CN103034240A - 单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统 - Google Patents

单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统 Download PDF

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单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其中由旋转支架、反光镜、光伏组件和清洁工作导轨等组成光伏旋转模组,光伏组件和反光镜成120°左右的夹角,光伏旋转模组南北向安装,东西向转动跟踪太阳,保证太阳光线始终与反光镜对称平面平行,反光镜从侧向反射太阳光到光伏组件上使光伏组件受光量增加,发电量得以提高。本发明提出了两种驱动光伏旋转模组转动的联动结构方式,这两种方式的共同特点是:由一台电机通过减速器、传动轴、动力分配器和联轴器等拖动多个联动方阵中‘一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置’同步运转,从而带动大量光伏旋转模组同步转动跟踪太阳。本发明能够更多的降低光伏发电成本,适合用来建设大型光伏电站。

Description

单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光伏发电技术领域,特别是太阳跟踪光伏发电技术。
背景技术
[0002] 光伏发电是人类利用太阳能资源的一个重要方法,使用光伏组件将太阳光能直接转化为电能,清洁、安全、简单、直接,是目前人类利用太阳能资源最好的技术手段之一。
[0003] 太阳跟踪光伏发电技术是高效利用光伏组件和太阳能资源的重要手段,由太阳跟踪系统和光伏组件组合得以实现。根据光伏组件的种类和光伏电站的地理位置,太阳跟踪光伏发电技术应用主要表现为三种结构形式,分别为双自由度太阳跟踪光伏发电系统、单自由度斜置太阳跟踪光伏发电系统和单自由度平置太阳跟踪光伏发电系统;和相同条件下使用的固定式光伏发电系统相比,以上任何一种太阳跟踪光伏发电系统都能提高单位光伏组件的发电量。另外,聚光型光伏组件则必须使用太阳跟踪系统,组合成聚光型太阳跟踪光伏发电系统才能保证正常发电。
[0004] 太阳跟踪光伏发电系统是光、机、电一体化装置,总体成本高,为降低光伏发电成本,一些光伏电站采用安装了反光镜的太阳跟踪光伏发电系统,在太阳光照射光伏组件的同时使用反光镜将太阳光反射到光伏组件上,以增加单位光伏组件发电量,此种方式多使用在双自由度太阳跟踪光伏发电系统和单自由度斜置太阳跟踪光伏发电系统上,能够降低光伏发电成本。目前,上述方式大都使用在太阳跟踪光伏发电系统单体上,无法做到大面积机械联动,因而总体成本依然较高,限制了此种方式的推广和应用。
发明内容
[0005] 本发明的目的是更经济、高效的利用光伏组件和太阳能资源,即便是太阳能资源不太丰富的地区使用本发明也能更好的利用光伏组件,提出一种简单、经济、适用性广的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统。
[0006] 本发明进一步的目的是提出两种驱动光伏旋转模组转动的联动结构方式,主要传动装置采用同一申请人发明的“一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置”(专利申请号:201110286031. 4),分别适用于承受不同的外荷载(主要为当地50年一遇的风荷载和雪荷载),使本发明有更广泛的适用性。
[0007] 本发明的原理为:旋转支架通过其上的转轴联接扩展,将多个旋转支架上的转轴首尾相连形成一个整体,首尾相连的转轴安装在多个等间距的固定支架上可以单自由度转动,首尾相连的多个旋转支架上对称安装反光镜和光伏组件组成光伏旋转模组,首尾相连的转轴和光伏旋转模组可视为一个整体,则转轴转动光伏旋转模组整体转动;光伏组件和反光镜成120°左右的夹角,光伏旋转模组南北向安装,东西向转动跟踪太阳,保证太阳光线始终与反光镜对称平面平行,反光镜从侧向反射太阳光到光伏组件上使光伏组件受光量增加,发电量得以提高。为了适应太阳高度角的变化,要求反光镜向阳方向凸出光伏组件,凸出的长度应根据安装本发明地区的纬度精确计算,保证光伏组件整体受光均匀。由于硅类光伏组件发电效率受温度影响大,当光伏组件温度过高则发电效率大幅下降,因此要求侧向太阳光补偿量不大于50%,以保证太阳光照较强时光伏组件的温升能够在允许范围内。
