CN102780421A - 一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置 - Google Patents

Abstract

一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，主要由方位角旋转轴、仰角旋转轴、多个光伏电池组件、用于固定光伏电池组件的光伏支架、用于支撑光伏支架的旋转平台、两排或者两排以上平行安装的光伏电池组件阵列和太阳跟踪控制器组成。本方案将一个较高的光伏电池组件阵列分成两个或者两个以上较矮的光伏电池组件阵列，所有的光伏电池组件阵列共享一个方位角跟踪装置，所有的光伏电池组件阵列配备有独立的仰角跟踪装置，每排光伏电池组件阵列也可以通过连杆传动结构共享一个仰角跟踪驱动源。此方案可以延长太阳跟踪时间、减少占地面积、降低基础和维护成本，同时提高抗风能力和可靠性，克服了传统双轴太阳跟踪技术的经济性问题。

Description

一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置

技术领域：

本发明涉及一种跟踪式光伏发电装置，特别是一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置。

背景技术：

光伏发电是目前全世界积极发展的一种可再生能源，它是人类未来能源的希望。由于光伏材料，特别是高纯多晶硅的价格昂贵，目前光伏发电设备的投入成本依然高于化石能源，光伏发电的设备回收期较长。为了提高光伏发电技术的实用性和经济性，科学家和工程师设法提高光伏发电装置的发电效率、发电量、提高光伏发电设备的可靠性、减少占地面积和降低建设成本。为了提高平板光伏电池组件的发电量，人们发明了太阳跟踪器，使光伏电池组件的受光面一直朝向太阳以减少余弦效应、增加发电量。理论计算显示，双轴跟踪式的光伏发电装置在北纬地区的年发电量最高，比水平方向固定的光伏发电装置高出50％，比单轴跟踪式的光伏发电装置高15～20％。

然而，增加双轴跟踪功能是要付出代价的，其中的经济技术问题包括：

1.双轴跟踪器增加了设备成本，一般为5～6元/Wp；

2.由于涉及两个自由度的旋转，而且两个转轴是互相垂直的，因此传统的双轴跟踪器是在空中旋转一个装着光伏电池组件的大平面，在跟踪的过程中，双轴跟踪光伏发电设备的影子是比较长、在地面投影的范围比较宽，因此在安装多台双轴跟踪光伏发电设备时，相邻的双轴跟踪光伏发电设备(前后左右，或者东西南北方向)必须保持一定的间距(纬度越高间距越大)，大幅度的增加了土地的使用面积。按传统的双轴跟踪光伏发电站的土地使用率为50m²/Wp，相比固定平板光伏发电站的20m²/Wp，土地的成本增加了250％。另一方面，在空间有限的情况下，比如屋顶电站，传统的双轴跟踪光伏发电设备也限制了光伏发电站的装机容量。

3.如上所述，传统的双轴跟踪光伏发电设备在空中旋转大面积的平板，由于机械结构的原因，需要考虑采取更加坚固、能减少变形量的设计，这将导致基础和结构成本增加。在我国，许多阳光资源很好的地方，往往其风资源也比较丰富(风大有利光伏发电，因为光伏电池板得到很好的散热，光伏电池板的温度越高发电效率越低)，比如内蒙古的草原，甘肃敦煌的荒漠，设备的抗风能力更加需要加强。

4.为了减少土地的占用面积，传统的双轴太阳跟踪系统的布局以牺牲一些跟踪时间(即早晨较早的时段和下午较晚的时段)，以缩小双轴太阳跟踪器之间的间距。在春、夏和秋天的时候，特别是在夏天，这个被牺牲的时段的潜在发电量其实还是相当可观的，理论计算显示这时段有5～10％的电量增益潜能。

5.在屋顶光伏发电的应用中，房顶的风压比较大，光伏发电装置的支撑架和基础应当加强，然而房顶不适合安装大型水泥基础，因此不适合安装结构高大的跟踪式光伏发电装置，传统设计一般使用固定式、贴着屋顶安装的光伏发电装置。

