CN102437214B - 可折叠光伏支架结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能相关设备领域，尤其涉及一种用于太阳能设备的可折叠光伏支架结构。一种可折叠光伏支架结构，主要包括剪叉式可折叠结构单元。剪叉式可折叠结构单元串联展开后形成太阳能电池板安装支架，展开后的支架各单元中间形成太阳能电池板的置入空间，底侧与整体支撑架连接。由于采用了可折叠剪叉式结构，可实现完全折叠，折叠后不仅占用空间小，便于运输，而且零件结构简单，加工制造方便。同时，通过设计改变连杆铰接孔的位置和剪叉单元的装配方法，可以实现既能够安装平板式太阳能电池板，也能够安装弧线形甚至球面形太阳能电池板，因而该太阳能电池板安装支架具有广泛应用前景。

Description

可折叠光伏支架结构

技术领域

本发明涉及太阳能相关设备领域，尤其涉及一种用于太阳能设备的可折叠光伏支架结构。

背景技术

石油、天然气等能源的消耗导致环境问题日益恶化，清洁型新能源的开发和利用具有重要的经济价值和环保意义。太阳能是一种取之不尽用之不竭的新能源，但是作为新型能源技术核心的太阳能电池板在使用过程中占用面积较大，这给太阳能电池板的推广应用带来一定的困难，因此出现将太阳能电池板安装在屋顶或是墙壁上的方案，以能够利用所有能接收到阳光的空间。

目前，常用的太阳能电池板安装支架有固定式和可折叠式。固定式支架多采用焊接方式接合或者采用连接件装配而成，体积大且过于笨重，给装配、运输及维护都带来了极大的不便，而且必须要由专业人员在现场安装，作业量和作业时间都高于其它工业产品。可折叠式支架各组成部分采用螺栓固定方式连接，可以实现部分折叠甚至完全折叠，折叠后的支架占用空间小，因此，便于运输。但是目前的可折叠式支架安装过程比较麻烦，且需要由专业人员到现场安装。

发明内容

为了解决太阳能电池板安装支架存在的上述问题和不足，本发明提供了一种自重小，可完全折叠，具有高强度、大刚度，且能够安装多种类型太阳能电池板的安装支架。

本发明目的通过如下技术方案实现：

该支架结构包括整体安装支架以及安装于整体安装支架上的可折叠太阳能电池板安装支架。

所述可折叠太阳能电池板安装支架由多个剪叉式可折叠结构单元组成；所述剪叉式可折叠结构单元包括下端安装座、上端安装座、位于长边的长边连杆和位于短边的短边连杆；所述长边连杆每两根铰接形成一个长边剪叉单元，短边连杆每两根铰接形成一个短边剪叉单元；所述长边剪叉单元两两串联展开后形成剪叉式可折叠结构单元的长边，并分别与下端安装座和上端安装座铰接；短边剪叉单元展开后形成剪叉式可折叠结构单元的短边，分别与下端安装座和上端安装座铰接。

所述下端安装座和上端安装座上分别设置四个相同直径、轴线位于同一平面、且相互垂直的安装孔；所述下端安装座上还设置与整体支撑架相连接的安装孔。

当所述可折叠太阳能电池板安装支架完全展开时，太阳能电池板安装在剪叉式可折叠结构单元中间，通过端盖压紧，同时下端安装座与上端安装座通过螺栓连接或者其他固连方式，使得可折叠太阳能电池板安装支架在展开后固定，形成高度超静定的桁架结构，以提高其结构刚度和强度。

所述多个长边剪叉单元或短边剪叉单元串联形成剪叉式可折叠结构单元的长边或短边。

所述剪叉式可折叠结构单元的长边由两个长边剪叉单元组成，短边由一个短边剪叉单元构成。

所述长边连杆或短边连杆铰接折叠后，铰接孔以上部分的长度大于等于铰接孔以下部分的长度；且长边连杆与下端安装座或上端安装座的铰接孔到最近的长边连杆铰接孔的距离等于短边连杆与下端安装座或上端安装座的铰接孔到最近的短边连杆铰接孔的距离，展开后能够安装弧线形或者球面形太阳能电池板。

