CN104639024A - 全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，包括固定底座、水平调节装置、垂直调节装置、太阳能光伏电池组件和控制器。水平调节装置包括电机、蜗轮蜗杆减速器、主动齿轮、从动齿轮；垂直调节装置包括底支座、三角形倾角调节机构、电磁锁闭开关和滑移驱动机构；太阳能光伏电池组件中设有光电传感器。本发明实现了太阳能电池板水平和垂直两个方向的转动和角度调节的程序控制，且在两个方向的运动能够实现自锁，能全天候、全自动跟踪太阳运动并能自适应地调节太阳能电池板的方向和倾角，提高了太阳能的利用率。本发明可应用于固定场所或移动装置上，具有结构简单紧凑、工作稳定可靠、操作维护便捷、安全性高等优点。

Description

全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置

技术领域

本发明涉及太阳能电池板的调节装置，特别涉及一种全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，属于太阳能发电工程技术领域。

背景技术

太阳能是世界各国应对能源危机发展的重要的新能源之一，太阳能光伏电池的转换效率主要由太阳能电池自身材料的转换的效率和太阳光的强度两个主要因素决定。太阳能光伏电池板如能始终保持与太阳光垂直，就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是，太阳相对于地球每时每刻都在运动着，生活在北半球的人们可以感受到太阳并非单纯地由低到高、再由高到低地运动，而是伴随着由东到南、由南到西运动(南半球由东到西、有北到西运动)，要想让太阳能光伏电池板的利用效率提高，就必须采取措施。香港大学的KPCheng和SCMHui教授研究了太阳光照射角度与太阳能接受率的关系，结果表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接受效率相差37.7％，高精度的跟踪太阳可使太阳能光伏电池板的利用率大大提高。

但现有的各类太阳能产品普遍存在的缺陷是电池板的位置是固定的，且太阳能电池板一般为平面方形，而太阳随着每天时间的变化对太阳能电池板的照射角度的变化将近180度；另外，随着季节的变化，太阳的运动轨迹也从北至南移动较大幅度，采用固定安装的方式在一天中很难采集到最强的太阳光，尤其对于运动设备如车载装置上的光伏发电系统，太阳光照角的变化对光伏系统的受光面积及光利用率的影响更为显著。而对太阳能电池板而言，阳光照射角度直接决定了太阳能量的吸收效率。太阳能电池板角度的偏差会直接影响太阳能的吸收转换效率，甚至可能影响光伏产品的使用效果、稳定性和可靠性。

在解决太阳能电池板的角度和方向调节方面，很多发明人节付出了诸多努力。申请号为200620102832.5的中国专利公开了一种应用于交通信号灯的可任意调节方向和角度的太阳能电池板，其调节器是由插球和套壳组成，即利用球副来简易地调节太阳能电池板的方向和角度。申请号为200620175297.6的中国专利公开了一种实时跟踪太阳能发电装置，其由包括一组蜗轮蜗杆机构在内的传动机构实现太阳能电池板的经度方向的角度调节和自锁，其缺点是需要在两平衡臂下设置配重砣，且其维度调节须由人工完成。公开号为CN 203466773的中国实用新型专利，公开了一种“可调倾角的太阳能光伏支架”，其采用固定倾角式运行方式，可随地面起伏调节支架檩条角度，从而调节电池板角度，但调节时需对多个螺栓调节，操作繁琐，且无法实现多角度调节。公开后为CN 202905739的中国实用新型专利，公开了一种“太阳能阵列倾角连续可调的调节装置”，其实现在35°～55°间调节角度，但因受结构本身的重力影响，调节阻力大，且角度调节范围有限。申请号为201320874913.7的中国专利公开了一种利用二维倾角传感器的太阳能跟踪支架，克服了公开号为CN102931253的中国专利的一些缺陷，但是其主梁和次梁的旋转无自锁保护装置。

此外，现有技术中，很少有太阳能电池板支架或调节机构具有负载检测与预防方面的设计。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能实现太阳能电池板绕水平轴和垂直轴的角度和方向的能全天候、全自动跟踪控制与调节，且在两个方向的运动能够实现自锁的太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，包括固定底座、安装在固定底座上的水平调节装置、垂直调节装置、太阳能光伏电池组件和安装在固定底座内部的控制器。

所述的固定底座包括用于将本发明固定在地面或移动设备上的底座安装法兰、斜支架和用于固定安装水平调节装置、垂直调节装置的安装平台，用于支撑安装平台的斜支架的数量不少于三个，且斜支架的底端与底座安装法兰固连，斜支架的顶端与安装平台固连。

