CN102570911A - 一种光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置 - Google Patents

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宁铎
张婷
李斌
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Abstract

一种光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置，包括支架以及安装在支架上的旋转轴，在旋转轴上安装有光伏电池板，在支架上位于光伏电池板的下端设置有带有揩油调整口的密闭腔，在该密闭腔内下部填充有液面高度大于密闭腔出口的液体，上部充有气体，密封腔的出口处设置有活塞，杠杆安装在转轴上，杠杆的一端与活塞铰接，另一端与光伏电池板的背面相接触。本发明通过揩油调整口对密闭腔进行调节，从而实现推力、位移大小等参数调节。

Description

一种光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置
技术领域
本发明涉及太阳能应用中二维自动跟踪太阳光的装置的，特别涉及一种光伏发电中电池板在倾斜角自动跟踪太阳光的装置。 
技术背景
开发利用以太阳能为代表的新能源已经成为人类解决能源危机的有效方法之一，也已作为我国可持续发展战略的能源基本决策。太阳能光伏发电已经成为其广泛应用的途径之一。但是由于太阳光大小及方向随着时间做周期性变化，为了提高太阳能利用率，最普遍的方式就是配备二维方向的自动跟踪系统。虽然在自动控制技术发展到今天，实现自动跟踪太阳光并非难事。但是，由于自动跟踪系统及传动机构所处的室外恶劣的工作环境，要在低成本条件下保证其工作可靠性则是有很大困难的。所以研制根据光伏发电本身特点配备低成本高可靠性的二维自动跟踪系统，有效的提高太阳能利用率意义重大。 
高精度的二维跟踪系统对于太阳能聚光器是必备的，但是考虑到成本和实际效果等因素，在许多大规模光伏发电场合不得不更多采用一维(方位角)自动跟踪方式，这样一来就降低了太阳能利用率。实际上方位角变化周期(一天)是倾斜角的变化周期(一年)的365倍，所以如果能够以根据这个特点与某个因素(如气候温度)的对应关系，寻找一种简单有效的倾斜角方向自动跟踪装置代替目前普遍使用的根据采集太阳光信号、处理以及驱动组成的复杂系统，在有效的降低成本和提高可靠性的情况下，与方位角自动跟踪部分组成二维自动跟踪系统，又保证了光伏发电达到了理想的工作状态。 
2010年9月27日，申请的“一种光伏发电中电池板倾斜角方向自动跟踪太阳的装置”，申请号：201010293214.4但是在实际使用过程中发现针对不同的使用场合，其具体要求的参数是不一样的。例如，相同结构的太阳电池板在不同纬度的地方活塞位移要求不一样；而各种大小规格的太阳能电池板需要的推力也不相同；而且应用在热发电系统中线聚光的反射式或者透射式聚光体的倾斜角自动跟踪中，也是最佳选择。因为在线聚光中不需要东西方向(即经度)自动跟踪，但是也同样存在以上问题。所以如果能够根据实际需要在不改变该装置结构的前提下可以通过方便的操作实现推力、位移大小等参数的调节以及稳定性能和密封性能的完善，那么对于实践中中推广应用意义巨大。 
发明内容
本发明的目的在于根据光伏发电对于自动跟踪系统的跟踪精度相对于太阳能聚光器中的自动跟踪系统要求相对可以比较低的特点，提供了一种低成本、高可靠性并能够实现推力、位移大小等参数调节的光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置。 
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括支架以及安装在支架上的旋转轴，在旋转轴上安装有光伏电池板，在支架上位于光伏电池板的下端设置有带有揩油调整口的密闭腔，在该密闭腔内下部填充有液面高度大于密闭腔出口的液体，上部充有气体，密封腔的出口处设置有活塞，杠杆安装在转轴上，杠杆的一端与活塞铰接，另一端与光伏电池板的背面相接触。 
所述的密闭腔呈圆柱形腔体容积大而出口小，由外面的金属腔体、中间的保温层以及里面的软密封体组成。 
所述的光伏电池板的背面位于旋转轴的下端安装有滑动曲面，杠杆与该滑动曲面相接触。 
所述的与光伏电池板背面相接触的杠杆的端部设置有滚轮。 
所述的旋转轴的固定线位于光伏电池板高度的中点以上位置。 
所述的气体采用热膨胀系数较大的气体。 
本发明根据太阳光入射倾斜角度与气候温度相对应的以及变化缓慢的特点，把气候温度间接作为太阳光入射倾斜角度，利用封闭体中气体和液体的热胀冷缩以及固定在旋转轴上的光伏电池板的水平分力相互巧妙配合，形成推挽式动力源，再经过杠杆把活塞的位移放大后直接实现对光伏电池板倾斜角度的调节。用以代替目前普遍使用的倾斜角自动跟踪装置，再与方位角自动跟踪装置一起组成二维自动跟踪系统，达到提高自动跟踪系统性价比的目的，通过揩油调整口对密闭腔进行调节，从而实现推力、位移大小等参数调节。 