以下对现有技术的几种类型的跟踪式光伏发电装置作评论。

图1给出类一型的双轴跟踪器的结构，这种结构也被称为T型的双轴跟踪器，其主要部件包括一个光伏电池组件阵列1、一个方位角旋转轴2、一个仰角旋转轴3、和一个基础10。方位角旋转轴与天顶方向z轴9平行，旋转轴3和地平线5平行，整体的结构如一个T字插在地面(N北，S南，E东，W西)4上。图10给出太阳26相对于地面4的坐标，由太阳方位角As 27和太阳高低角αs 28来表述。在进行太阳跟踪的时候，方位角旋转轴(转角为A_H)1转到A_H等于太阳方位角A_s的位置，仰角旋转轴(转角为β_H)2转到光伏电池组件阵列倾角β_H 6等于90°减去太阳高低角α_s的位置，β_H＝90°-α_s。美国专利申请公开号US2011/0041834A1给出了这类跟踪器的典型例子。其缺点是：

1.其光伏电池组件阵列高度H 8太高，重心落在接近方位角旋转轴顶部的位置，侧风力对基础形成的倾覆力矩大，要求基础10做的大而坚固，基础成本高，同时受侧风影响时，结构的变形量较大，整体抗风能力较差；

2.其光伏电池组件阵列高度H 8太高，造成对周边地面的投影范围广阔，在多台跟踪器的应用中，要求的占地面积大，造成土地成本高；

3.其光伏电池组件阵列高度H 8太高，安装时需要用吊车，安装成本高，清扫和维护成本也高。

图2给出类二型的双轴跟踪器的结构，这种结构是对类一型进行改进，滚轮12和地面轨道13的结合应用加强了整体结构的强度，允许安装更大面积的光伏电池组件阵列1，特别是增加光伏电池组件阵列宽度l7。其缺点是：

1.其光伏电池组件阵列高度H 8太高，造成对周边地面的投影范围广阔，在多台跟踪器的应用中要求的占地面积大，土地成本高；

2.其光伏电池组件阵列高度H 8太高，安装时需要用吊车，安装成本高，维护成本也高。

3.露天(不密封)的滚轮12和地面轨道13容易因为泥土或者其他外来物将滚轮卡死或者增加摩擦力，引起方位角旋转轴2的电机过载烧坏，影响跟踪系统的可靠性。

图3给出类三型的单轴跟踪器的结构，这是类一型双轴跟踪器的加强型简化版本，采用方位角单轴跟踪结构，其方位角旋转轴2采用筋骨支撑结构的方式加固了，整体的抗风能力加强了。其缺点是：

1.其光伏电池组件阵列高度H 8太高，重心落在接近方位角旋转轴顶部的位置，侧风力对基础形成的倾覆力矩大，要求基础10做的大和坚固；

2.其光伏电池组件阵列高度H 8太高，造成对周边地面的投影范围广阔，在多台跟踪器的应用中要求的占地面积大，土地成本高；

3.其光伏电池组件阵列高度H 8太高，安装时需要用吊车，安装成本高，维护成本也高。

图4给出类四型的双轴跟踪器的结构，这是一种级向跟踪方式的跟踪器，其跟踪轴分别是极向轴11和太阳倾角旋转轴15；极向轴11指向北极星，其轴向和地球的旋转轴平行(与地平线5构成的夹角Φ为当地纬度)；太阳倾角旋转轴15和极向轴11垂直；跟踪太阳时，太阳倾角旋转轴的转角δ_H30等于太阳的倾角δ_s，极向轴11的转角ω等于太阳时。美国专利号US7554030B2给出了这种类型跟踪器的技术方案。其缺点是：

1.在纬度高的地区其光伏电池组件阵列高度H 8比较大，地面投影的范围也相对增加，对占地面积的要求虽然比类一型至四型小但比固定平板组件大；

2.这种结构只适合用于装机容量小的光伏发电装置，比如＜2kWp的系统。

图5给出类五型的单轴跟踪器的结构，其结构简单，抗风能力好，基础要求小，占地面积小。其跟踪轴只有一根南北向旋转轴16，在跟踪的时候其转角为ρ_H，即能使太阳矢量和光伏电池组件的法线所构成的面始终和光伏电池组件的面保持垂直。其缺点是：发电效率比双轴跟踪系统低，也比类三的方位角单轴跟踪器的发电效率低(理论年发电量比水平向固定平板光伏发电装置高30％，类三的为40％)。