本发明的主要优点是：

在满足强度和刚度要求的情况下，能够实现完全折叠，达到便于运输和安装的目的，节约了人力成本和运输成本，提高了现场作业效率，而且能够适应多种安装环境的需要。同时由于可折叠光伏支架结构由多个剪叉式可折叠结构单元组成，因此可以实现太阳能电池板安装支架的标准化、系列化和通用化，便于互换和维护。

附图说明

图1是本发明与太阳能电池板和整体支架的安装示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明折叠后的结构示意图；

图4是剪叉式可折叠结构单元折叠后的结构示意图；

图5是两个剪叉单元(5)串联结构图；

图6是剪叉单元(6)结构图；

图7是剪叉式可折叠结构单元折叠过程示意图；

图8是多个剪叉单元串联构成的剪叉式可折叠结构单元示意图；

图9是多个剪叉单元串联构成的剪叉式可折叠结构单元折叠后的结构示意图；

图10是两端简支梁受均布载荷示意图；

图11是多个剪叉单元串联构成圆弧形结构示意图；

图12是剪叉单元几何特征示意图；

图13是圆弧形剪叉式可折叠结构单元结构示意图；

图14是圆弧形剪叉式可折叠结构单元折叠后的结构示意图；

图15是一种可拆卸螺栓连接固定方式；

图16是一种不可拆卸固定销固定方式。

图中标号：

1-整体安装支架；2-太阳能电池板；3-可折叠太阳能电池板固定支架；4-剪叉式可折叠结构单元；4a-下端固定座；4b-上端固定座；4c-长边连杆；4d-短边连杆；5-长边剪叉单元；6-短边剪叉单元。

具体实施方式

本发明提供了一种可折叠光伏支架结构，下面结合附图对本发明的结构、原理及具体实施方式作进一步的说明。

图1是本发明所提供的可折叠光伏支架结构与太阳能电池板和整体支架安装后的效果图。可折叠太阳能电池板安装支架3上端安装有太阳能电池板2，下端与整体支架1固定安装，根据不同的安装使用条件，整体支架1的结构形式不尽相同。可折叠太阳能电池板安装支架3主要包括剪叉式可折叠结构单元4，多个剪叉式可折叠结构单元4串联构成可折叠太阳能电池板安装支架3，可折叠结构单元由下端固定座4a、上端固定座4b、长边连杆4c和短边连杆4d组成，如图2所示。两根长边连杆4c铰接形成长边剪叉单元5，两个长边剪叉单元5串联展开后形成剪叉式可折叠结构单元4的长边，并分别和下端固定座4a和上端固定座4b铰接，如图5所示。两根短边连杆4d铰接展开后形成短边剪叉单元6，并分别和下端固定座4a和上端固定座4b铰接，如图6所示。下端安装座4a和上端安装座4b上分别设置四个相同直径、轴线位于同一平面、且相互垂直的安装孔；所述下端安装座4a上还设置与整体支撑架1相连接的安装孔。

长边连杆4c和短边连杆4d长度需要根据太阳能电池板尺寸设计；长边连杆4c和短边连杆4d中间的铰接孔位置需根据太阳能电池板尺寸设计。

除此之外，通过设计改变所述长边连杆4c和短边连杆4d铰接孔的位置和剪叉单元6的装配方法，能够实现不同类型太阳能电池板，比如平板式太阳能电池板、弧线形甚至球面形太阳能电池板。

当可折叠太阳能电池板安装支架3完全展开后，下端安装座4a和上端安装座4b通过螺栓连接或者其它固定方式固连，使得可折叠太阳能电池板安装支架3完全固定。由于太阳能电池板安装在展开后的剪叉式结构单元4形成的置入空间内，因此通过端盖压紧的方式，能够在固定连接下端安装座4a和上端安装座4b的同时，紧固了太阳能电池板。

图3是本发明所提供的可折叠太阳能电池板安装支架3折叠后的效果图，由图可以发现其可以实现完全折叠，占用空间小，方便运输。本发明能够实现完全折叠，是因为可折叠太阳能电池板安装支架3是由多个相同的可折叠剪叉式结构单元4串联构成，可折叠剪叉式结构单元4折叠后的效果图如图4所示。剪叉式可折叠结构单元4能够实现完全折叠需满足相应的设计条件，接下来对剪叉式可折叠结构单元4的结构进行分析。