[0008] 本发明中光伏旋转模组上部安装有清洁工作导轨,当光伏组件或反光镜表面脏污而影响发电量时,将自动清洁装置安放在清洁工作导轨上,自动清洁装置能够自动清洁反光镜和光伏组件表面,清洁工作导轨和自动清洁装置组成本发明的自动清洁系统,使用此系统可更高效使用光伏组件,更好的利用太阳能资源。
[0009] 本发明由电控系统集中自动控制,本发明的机械结构可以抵抗双向轴向力,同时又能够消除温度变化引起的膨胀和收缩产生的不利影响,因此本发明对安装场地的要求低,可以适用于平地和山坡安装,根据安装地点纬度,选择合适角度的向阳坡面安装本发明,发电量提升效果将更加显著。本发明模块化设计,容易实现扩展和联动,因此成本低廉,维护方便,适合建设大型光伏电站。本发明经小规模测试,较固定式安装光伏组件提高发电量39%以上,本发明在低纬度和中高纬度地区使用都能取得良好的效果。
[0010] 本发明提出了两种驱动光伏旋转模组转动的联动结构方式:1.本发明第一种驱动光伏旋转模组转动的联动结构方式由转轴、一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置(以下简称:‘传动装置’)、电机、减速器、联轴器、动力分配器、固定支架a、传动轴a、传动轴b、传动轴c等组成。‘传动装置’安装在光伏旋转模组的中部,‘传动装置’的转动输出端和转轴刚性联接,‘传动装置’的两侧等间距安装多个固定支架a,首尾相连的转轴安装在多个固定支架a上可以单自由度转动,‘传动装置’带动转轴旋转,旋转模组转动实现对太阳的跟踪。将以上结构等间距重复,采用传动轴a和联轴器依次联接‘传动装置’,则组成了联动方阵,电机通过减速器、传动轴b、联轴器、动力分配器、传动轴c等将转动输入到联动方阵的‘传动装置’,实现联动方阵上安装的所有光伏旋转模组同步转动;通过传动轴b、联轴器和动力分配器可同时将转动输入到多个联动方阵,实现一个电机拖动若干个联动方阵同步运行,易于实现集中控制;此种结构方式整体强度高,适合在风荷载和雪荷载较大的地区使用。
[0011] 2.本发明第二种驱动光伏旋转模组转动的联动结构方式由转轴、固定支架b、固定支架C、联动杆、摇臂、销轴、传动轴b、传动轴C、动力分配器、‘传动装置’、联轴器、电机和减速器等组成。首尾相连的转轴两侧安装摇臂形成一个整体,安装在排列好的固定支架b和固定支架c上,首尾相连的转轴可以单自由度转动,将上述结构等间距重复排列;联动杆上加工有与排列等间距的孔,摇臂下端加工有安装孔,使用销轴将联动杆与摇臂铰接,两根联动杆分别铰接两侧摇臂组成联动方阵;联动方阵中央安装‘传动装置’,‘传动装置’与中间的转轴刚性连接,电机通过减速器、联轴器、动力分配器、和传动轴c将转动传递到‘传动装置’,‘传动装置’输出转动带动联动方阵中间首尾相连的转轴转动,其上的摇臂摆动,带动联动杆运动,联动杆带动剩余的所有摇臂同步摆动,则联动方阵内所有的转轴同步转动,即所有光伏旋转模组同步转动;通过动力分配器和安装在两侧的传动轴b将转动传递到若干个联动方阵中的‘传动装置’上,实现一台电机拖动若干个联动方阵同步运行。此种驱动光伏旋转模组转动的联动结构方式适合在风荷载和雪荷载较小的地区使用,优点是:一个联动方阵采用一套‘传动装置’,节约材料和成本。
[0012] 附图说明:
图1为本发明中的模块单体立体图; 图中:101反光镜,102光伏组件,103旋转支架,104固定支架a,108转轴;
图2为旋转支架103和固定支架al04的结构形式;
图3中:189光伏旋转模组,105清洁工作导轨;
图3a示例为本发明中单个光伏旋转模组189和多个固定支架al04组合的立体图,光伏旋转模组189南北向安装,东西向旋转跟踪太阳;
图3b为图3a的局部视图A,光伏旋转模组189顶部安装有清洁工作导轨105 ;
图4示例为本发明组合成方阵的立体图,图中:022传动轴a ;
图5示例为本发明安装在一定角度向阳坡面的立体图;
图6为本发明中第一种驱动光伏旋转模组189转动的联动结构方式立体图;
图中:126传动轴b,129传动轴C,局部视图B、C、D在图7中表现;
图7中:016联轴器,110电机,111减速器,112动力分配器,118 一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置(简称:‘传动装置’),165齿轮轴a,166齿轮轴b ;