图6给出类六型的单轴跟踪器的结构，其结构简单，抗风能力好，基础要求小，占地面积小。其跟踪轴只有一根东西向旋转轴17，在跟踪的时候其转角为β_H和太阳高低角α_s成90°的互补角关系，β_H＝90°-α_s。其缺点是：发电效率比双轴跟踪系统低，也比类三和类五的单轴跟踪器的发电效率低。

本发明针对类一型至类六型所述的现有技术的缺点进行改进，克服了所有的缺点，可以实现：占地面积小、基础要求小、机械结构牢固可靠、发电效率(发电量)高而且结构简单的技术方案，如图7所述。

图7给出一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其主要组成部件包括一个方位角旋转轴2、多个仰角旋转轴3、用于固定光伏电池组件的光伏支架、用于支撑光伏支架的方位角旋转平台18和两排或者两排以上平行安装的光伏电池组件阵列1，其特征是：本技术方案将一个较高的光伏电池组件阵列分成两个或者两个以上较矮的光伏电池组件阵列，所有较小的光伏电池组件阵列共享一个方位角跟踪装置，所有较小的光伏电池组件阵列配备有独立的、较小的仰角跟踪装置，或者每排光伏电池组件阵列由推拉杆结构转动仰角轴并通过连杆传动结构共享一个驱动源，所述的连杆式驱动的组成结构见图8，包括一个拉杆驱动减速电机、一个拉杆20和两个或者两个以上的推杆19，推杆的数量和光伏电池组件阵列的行的数量一样。

这种设计方案能够实现双轴太阳跟踪达到零余弦效应或者最高效率的光能接收、可以最大程度的延长光伏电池组件的跟踪时间、减少地面投影的范围从而大幅度减少跟踪光伏系统的占地面积，降低基础建设的成本，同时从设计的角度保证了跟踪系统的抗风能力和可靠性。也就是说，分立式仰角跟踪结构设计使整个光伏发电设备的高度降低了，使设备具备比传统的立式单轴方位角太阳跟踪或者双轴太阳跟踪光伏发电设备更强大的抗风能力；同时低矮的设计减少了对相邻的跟踪器造成的投影。因此，在大型光伏发电站的应用中本光伏发电设备将更节约土地，土地的占用率远小于传统立式双轴太阳跟踪光伏发电设备的50m2/kW，本设备的双轴跟踪结构还能实现土地的占用率不大于传统固定式光伏发电设备的20m2/kW。本发明提出了一种全面的双轴跟踪设计方案，解决了传统双轴太阳跟踪光伏发电装置的占地面积大、抗风能力差、土建基础要求高和跟踪时间短的问题，具有显著的技术进步。

发明内容：

本发明提出一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其中主要部件包括方位角旋转轴、仰角旋转轴、多个光伏电池组件、用于固定光伏电池组件的光伏支架、用于支撑光伏支架的框架和太阳跟踪控制器，所述的太阳跟踪控制器根据时间计算太阳的位置，并控制传动装置驱动方位角旋转轴和仰角旋转轴，使所述的光伏电池组件的面朝向太阳，达到太阳跟踪的目的，其特征是：所述的方位角旋转轴与所述的框架的中部作垂直连接，形成一个旋转平台，所述的光伏支架和光伏电池组件组成两排或者两排以上的光伏电池组件阵列安装在旋转平台上，相邻的光伏电池组件阵列之间按一定的间距d平行安装，每排光伏电池组件阵列连接到一个仰角旋转轴上，仰角旋转轴与所述的旋转平台平行、与方位角旋转轴垂直，如图7和图9所示。

根据本发明所述的一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其特征是：关于所述的仰角旋转轴，每个仰角旋转轴的运动由独立的传动装置实现。本发明的另一个特征是：关于所述的仰角旋转轴，每个仰角旋转轴通过推拉杆驱动方式和连杆传动结构共享一个仰角驱动源，如图8所示。

本发明的特征还包括：所述的相邻的光伏电池组件阵列之间的间距d是光伏电池组件阵列宽度l的1.5～3.0倍，即d/l是1.5～3.0。本发明的特征还包括：所述的旋转平台上的光伏电池组件阵列的第一排与最后一排的间距D和所述的光伏电池组件阵列的长度L的比值D/L是0.3～3.0，特别是0.6～1.6。

本发明还有一个特征是：每排光伏电池组件阵列的高度H是一致的。本发明另一特征是：每排光伏电池组件阵列的高度H是不一致的，其中最大的高度和最小的高度的比例不大于3.0。