所述的水平调节装置用于调节太阳能光伏电池组件绕垂直轴的转角，即调节水平转角。所述的水平调节装置包括电机、蜗轮蜗杆减速器、主动齿轮、从动齿轮。其中，所述的电机为水平调节装置提供动力，其输出端与蜗轮蜗杆减速器的输入端相连接；所述的主动齿轮安装在具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速器的输出轴上；从动齿轮安装在固定底座的安装平台上，且与安装平台之间通过止推轴承和径向轴承相连接；所述的主动齿轮与从动齿轮相啮合，主动齿轮驱动从动齿轮及安装在其上的垂直调节装置及太阳能光伏电池组件绕垂直轴转动。

所述的垂直调节装置包括底支座、三角形倾角调节机构、电磁锁闭开关和滑移驱动机构。其中，所述的底支座安装在固定底座的安装平台上，所述的三角形倾角调节机构的后端与底支座通过铰链相连接，三角形倾角调节机构的前端与底支座通过移动副相连接，所述的电磁锁闭开关安装在三角形倾角调节机构的底部前端。所述的滑移驱动机构的前端与三角形倾角调节机构通过铰链相连接，其后端与底支座通过铰链相连接。

所述的太阳能光伏电池组件包括电池固定框、太阳能电池和光电传感器，所述的电池固定框通过螺栓安装在三角形倾角调节机构的顶部，所述的太阳能电池和光电传感器安装在电池固定框内。

所述的底支座的前端设有前铰链座，在底支座的后端设有后铰链座，所述的底支座的中部通过螺钉与从动齿轮固连，且在所述的底支座与从动齿轮之间设有三维力传感器，用于测量来自太阳能光伏电池组件和垂直调节装置三维载荷。

所述的三角形倾角调节机构由限位齿条、Y型支撑架、调节连杆、止动销轴、滑块组、张紧弹簧、手动操作杆组成，所述的限位齿条的前端与底支座的前铰链座通过铰链相连接，其后端与底支座的后铰链座通过铰链相连接；所述的Y型支撑架的后端与限位齿条、底支座通过同轴铰链相连接，Y型支撑架的中部与调节连杆的后端通过铰链相连接，且在Y型支撑架的顶部设有安装电池固定框的支撑座；所述的滑块组套接在限位齿条上，包括两个对称布置的U型滑块和中连板，在所述的U型滑块上设有弧形导向槽；所述的调节连杆的前端置于滑块组的U型滑块内，且与止动销轴通过转动副相连接；所述的止动销轴的两端置于U型滑块上的弧形导向槽内，两根张紧弹簧的下端分别勾挂在两个U型滑块底部的挂钉上，其上端勾挂在止动销轴的两端；所述的手动操作杆包括操作手柄、连接杆和撬钩，所述的两个撬钩对称固连在连接杆的两端，所述的撬钩的末端置于U型滑块内且位于止动销轴的下方，所述的操作手柄位于连接杆的中部外侧，且与连接杆固连。

所述的电磁锁闭开关用于驱动止动销轴的两端卡入或脱开限位齿条的限位齿槽，包括前移电磁铁、后移电磁铁、前吸板、后吸板、前吸板限位器、后吸板限位器，所述的前移电磁铁、后移电磁铁的数量均为二，且对称布置安装在滑块组的中连板上；所述的前吸板、后吸板、前吸板限位器和后吸板限位器套在止动销轴上，前吸板限位器安装在前吸板的背部，后吸板限位器安装在后吸板的背部，所述的前吸板限位器和后吸板限位器分别用于限定前吸板、后吸板的摆角，且均通过锁紧螺钉固定在止动销轴上。

所述的滑移驱动机构由前连接耳座、电动推杆和后连接耳座组成，所述的滑移驱动机构的前连接耳座安装在滑块组的中连板上，后连接耳座安装在底支座的后端，所述的电动推杆的前后两端分别与前连接耳座、后连接耳座通过铰链相连接；所述的电动推杆可由气缸、液压缸或其它直线往复运动机构替换。