设剪叉式可折叠结构单元长宽高分别为a，b，h，长边连杆4c长为l₁，短边连杆长为l₂，如图5和图6所示。为了实现完全折叠首先必须满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{A_1{B}_{11}}=L_{A_1{B}_{21}}=L_{A_2{B}_{12}}=L_{A_2{B}_{22}}=l_1\\ L_{B_{11}{C}_1}=L_{B_{12}{C}_2}=l_2\end{array}\right.---\left(C1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{O_{11}{B}_{11}}=L_{O_{11}{B}_{12}}=L_{O_{12}{B}_{21}}=L_{O_{12}{B}_{22}}={\mathrm{pl}}_1\\ L_{O_{11}{A}_1}=L_{O_{11}{A}_2}=L_{O_{12}{A}_1}=L_{O_{12}{A}_2}=(1-p)l_1\\ L_{O_2{B}_{11}}=L_{O_2{B}_{12}}=L_{O_2{B}_{21}}=L_{O_2{B}_{22}}=0.5l_2\end{array}\right.---\left(C2\right)$

其中，p为比例系数，0＜p＜1。

为了实现完全折叠，即要求折叠后剪叉式结构单元4的长和宽均处于折叠状态。假设不考虑连杆和铰接处的实体尺寸，即完全折叠后连杆完全重合，此时满足关系式：

$L_{O_{11}{B}_{11}}+L_{O_{11}{B}_{12}}=L_{B_{11}{C}_1}$

即：

pl₁＝0.5l₂                                                  (C3)

综上所述，可折叠太阳能电池板安装支架3实现完全折叠需满足(C1)、(C2)和(C3)。

由图5可知，剪叉式结构单元4的长为：

$b=2\sqrt{l_1^2+h^2}---\left(1\right)$

由图6可知，剪叉式结构单元4的宽为：

$a=\sqrt{l_2^2+h^2}---\left(2\right)$

实际设计中，可以根据太阳能电池板2的尺寸设计长边连杆4c和短边连杆4d的长度。此外，由于高度h并非固定值，一般h设计为电池板的厚度，当h改变时，对应的长b和宽a会改变，但始终保持一定的关系：

$\frac{b^2}{4}-a^2=l_1^2-l_2^2---\left(3\right)$

因此，相同规格尺寸的可折叠光伏支架结构能够安装同一系列，不同规格尺寸的太阳能电池板，这是本发明的显著优点。

本发明所提供的可折叠光伏支架结构还具有折叠方便的优点。这里结合图7，主要介绍剪叉式结构单元4的折叠过程。

状态I表示剪叉式结构单元4完全展开。折叠时，用力抬升使得剪叉式结构单元4逐渐升高；同时在宽度方向，由两端向中间推压，使得剪叉式结构单元4宽度变小；在长度方向，由两端向中间挤压，使得剪叉式结构单元4长度变小，如状态II所示。按照上述方法，逐渐折叠至完全折叠，如状态III所示。反之即为展开过程。

为了便于大面积使用，在不改变连杆长度的条件下，可以将多个剪叉单元串联，展开后形成剪叉式可折叠单元4的长边或短边，如图8所示。从图9可以发现，由多个剪叉单元串联后构成的剪叉式可折叠单元4能够实现完全折叠。不过考虑到整体结构刚度和强度，一般情况下优先采用剪叉式可折叠结构单元4长边包含两个剪叉单元，短边包含一个剪叉单元的结构方案。

但是，当剪叉式可折叠单元4的边长越长时，相同受载状态下结构挠曲变形越大。可以将剪叉式可折叠单元4的其中某一条边，边长为l，等效简化为一两端简支梁，在太阳能电池板自重或风压、雪压的作用下产生挠曲变形，如图10所示。这里可以认为梁受到均布载荷作用，设均布载荷为q，则梁产生的挠曲变形为：

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{qx}}{24\mathrm{EI}}(l^3-2{\mathrm{lx}}^2+x^3)---\left(4\right)$