图7a为图6的局部视图B,图7b为图6的局部视图C,图7c为图6的局部视图D,图7d为动力分配器112内部结构立体图;
图8为本发明第二种驱动光伏旋转模组189转动的联动结构方式立体图,图中局部视图E、F、G在图9中表现;
图中:009联动杆,106固定支架b ;
图9中:012摇臂,015销轴,203固定支架c ;
图9a为图8的局部视图E,图9b为图8的局部视图F,图9c为图8的局部视图G,图9d为图9c的局部视图H ;
图10示例一台电机110拖动若干个联动方阵驱动光伏旋转模组189组成的阵列。
[0013] 具体实施方式:
以下结合附图和实施实例进一步描述本发明:
首先结合附图和实例描述本发明中光伏旋转模组189的结构和工作原理:本发明中的光伏旋转模组189由旋转支架103、反光镜101、光伏组件102和清洁工作导轨105等组成,其中转轴108与旋转支架103为一体(图2)。图1所示为旋转支架103、反光镜101和光伏组件102组合的模块化单体,安装在固定支架al04上,转轴108安装在固定支架al04上端的轴承孔内可以单自由度旋转,光伏组件102两两对称安装在同一平面上,反光镜101两两对称与光伏组件102成120°左右夹角,反光镜101和光伏组件102的宽度之比为1. 05〜1.1。将若干个旋转支架103上的转轴108首尾相连成一个整体,安装光伏组件102和反光镜101,要求一端反光镜101凸出光伏组件102,组成光伏旋转模组189 (图3a);光伏旋转模组189上端安装清洁工作导轨105,清洁工作导轨105上加工有等长的齿条(图3b)。图3a所示,光伏旋转模组189南北向安装在多个固定支架al04上,可以单自由度东西向转动跟踪太阳,保证太阳光线始终与反光镜101的对称面平行,反光镜101将太阳光反射到光伏组件102上,光伏组件102受光量增加,发电量得以提高。考虑到太阳高度角的变化,要求光伏旋转模组189向阳的一端反光镜101凸出光伏组件102,凸出长度根据本发明安装地点的纬度计算,以保证反光镜101反射的太阳光能够完全覆盖光伏组件102,确保光伏组件102受光均匀(图3a)。
[0014] 本发明提出了两种驱动光伏旋转模组189转动的联动结构方式,以下结合附图分别说明:1、图6、图7所示为本发明中第一种驱动光伏旋转模组189转动的联动结构方式,由于转轴108首尾相连且与光伏旋转模组为一个整体,首尾相连的转轴108可视为一根长轴,所以此种结构方式也是驱动转轴108转动的联动结构方式,由转轴108、一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置(以下简称:‘传动装置’)118、电机110、减速器111、联轴器016、动力分配器112、固定支架al04、传动轴a022、传动轴bl26、传动轴cl29等组成。
[0015] 图6所示:‘传动装置’ 118的转动输出端和转轴108刚性联接,限制转轴108轴向运动,使转轴108能够承受双向轴向力,‘传动装置’ 118安装在首尾相连的转轴108中间位置(图7c),‘传动装置’ 118两侧等间距安装多个固定支架al04,转轴108安装在固定支架al04上的轴承孔内,可以转动和轴向滑动,以上结构的好处是当环境温度变化,转轴108伸长或缩短,整体结构能够安全正常工作;‘传动装置’ 118带动转轴108旋转,则旋转模组189转动实现对太阳的跟踪。将以上结构等间距重复形成方阵,在方阵中间安装动力分配器112,动力分配器112前后通过联轴器016各联接一根传动轴cl29 (图7b),传动轴cl29联接前后‘传动装置’ 118的转动输入端,再使用传动轴a022前后依次联接‘传动装置’ 118的转动输入端形成联动方阵(图6);动力分配器112内安装齿数相等的两根齿轮轴al65和齿轮轴bl66,成90°角啮合传递转动(图7d);动力分配器112的左右两端通过联轴器016各联接一根传动轴bl26,其中一根传动轴bl26联接到另一个动力分配器112的右端(图6、图7a),此动力分配器112后端通过联轴器016联接减速器111的转动输出轴(图7a),减速器111由电机110驱动;当电机110驱动减速器111,减速器111将转动输出到动力分配器112(图7a),动力分配器112带动传动轴bl26转动,传动轴bl26将转动输入到动力分配器112 (图7b),动力分配器112带动传动轴cl29和传动轴a022共同转动(图6、图7b),则联动方阵内所有的‘传动装置’ 118同步运行,带动所有转轴108同步转动(图6),实现安装在联动方阵上所有光伏旋转模组189同步转动跟踪太阳(图4)。通过传动轴bl26和动力分配器112可同时将转动传递到多个联动方阵(图6、图7b),实现一个电机110同步拖动若干个联动方阵,带动更多的光伏旋转模组189跟踪太阳(图10)。此种结构方式整体强度高,抗外荷载能力强,适合在风荷载和雪荷载较大的地区使用。