使用时，先根据使用地区的日照规律设定系统控制软件的基本参数，设定固定底座和垂直调节装置的安全载荷值。实际启用时，需要核对标准时间并将系统初始化。控制器根据太阳能光伏电池组件中的光电传感器所采集到的参数确定增大还是减小电池固定框的倾角以及绕垂直轴转角的大小。调节水平转角较为简单，只需使电机、蜗轮蜗杆减速器驱动主动齿轮转动，进而驱动从动齿轮反向转动一定角度即可。当需要增大电池固定框的倾角时，启动电磁锁闭开关中的前移电磁铁，通过吸附前吸板驱动止动销轴沿着U型滑块上的弧形导向槽向前滑移，使止动销轴的两端从限位齿条的齿槽内脱开，然后启动滑移驱动机构，驱动U型滑块沿着限位齿条向后滑移到设定位置，U型滑块驱动调节连杆的前端同步向后滑移，Y型支撑架的倾角在调节连杆后移的过程中不断增加直至设定值，最后启动电磁锁闭开关中的后移电磁铁，通过吸附后吸板驱动止动销轴沿着U型滑块上的弧形导向槽向后滑移，使止动销轴的两端卡入限位齿条的齿槽内，进而实现机械闭锁功能。当需要减小电池固定框的倾角时，按上述增加倾角的步骤反向移动U型滑块沿着限位齿条向后滑移到设定位置即可，电磁锁闭开关的操作方式完全相同。

本发明中的手动操作杆仅在电磁锁闭开关失效或系统断电时，需要人工调节倾角时才使用。使用时，用力按下操作手柄，利用置于止动销轴的下方的撬钩撬动止动销轴，并使止动销轴沿着U型滑块上的弧形导向槽向前滑移，使止动销轴的两端从限位齿条的齿槽内脱开。安装在底支座与从动齿轮之间的三维力传感器用于实时测量来自太阳能光伏电池组件和垂直调节装置的三维载荷，并将测量数据传输给控制器，当遭遇暴风等过载情况时，系统执行减小电池固定框的倾角以及绕垂直轴的转动的指令，以保护本发明的硬件设施。

本发明各电磁铁的闭合、电动推杆的伸缩以及电机的转动均由单片机或PLC及电机驱动器等构成的控制电路，根据光电传感器实时采集到的信号传输到由数据采集卡和运动控制卡组成的控制系统。通过系统事先设计好的执行程序软件，实现其程序自动控制，软件程序的设计根据本发明所使用地区的每个季节和每天的日照规律作为变量参数编程而来。本发明实现了太阳能电池板水平和垂直两个方向的转动和角度调节的程序控制，能全天候、全自动跟踪太阳运动并能自适应地调节太阳能电池板的方向和倾角，从而提高了太阳能的利用率。

本发明的有益效果是，与现有的技术相比，本发明不仅能实现太阳能电池板绕水平轴和垂直轴的角度和方向调节，在两个方向的运动能够实现自锁，可应用于固定场所或移动装置上的太阳能电池板的调节，具有结构简单紧凑、工作稳定可靠、操作维护便捷、安全性高等优点。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的垂直调节装置的结构示意图；

图3为本发明的滑移驱动机构与底支座、电磁锁闭开关之间的连接关系图；

图4为本发明的底支座的结构示意图；

图5为本发明的手动操作杆的结构示意图；

图6为本发明的电磁锁闭开关的结构示意图；

图7为本发明在电池固定框小倾角时的工作状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

如图1和图7所示，一种全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，包括固定底座1、安装在固定底座上的水平调节装置2、垂直调节装置3、太阳能光伏电池组件4和安装在固定底座1内部的控制器5。

如图1和图7所示，所述的固定底座1包括用于将本发明固定在地面或移动设备上的底座安装法兰11、斜支架12和用于固定安装水平调节装置2、垂直调节装置3的安装平台13，用于支撑安装平台13的斜支架12的数量不少于三个，且斜支架12的底端与底座安装法兰11固连，斜支架12的顶端与安装平台13固连。

如图1和图7所示，所述的水平调节装置2用于调节太阳能光伏电池组件4绕垂直轴的转角，即调节水平转角。所述的水平调节装置2包括电机21、蜗轮蜗杆减速器22、主动齿轮23、从动齿轮24。其中，所述的电机为水平调节装置2提供动力，其输出端与蜗轮蜗杆减速器22的输入端相连接；所述的主动齿轮23安装在蜗轮蜗杆减速器22的输出轴上；从动齿轮24安装在固定底座1的安装平台13上，且与安装平台13之间通过止推轴承和径向轴承相连接；所述的主动齿轮23与从动齿轮24相啮合，主动齿轮23驱动从动齿轮24及安装在其上的垂直调节装置3及太阳能光伏电池组件4绕垂直轴转动。

如图1、图2、图3和图7所示，所述的垂直调节装置3包括底支座31、三角形倾角调节机构32、电磁锁闭开关33和滑移驱动机构34。其中，所述的底支座31安装在固定底座1的安装平台13上，所述的三角形倾角调节机构32的后端与底支座31通过铰链相连接，三角形倾角调节机构32的前端与底支座31通过移动副相连接，所述的电磁锁闭开关33安装在三角形倾角调节机构32的底部前端。所述的滑移驱动机构34的前端与三角形倾角调节机构32通过铰链相连接，其后端与底支座31通过铰链相连接。