其中EI为梁的等效弯曲刚度。当时，梁的挠曲变形最大，即：

${\mathrm{\ω}}_{\max }=\frac{5q{l}^4}{384\mathrm{EI}}---\left(5\right)$

由式(4)可知，在均布载荷作用下的梁产生挠曲变形近似为四次抛物线。为了克服挠曲变形，可以通过改变可折叠结构单元4的侧边剪叉式结构单元的中间铰的位置实现预先矫正结构的挠曲变形的目的。在工程应用上，为简化设计，该四次抛物线可以近似用圆弧代替，如图11所示。多个剪叉单元串联展开后，各单元中间连接铰构成圆弧需满足的条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{l_k}=l_{l_{k+1}}=l_l\\ l_{s_k}=l_{s_{k+1}}=l_s\\ l_l>l_s\end{array}\right.,(k=\mathrm{1,2},\mathrm{Ln})---\left(C4\right)$

其中，n为剪叉单元的个数。

剪叉单元展开后形成的圆弧形半径与连杆杆长和连杆夹角相关，接下来分析其展开后的几何特性。设圆弧半径为r，铰接点E_i(i＝1，2，Ln)与铰接点F_i(i＝1，2，Ln)的距离为h，其他参数如图12所示。由三角几何知识可得如下方程组：

当l_l，l_s，h已知时，即为五个方程求解五个未知变量，因此解可以表示为：

相应地，可以求得弦AB长为：

l＝2rsin(nθ)                                                (8)

圆弧顶点离弦AB的距离为：

d＝r-rcos(nθ)                                               (9)

由上述分析可知，当给定太阳能电池板尺寸后，可以根据相应的几何条件设计得到剪叉单元连杆结构尺寸。

为了实现圆弧形剪叉式可折叠结构单元完全折叠，由图13可知，在满足条件(C4)的前提下，还需要满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{oE}}=L_{\mathrm{oF}}=L_{o^{\′}G}=L_{o^{\′}H}\\ L_{o{E}_1}=L_{\mathrm{oE}}\end{array}\right.---\left(C5\right)$

当可折叠太阳能电池板安装支架3按照要求展开后，要求能够固定。固定的方法有很多，主要可以分两类：可拆卸式和不可拆卸式，可拆卸式比如螺栓连接，不可拆卸式比如铆接、焊接等。由于太阳能电池板安装在剪叉式可折叠单元4中间，因此通过端盖压紧的方式，能够实现在固定机构的同时将太阳能电池板压紧。

这里结合太阳能电池板的固定方式，给出两种比较简便的固定方式。

图15是一种可拆卸的螺栓连接方式，其中上端安装座4b带有通孔，下端安装座4a带有螺纹孔。安装时，首先将可折叠剪叉单元结构4展开，上端安装座4b与下端安装座4a将自动对齐，然后放入太阳能电池板2，再加上用来固定压住太阳能电池板2的端盖，插入螺杆并拧紧。图16是一种不可拆卸的固定销连接方式，其中上端安装座4b与下端安装座4a均带有通孔，固定销两端带有倒钩，固定销直径略小于通孔直径，但倒钩直径大于通孔直径。安装时，首先将可折叠剪叉结构单元4展开，上端安装座4b与下端安装座4a将自动对齐，然后放入太阳能电池板2和端盖，最后直接将固定销插入通孔。

本发明所提供的可折叠太阳能电池板装支架不仅具有能够完全折叠，使用方便的优点——能够降低运输和安装成本，而且能够安装不同类型的太阳能电池板，比如平面形、圆弧形甚至球面形太阳能电池板，同时其剪叉单元能够实现系列化、标准化和通用化，便于维修和更换，因而本发明所提供的可折叠光伏支架结构具有广泛的应用前景。

Claims (1)