[0016] 2、图8、图9所示为本发明中第二种驱动光伏旋转模组189转动的联动结构方式:由转轴108、固定支架b 106、固定支架c203、联动杆009、摇臂012、销轴015、传动轴b 126、传动轴cl29、动力分配器112、‘传动装置’118、联轴器016、电机110和减速器111等组成。首尾相连的转轴108两侧对称安装摇臂012各一个形成一个整体,安装在等间距排列的固定支架bl06和固定支架c203上能够转动(图8),两个摇臂012分别在两个固定支架c203中间(图9b),—个固定支架c203限制转轴108轴向运动,其余的固定支架bl06和固定支架c203不限制转轴108的轴向运动,以上结构的好处是当环境温度变化,转轴108伸长或缩短,整体结构能够安全正常工作,转轴108能够承受双向轴向力;将上述结构等间距排列,使用两根联动杆009联接两列摇臂012 (图8),联接方法为:联动杆009上加工与排列等间距的孔,摇臂012下端加工有安装孔,使用销轴015将联动杆009与摇臂012铰接(图%),组成联动方阵;去除联动方阵中心的固定支架bl06,将‘传动装置’ 118安装在此位置上,‘传动装置’ 118转动输出端与转轴108刚性联接(图9c),由于‘传动装置’ 118限制转轴118的轴向运动,因此这一排的固定支架c203不限制转轴108的轴向运动;电机110拖动减速器111通过联轴器016传动至动力分配器112,动力分配器112通过联轴器016联接两根传动轴bl26和一根传动轴cl29,传动轴cl29通过联轴器016联接到‘传动装置’ 118的动力输入端(图9c、图9d);当电机110驱动减速器111转动,带动动力分配器112转动,通过传动轴cl29驱动‘传动装置’ 118带动联动方阵中间转轴108转动,转轴108上的两个摇臂012摆动,带动联动杆009运动,联动杆009驱动剩余的所有摇臂012同步摆动,为此方阵内所有的转轴108同步转动,实现安装在联动方阵上所有光伏旋转模组189同步转动跟踪太阳。通过动力分配器112和安装在两侧的传动轴bl26将转动传递到又一动力分配器112 (图8、图9a),再传递到若干相同的联动方阵中的‘传动装置’ 118上,实现一台电机拖动若干联动方阵。此种驱动旋转模组189转动的联动结构方式简单可靠,一个联动方阵只采用一套‘传动装置’ 118,因此更加经济,适合在风荷载和雪荷载较小的地区使用。
[0017] 本发明的使用方法:
本发明中光伏旋转模组189为南北向安装,东西向转动跟踪太阳,要求光伏旋转模组189向阳的一端反光镜101凸出光伏组件102 (图3),凸出长度根据纬度计算,以保证反光镜101反射的太阳光能够完全覆盖光伏组件102,确保光伏组件102受光均匀。
[0018] 本发明中光伏旋转模组189上部安装有清洁工作导轨105(图3),当光伏组件102或反光镜101表面脏污而影响发电量时,将自动清洁装置安放在清洁工作导轨105上,自动清洁装置能够自动清洁反光镜101和光伏组件102表面。
[0019] 本发明采用模块化设计,光伏旋转模组189的大小可根据需要搭建和扩展,本发明提出的两种驱动光伏旋转模组189转动的联动结构方式都可以根据实际需要组合,图10示例为一台电机110拖动若干个联动方阵驱动光伏旋转模组189组成的阵列,整个阵列由一台电机110拖动,一套电控系统控制,所有光伏旋转模组189同步转动跟踪太阳,大大节约了电控成本和维护费用。
[0020] 本发明的结构能够承受光伏旋转模组189在外力作用下产生的轴向力,能够消除温度的变化引起的整体膨胀和收缩的产生的不利影响,因此本发明对安装场地的要求低,可以适用于平地和山坡安装,根据安装地点纬度,选择合适角度的向阳坡面安装本发明(图5 ),发电量提升效果将更加显著。
[0021] 本发明适合用来建设大型光伏电站,可在全球范围使用,能够更经济、高效的利用光伏组件和太阳能资源,本发明适用于平地和山坡安装,减少光伏电站土地占用面积,简单可靠、便于维护,推广和使用本发明能够进一步降低光伏发电成本。