如图1和图7所示，所述的太阳能光伏电池组件4包括电池固定框41、太阳能电池42和光电传感器43，所述的电池固定框41通过螺栓安装在三角形倾角调节机构32的顶部，所述的太阳能电池42和光电传感器43安装在电池固定框1内。

如图1、图2、图3、图4和图7所示，所述的底支座31的前端设有前铰链座311，在底支座31的后端设有后铰链座312，所述的底支座31的中部通过螺钉与从动齿轮24固连，且在所述的底支座31与从动齿轮24之间设有三维力传感器6。

如图1、图2、图3、图5和图6所示，所述的三角形倾角调节机构32由限位齿条321、Y型支撑架322、调节连杆323、止动销轴324、滑块组325、张紧弹簧326、手动操作杆328组成，所述的限位齿条321的前端与底支座31的前铰链座311通过铰链相连接，其后端与底支座31的后铰链座312通过铰链相连接；所述的Y型支撑架322的后端与限位齿条321、底支座31通过同轴铰链相连接，Y型支撑架322的中部与调节连杆323的后端通过铰链相连接，且在Y型支撑架322的顶部设有安装电池固定框41的支撑座3221；所述的滑块组325套接在限位齿条321上，包括两个对称布置的U型滑块3251和中连板3252，在所述的U型滑块3251上设有弧形导向槽；所述的调节连杆323的前端置于滑块组325的U型滑块3251内，且与止动销轴324通过转动副相连接；所述的止动销轴324的两端置于U型滑块3251上的弧形导向槽内，两根张紧弹簧326的下端分别勾挂在两个U型滑块3251底部的挂钉3253上，其上端勾挂在止动销轴324的两端；所述的手动操作杆328包括操作手柄3281、连接杆3282和撬钩3283，所述的两个撬钩3283对称固连在连接杆3282的两端，所述的撬钩3283的末端置于U型滑块3251内且位于止动销轴324的下方，所述的操作手柄3281位于连接杆3282的中部外侧，且与连接杆3282固连。

如图2、图3和图6所示，所述的电磁锁闭开关33包括前移电磁铁331、后移电磁铁332、前吸板333、后吸板334、前吸板限位器335、后吸板限位器336，所述的前移电磁铁331、后移电磁铁332的数量均为二，且对称布置安装在滑块组325的中连板3252上；所述的前吸板333、后吸板334、前吸板限位器335和后吸板限位器336套在止动销轴324上，前吸板限位器335安装在前吸板333的背部，后吸板限位器336安装在后吸板334的背部，所述的前吸板限位器335和后吸板限位器336通过锁紧螺钉固定在止动销轴324上。

如图1、图2、图3、图6和图7所示，所述的滑移驱动机构34由前连接耳座341、电动推杆342和后连接耳座343组成，所述的滑移驱动机构34的前连接耳座341安装在滑块组325的中连板3252上，后连接耳座343安装在底支座31的后端，所述的电动推杆342的前后两端分别与前连接耳座341、后连接耳座343通过铰链相连接。

实际启用时，需要核对标准时间并将系统初始化。控制器5根据太阳能光伏电池组件4中的光电传感器43所采集到的参数确定增大还是减小电池固定框41的倾角以及绕垂直轴转角的大小。调节水平转角较为简单，只需使电机21、蜗轮蜗杆减速器22驱动主动齿轮23转动，进而驱动从动齿轮24反向转动一定角度即可。当需要增大电池固定框41的倾角时，启动电磁锁闭开关33中的前移电磁铁331，通过吸附前吸板333驱动止动销轴324沿着U型滑块3251上的弧形导向槽向前滑移，使止动销轴324的两端从限位齿条321的齿槽内脱开，然后启动滑移驱动机构34，驱动U型滑块3251沿着限位齿条321向后滑移到设定位置，最后启动电磁锁闭开关33中的后移电磁铁332，通过吸附后吸板334驱动止动销轴324沿着U型滑块3251上的弧形导向槽向后滑移，使止动销轴324的两端卡入限位齿条321的齿槽内，进而实现机械闭锁功能。当需要减小电池固定框41的倾角时，按上述增加倾角的步骤反向移动U型滑块3251沿着限位齿条321向后滑移到设定位置即可，电磁锁闭开关33的操作方式完全相同。