综合以上所有技术特征，可以实现延长太阳跟踪时间、减少占地面积、降低基础和维护成本，同时提高抗风能力和可靠性以克服传统双轴太阳跟踪技术的经济性问题。

附图说明

图1是类一型双轴跟踪器的结构图；图中：1光伏电池组件阵列2方位角旋转轴(转角为A_H)3仰角旋转轴(转角为β_H)4地面(N北，S南，E东，W西)5地平线6光伏电池组件阵列倾角β_H 7光伏电池组件阵列宽度l  8光伏电池组件阵列高度H 9天项方向z轴10基础。

图2是类二型双轴跟踪器的结构图；图中：12滚轮  13地面轨道。

图3是类三型单轴跟踪器的结构图。

图4是类四型双轴跟踪器的结构图；图中：11极向轴(转角为ω)30光伏电池组件阵列与级向轴夹角δ_H，15太阳倾角旋转轴(转角为δ_H)。

图5是类五型单轴跟踪器的结构图；图中：16南北向旋转轴(转角为ρ_H)。

图6是类六型单轴跟踪器的结构图；图中：17东西向旋转轴(转角为δ_H)。

图7是类七型双轴跟踪器的结构图；图中：14第一排光伏电池组件阵列与最后一排光伏电池组件阵列的间距D 18方位角旋转平台23光伏电池组件阵列与相邻的旋转式的光伏电池组件阵列之间的间距d。

图8是连杆式仰角驱动装置的结构图；图中：19推杆20拉杆21拉杆驱动减速电机。

图9是一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置的结构图；图中：22仰角轴驱动减速机24光伏电池组件阵列的长度L 25太阳跟踪控制器29密封的回转轴承和蜗轮蜗杆减速箱。

图10太阳位置的坐标图；图中：26太阳27太阳方位角A_s 28太阳仰角α_s。

具体实施方式：

为了更具体的描述本技术方案，以下给出三个本方案的具体实施案例。

具体实施方式1：

图9给出一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其装机容量为4.56KW，其主要部位包括两排平行摆放的光伏电池组件阵列1，一个方位角旋转平台18，一个方位角旋转轴2和两个仰角轴驱动减速机22；所述的方位角旋转轴2垂直的连接到方位角旋转平台18的中央或者重心点，所述的每排光伏电池组件阵列1由单独的一个仰角轴驱动减速机22于光伏电池组件阵列1的中央位置驱动。方位角跟踪装置安装在旋转平台的中部，包含一个密封的回转轴承和蜗轮蜗杆减速箱29，整个跟踪式光伏发电装置的重心落在这个回转轴承上，实现在同等装机容量的条件下，不需要很坚固的基础。

每排光伏电池组件阵列1包含12片光伏电池组件，每片组件的标准功率为190W。每片组件的标准尺寸为1.58mx0.808m，光伏电池组件阵列的长度L 24为10.28m，光伏电池组件阵列宽度l 7为1.58m，光伏电池组件阵列与相邻的旋转式的光伏电池组件阵列之间的间距d 23为3.16m也等于第一排光伏电池组件阵列与最后一排光伏电池组件阵列的间距D，光伏电池组件阵列高度H 8等于0.79m。在进行太阳跟踪的时候，太阳跟踪控制器25根据当地纬度，当地时间和当地精度通过本领域公知的太阳位置计算公式计算太阳的实时的位置，指示驱动装置转动电机，使方位角旋转轴2的转角A_H，等于太阳的方位角A_s；仰角旋转轴3的转角β_H等于90°减去太阳高低角α_s。在这个案例d/l＝2.0，D/L＝0.307。

具体实施方式2

如图7给出一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其装机容量为6.84KW，其主要部位包括三排平行摆放的光伏电池组件阵列1，一个方位角旋转平台18，一个方位角旋转轴2和三个仰角轴驱动减速机22；所述的方位角旋转轴2垂直的连接到方位角旋转平台18的中央或者重心点，所述的每排光伏电池组件阵列1由单独的一个仰角轴驱动减速机22于光伏电池组件阵列1的中央位置驱动。方位角跟踪装置包含一个密封的回转轴承和蜗轮蜗杆减速箱29，整个跟踪式光伏发电装置的重心落在这个回转轴承上，实现在同等装机容量的条件下，不需要很坚固的基础。