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。 
图2是光伏电池板倾斜角变化原理图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 
参见图1，本发明包括安装在旋转轴2上的光伏电池板1，所述的旋转轴2的固定线位于光伏电池板1高度的重点以上位置，光伏电池板1的背面且位于旋转轴2的下端安装有滑动曲面3，在光伏电池板1的下端设置有密封腔12，密封腔的腔体容积大而出口小，该密闭腔内下部填充有液面高度大于密闭腔出口的液体9，上部为热膨胀系数较大的气体8。另外密封腔内设置有 弹性软密封体10和保温层11，密封腔的左侧设置有揩油调整口13，密封腔的右出口处设置有活塞7，杠杆5安装在转轴6上，杠杆的一端与活塞7铰接，另一端安装有滚轮4并于光伏电池板1的滑动曲面3接触。 
本发明要求一定容积的密封腔和小直径的活塞以保证活塞移动对于温度变化的敏感性。 
本发明要求密闭腔内下部填充有液面高度大于密闭腔出口的液体，上部为热膨胀系数较大的气体，而且利用揩油调整口可方便的根据需要变换气体和液体的比例。活塞移动量的大小取决于密闭腔内液体和气体对其施加的压力。通过气体的可压缩性和气体所占整个密闭腔的比例的方式改善倾斜角的变化特性，改善电池板倾斜角方向自动跟踪太阳光的准确度。液体位于气体下面且液面高度大于密闭腔出口和调整口高度，能保证更好的密封效果。 
软的弹性密封体形状完全随密封腔内形状而变化，而且密封体内的流体由气体和液体二部分组成，并且自然形成上部分所充气体为热膨胀系数较大的气体，下部分是密封性能良好的液体，而且利用调整口可方便的根据需要变换气体和液体的比例。 
保温：良好的保温性能以便将每天气温的变化引起的热胀冷缩现象尽量过滤掉； 
内部放置的柔软的弹性密封体不但具有良好的密封性能，保证气体长时间不外泄，而且要求弹性系数比较小。 
作为位移放大器的杠杆的动力臂以铰链方式与活塞端头相连接，阻力臂端头安装有滑轮与滚动曲面相接触，阻力臂与动力臂之间的长度比取决于固定在光伏电池板表面的滚动曲面与旋转轴的距离等因素，距离越大，虽然需 要的力量越小，但是要求其比值越大。 
旋转轴固定线位于光伏电池高度的中点以上某位置，要求必须在正常工作条件下能够依靠本身重力在水平方向的分力保证其稳定的靠在阻力臂端头的滑轮上，并由此决定了光伏电池板的倾斜角度；滚动曲面固定于光伏电池表面与旋转轴距离大小与阻力臂的推力以及位移等数据有关，而且试验证明，滚动曲面的表面是一个曲面形状时效果更好。 
其具体工作过程如下： 
因为太阳光入射倾斜角度变化缓慢以及与气候温度变化相对应的特点，利用气体和液体热胀冷缩特性和固定在旋转轴上的光伏电池板的水平分力相互巧妙配合，形成推挽式动力源，再经过杠杆结构对其位移进行放大后实现对固定在旋转轴上的光伏电池板倾斜角度的有效调节，达到在倾斜角度方向对太阳光的自动跟踪效果。 
在图2中，对于北半球来说，“冬至”时太阳光线入射角d最小，随着入射光线倾斜角的逐步增大，平均气温也在缓慢上升，而密封圈腔中的气体和液体随着气温升高而导致其体积增大，并推动活塞向右运动，通过杠杆将其位移放大后形成阻力臂端头的滑轮向左运动，从而使光伏电池板下端相应的向左移动而使得倾斜角变大，与太阳光线入射角度变化趋势一致，从而保证太阳光线能够垂直照射在光伏电池板上。 
同样，一旦“夏至”后太阳入射光线的倾斜角由最大的β开始逐步变小，气温也同时随着降低，这时密封腔中的气体和液体随着气温降低而导致其体积减小，所以密封液体产生的对活塞的压力与光伏电池板水平方向分力的动态平衡被打破，通过杠杆作用推动活塞向左运动，从而使光伏电池板下端相 应的向右移动而使得倾斜角变小，与太阳光线入射角度变化趋势一致，同样实现了太阳光线能够垂直照射在光伏电池板上的目标。 
然而实际上具体定量的变化一致则需要详细的参数计算和试验修正后才能最后决定。 
(例子：假设密封腔为圆柱体，底面半径为5cm，长10cm，密封腔出口半径为2cm。内充一半气体，一半液体。假设计算式忽略液体因温度变化而引起的体积变化。只计算空气从0℃(冬天)到40℃(夏天)变化时的体积变。不考虑出口处活塞的阻力。则活塞可被向外推出4.6cm。) 
另外还要考虑许多影响因素，如地球的气温本身就是一个大滞后系统，比如应该说“夏至”的气温是最高的，但是实际上在几十天后的“伏天”才是最热的。冬天也是一样，“冬至”并不是气温最低的时候等，而必须将这些影响因素考虑以后，通过固定在光伏电池板背面的滚动曲面的专门设计来进行调节和修正，才能达到预期的目标。 
相对于太阳能聚光器，跟踪精度要求不那么高的大规模光伏发电组系统中，成千上万块光伏电池板可以通过统一的机械结构(如旋转方式)实现方位角同步自动跟踪，而每一个光伏电池板的倾斜角则通过此装置分别实现自动跟踪；由此组成的二维光伏电池板自动跟踪太阳系统，既很好的解决了跟踪系统结构复杂及成本高等制约太阳能推广应用中的瓶颈问题，又有效的提高了太阳能的利用率，具有很好的使用价值。 