本发明中的手动操作杆328仅在电磁锁闭开关33失效或系统断电时，需要人工调节倾角时才使用。使用时，用力按下操作手柄3281，利用置于止动销轴324的下方的撬钩3283撬动止动销轴324，并使止动销轴324沿着U型滑块3251上的弧形导向槽向前滑移，使止动销轴324的两端从限位齿条321的齿槽内脱开。三维力传感器6用于实时测量来自太阳能光伏电池组件4和垂直调节装置3的三维载荷，并将测量数据传输给控制器5，当遭遇暴风等过载情况时，系统执行减小电池固定框41的倾角以及绕垂直轴的转动的指令，以保护本发明的硬件设施。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，其特征在于：包括固定底座、安装在固定底座上的水平调节装置、垂直调节装置、太阳能光伏电池组件和安装在固定底座内部的控制器；

所述的固定底座包括底座安装法兰、斜支架和安装平台，所述的斜支架不少于三个，且斜支架的底端与底座安装法兰固连，斜支架的顶端与安装平台固连；

所述的水平调节装置包括电机、蜗轮蜗杆减速器、主动齿轮、从动齿轮，所述的电机的输出端与蜗轮蜗杆减速器的输入端相连接，所述的主动齿轮安装在蜗轮蜗杆减速器的输出轴上，从动齿轮安装在固定底座的安装平台上，且与安装平台之间通过止推轴承和径向轴承相连接，所述的主动齿轮与从动齿轮相啮合；

所述的垂直调节装置包括底支座、三角形倾角调节机构、电磁锁闭开关和滑移驱动机构，所述的底支座安装在固定底座的安装平台上，所述的三角形倾角调节机构的后端与底支座通过铰链相连接，三角形倾角调节机构的前端与底支座通过移动副相连接；所述的电磁锁闭开关安装在三角形倾角调节机构的底部前端；

所述的太阳能光伏电池组件包括电池固定框、太阳能电池和光电传感器，所述的电池固定框通过螺栓安装在三角形倾角调节机构的顶部，所述的太阳能电池和光电传感器安装在电池固定框内。

2.根据权利要求1所述的全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，其特征在于：所述的底支座的前端设有前铰链座，在底支座的后端设有后铰链座，所述的底支座的中部通过螺钉与从动齿轮固连，且在所述的底支座与从动齿轮之间设有三维力传感器。

3.根据权利要求1所述的全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，其特征在于：所述的三角形倾角调节机构由限位齿条、Y型支撑架、调节连杆、止动销轴、滑块组、张紧弹簧、手动操作杆组成，所述的限位齿条的前端与底支座的前铰链座通过铰链相连接，其后端与底支座的后铰链座通过铰链相连接；所述的Y型支撑架的后端与限位齿条、底支座通过同轴铰链相连接，Y型支撑架的中部与调节连杆的后端通过铰链相连接，且在Y型支撑架的顶部设有安装电池固定框的支撑座；所述的滑块组套接在限位齿条上，包括两个对称布置的U型滑块和中连板，在所述的U型滑块上设有弧形导向槽；所述的调节连杆的前端置于滑块组的U型滑块内，且与止动销轴通过转动副相连接；所述的止动销轴的两端置于U型滑块上的弧形导向槽内，两根张紧弹簧的下端分别勾挂在两个U型滑块的底部的挂钉上，其上端勾挂在止动销轴的两端；所述的手动操作杆包括操作手柄、连接杆和撬钩，所述的两个撬钩对称固连在连接杆的两端，所述的撬钩的末端置于U型滑块内且位于止动销轴的下方，所述的操作手柄位于连接杆的中部外侧，且与连接杆固连。

4.根据权利要求1所述的全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，其特征在于：所述的电磁锁闭开关包括前移电磁铁、后移电磁铁、前吸板、后吸板、前吸板限位器、后吸板限位器，所述的前移电磁铁、后移电磁铁的数量均为二，且对称布置安装在滑块组的中连板上；所述的前吸板、后吸板、前吸板限位器和后吸板限位器套在止动销轴上，前吸板限位器安装在前吸板的背部，后吸板限位器安装在后吸板的背部，所述的前吸板限位器和后吸板限位器通过锁紧螺钉固定在止动销轴上。

5.根据权利要求1所述的全天候太阳能光伏电池板跟踪及角度调节装置，其特征在于：所述的滑移驱动机构由前连接耳座、电动推杆和后连接耳座组成，所述的滑移驱动机构的前连接耳座安装在滑块组的中连板上，后连接耳座安装在底支座的后端，所述的电动推杆的前后两端分别与前连接耳座、后连接耳座通过铰链相连接。