固定到所述第一柱和所述第二柱中的每一个上的开孔板，固定到所述转动轴的开孔板；以及销，所述销插入穿过所述开孔板的孔。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主管包括马达，所述马达被固定到主管自身，并且具有与固定到所述第一柱的带有齿的轮相啮合的齿轮。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主管包括马达，所述马达固定到所述主管以驱动齿条，该齿条使齿轮严格地随着所述辅助管转动。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个主管；所述多个主管中的每一个包括能够与位于附近的主管通信的收发两用机。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一柱和所述第二柱具有大于3m的高度，并优选具有大于4m的高度。
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