每排光伏电池组件阵列1包含12片光伏电池组件，每片组件的标准功率为190W。每片组件的标准尺寸为1.58mx0.808m，光伏电池组件阵列的长度L 24为10.28m，光伏电池组件阵列宽度l7为1.58m，光伏电池组件阵列与相邻的旋转式的光伏电池组件阵列之间的间距d23为3.16m，第一排光伏电池组件阵列与最后一排光伏电池组件阵列的间距D 14为6.32，光伏电池组件阵列高度H 8等于0.79m。在进行太阳跟踪的时候，太阳跟踪控制器25根据当地纬度，当地时间和当地精度通过本领域公知的太阳位置计算公式计算太阳的实时的位置，指示驱动装置转动电机，使方位角旋转轴2的转角A_H，等于太阳的方位角A_s；仰角旋转轴3的转角β_H等于90°减去太阳高低角α_s。在这个案例d/l＝2.0，D/L＝0.615。

具体实施方式3

结构和具体实施方式2一样，不同的是，具体实施方式2所述的三个仰角轴驱动减速机22由一套连杆式仰角驱动装置取代。如图8所示，每排光伏电池组件阵列1的仰角方向的旋转由光伏电池组件阵列1背后的推杆19的推或拉的动作实现，推杆19的运动来自拉杆20的线性动作，拉杆20的动力来自拉杆驱动减速电机21。

对比案例：

用图1类一型的结构设计，装机容量为4.56KW，由6行4列平板光伏电池组件组成4.848mx6.32m的光伏电池组件阵列1，光伏电池组件阵列高度H 8等于2.42m，其有效受风面积为30.64m²，设备重心在高度H＝2m的位置，按标准风载计算，在十级风的情况下，受风力为14.1kN，地基所受的最大倾覆扭矩为28.2kNm，在多台设备的应用中，土地使用效率为50m²/kW。

与体实施方式1-3的对比如下表：

如上表所示，实施方式1的土地使用效率比实施方式2和3差，因为其D/L比例不在0.5～2.0的范围内。

上述实施例仅是本发明技术思想中较完善的实施方式，详细说明了本发明的技术构思和实施要点，并非是对本发明保护范围的限制，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其中主要部件包括方位角旋转轴、仰角旋转轴、多个光伏电池组件、用于固定光伏电池组件的光伏支架、用于支撑光伏支架的框架和太阳跟踪控制器，所述的太阳跟踪控制器根据时间计算太阳的位置并控制传动装置驱动方位角旋转轴和仰角旋转轴，使所述的光伏电池组件的面朝向太阳，达到太阳跟踪的目的，其特征是：所述的方位角旋转轴与所述的框架的中部作垂直连接，形成一个由中央单点支撑和驱动的旋转平台，所述的光伏支架和光伏电池组件组成两排或者两排以上的光伏电池组件阵列安装在旋转平台上，相邻的光伏电池组件阵列之间按一定的间距d平行安装；每排光伏电池组件阵列连接到一个仰角旋转轴上，仰角旋转轴与所述的旋转平台平行、与方位角旋转轴垂直。

2.根据权利要求1所述的一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其特征是：关于所述的仰角旋转轴，每个仰角旋转轴的运动由独立的传动装置实现。

3.根据权利要求1所述的一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其特征是：关于所述的仰角旋转轴，每个仰角旋转轴通过推拉杆驱动方式和连杆传动结构共享一个仰角驱动源。

4.根据权利要求1所述的一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其特征是：所述的相邻的光伏电池组件阵列之间的间距d是光伏电池组件阵列宽度l的1.5～3.0倍，即d/l是1.5～3.0。

5.根据权利要求1所述的一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其特征是：所述的旋转平台上的光伏电池组件阵列的第一排与最后一排的间距D和所述的光伏电池组件阵列的长度L的比值D/L是0.3～3.0，特别是0.6～1.6。

6.根据权利要求1所述的一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其特征是：每排光伏电池组件阵列的高度H是一致的。

7.根据权利要求1所述的一种能减少占地面积增加发电量的跟踪式光伏发电装置，其特征是：每排光伏电池组件阵列的高度H是不一致的，其中最大的高度和最小的高度的比例不大于3.0。

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