Claims (6)

1.一种光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置，包括支架以及安装在支架上的旋转轴(2)，在旋转轴上安装有光伏电池板(1)，其特征在于：在支架上位于光伏电池板(1)的下端设置有带有揩油调整口(13)的密闭腔(12)，在该密闭腔内下部填充有液面高度大于密闭腔出口的液体(9)，上部充有气体(8)，密封腔的出口处设置有活塞(7)，杠杆(5)安装在转轴(6)上，杠杆的一端与活塞(7)铰接，另一端与光伏电池板(1)的背面相接触。
2.根据权利要求1所述的光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置，其特征在于：所述的密闭腔(12)呈圆柱形腔体容积大而出口小，由外面的金属腔体、中间的保温层以及里面的软密封体组成。
3.根据权利要求1所述的光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置，其特征在于：所述的光伏电池板(1)的背面位于旋转轴(2)的下端安装有滑动曲面(3)，杠杆(5)与该滑动曲面相接触。
4.根据权利要求1所述的光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置，其特征在于：所述的与光伏电池板(1)背面相接触的杠杆(5)的端部设置有滚轮(4)。
5.根据权利要求1所述的光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置，其特征在于：所述的旋转轴(2)的固定线位于光伏电池板(1)高度的中点以上位置。
6.根据权利要求1所述的光伏发电中电池板倾斜角自动跟踪太阳光装置，其特征在于：所述的气体(8)采用热膨胀系数较大的气体。
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