Claims (9)

1.单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于若干个旋转支架103上的转轴108 首尾相连成一个整体,其上安装反光镜101、光伏组件102和清洁工作导轨105组成光伏旋转模组189 ;转轴108、一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置118、电机110、减速器 111、联轴器016、动力分配器112、固定支架al04、传动轴a022、传动轴b 126、传动轴c 129等组成第一种驱动光伏旋转模组189转动的联动结构方式;转轴108、固定支架bl06、固定支架c203、联动杆009、摇臂012、销轴015、传动轴b 126、传动轴c 129、动力分配器112、一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置118、联轴器016、电机110和减速器111等组成第二种驱动光伏旋转模组189转动的联动结构方式。
2.根据权利要求1所述的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于光伏旋转模组189为南北向安装,东西向转动跟踪太阳,保证太阳光线与反光镜101的对称面平行;光伏组件102两两对称安装在旋转支架103上为同一平面,反光镜101两两对称安装在旋转支架103上和光伏组件102成120°左右夹角,反光镜101和光伏组件102的宽度之比为1. 05〜1.1 ;光伏旋转模组189向阳一端的反光镜101凸出光伏组件102,凸出长度根据安装光伏旋转模组189地点的纬度计算,保证反光镜101反射的太阳光能够完全覆盖光伏组件 102。
3.根据权利要求1所述的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于主要传动装置使用一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置118。
4.根据权利要求1所述的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置118的转动输出端和转轴108刚性联接,限制转轴108 轴向运动,安装在固定支架al04上的轴承孔内的转轴108,可以转动和轴向滑动。
5.根据权利要求1所述的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于首尾相连的转轴108两侧对称安装摇臂012各一个为一个整体,安装在等间距排列的固定支架bl06和固定支架c203上,转轴108可以转动,一个固定支架c203限制转轴108轴向运动,同排其余的固定支架bl06和固定支架c203不限制转轴108的轴向运动;一种专用于单自由度太阳跟踪系统的传动装置118的转动输出端和转轴108刚性联接,限制转轴108的轴向运动, 同排的固定支架c203和固定支架bl06不限制转轴108的轴向运动。
6.根据权利要求1所述的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于光伏旋转模组189顶部安装有清洁工作导轨105,清洁工作导轨105上加工有等长的齿条,自动清洁装置安装在清洁工作导轨105上,能够自动清洁反光镜101和光伏组件102表面。
7.根据权利要求1、4、5所述的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于转轴 108能够承受双向轴向力,允许光伏旋转模组189倾斜安装在一定角度的向阳坡面上。
8.根据权利要求1所述的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于动力分配器 112内安装有齿数相同的齿轮轴al65和齿轮轴bl66,相交成90°角啮合。
9.根据权利要求1所述的单自由度阳光补偿型光伏跟踪系统,其特征在于电机110通过减速器111、传动轴a022、传动轴bl26、传动轴cl29、动力分配器112、联轴器016拖动多个联动方阵同步运转。
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