1.一种可折叠光伏支架结构，包括整体安装支架(1)以及安装于整体安装支架(1)上的可折叠太阳能电池板安装支架(3)，其特征在于，

所述可折叠太阳能电池板安装支架(3)由多个剪叉式可折叠结构单元(4)组成；

所述剪叉式可折叠结构单元(4)分为下端安装座(4a)、上端安装座(4b)、位于长边的长边连杆(4c)和位于短边的短边连杆(4d)；

所述长边连杆(4c)每两根铰接形成一个长边剪叉单元(5)，短边连杆(4d)每两根铰接形成一个短边剪叉单元(6)；

所述长边剪叉单元(5)两两串联展开后形成剪叉式可折叠结构单元(4)的长边，并分别与下端安装座(4a)和上端安装座(4b)铰接；短边剪叉单元(6)展开后形成剪叉式可折叠结构单元(4)的短边，分别与下端安装座(4a)和上端安装座(4b)铰接；

所述长边连杆(4c)或短边连杆(4d)铰接折叠后，铰接孔以上部分的长度大于等于铰接孔以下部分的长度；且长边连杆(4c)与下端安装座(4a)或上端安装座(4b)的铰接孔到最近的长边连杆(4c)铰接孔的距离等于短边连杆(4d)与下端安装座(4a)或上端安装座(4b)的铰接孔到最近的短边连杆(4d)铰接孔的距离，展开后能够安装弧线形或者球面形太阳能电池板；

所述下端安装座(4a)和上端安装座(4b)上分别设置四个相同直径、轴线位于同一平面、且相互垂直的安装孔；所述下端安装座(4a)上还设置与整体支撑架(1)相连接的安装孔；上端安装座(4b)带有通孔，下端安装座(4a)带有螺纹孔或通孔，通过螺钉或两端带有倒钩的固定销将下端安装座(4a)和上端安装座(4b)连接固定，形成高度超静定的桁架结构，以提高其结构刚度和强度；

所述弧线形的可折叠太阳能电池板安装支架(3)完全折叠，需要满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{l_k}=l_{l_{k+1}}=l_l\\ l_{s_k}=l_{s_{k+1}}=l_s,(k=1,2,...n)\\ l_l{>l}_s\end{array}\right.;$

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{oE}}=L_{\mathrm{oE}}=L_{o^{\′}G}=L_{o^{\′}H}\\ L_{{\mathrm{oE}}_1}=L_{\mathrm{oE}}\end{array}\right.;$

其中，E和F分别为剪叉式可折叠结构单元(4)长边的两个端点，G和H分别为剪叉式可折叠结构单元(4)短边的两个端点，E₁为剪叉式可折叠结构单元(4)长边中前两个长边剪叉单元(5)位于铰接孔上方的连接点，O为剪叉式可折叠结构单元(4)长边第一个长边剪叉单元(5)的铰接点，O′为剪叉式可折叠结构单元(4)短边的铰接点；为从剪叉式可折叠结构单元(4)长边第二个长边剪叉单元(5)开始的长边连杆(4c)铰接后铰接孔以上部分的长度，为从剪叉式可折叠结构单元(4)长边第二个长边剪叉单元(5)开始的为长边连杆(4c)铰接后铰接孔以下部分的长度，n为剪叉单元的个数；

剪叉式可折叠结构单元(4)展开后形成的圆弧形半径与连杆杆长和连杆夹角相关，设展开后的圆弧半径为r，铰接点E_i(i＝1,2,…n)与铰接点F_i(i＝1,2,…n)的距离即太阳能电池板的厚度为h；当给定弧形的太阳能电池板尺寸后，能得到弧形太阳能电池板的半径和圆心角，剪叉式可折叠结构单元(4)展开后的圆弧半径r等于太阳能电池板的半径，根据剪叉单元的个数n，将弧形太阳能电池板的圆心角分为n份，每份角度为θ；由下面两组公式得到从剪叉式可折叠结构单元(4)长边第二个长边剪叉单元(5)开始的长边连杆(4c)铰接后铰接孔以上部分的长度，以及从剪叉式可折叠结构单元(4)长边第二个长边剪叉单元(5)开始的为长边连杆(4c)铰接后铰接孔以下部分的长度，从而确定剪叉式可折叠结构单元(4)的尺寸；

以O₁E₂O₂F₂为基准单元，上式中，α为∠F₂O₁O₂的值，β为∠E₂O₁O₂的值，为∠O₁E₂F₂的值。