CN105116919A - 一种太阳能电池板阳光自动跟踪系统 - Google Patents

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李雪梅
廖新拢
钟元鑫
陈冠明
吴林礼
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Abstract

本发明为一种太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其中心处理器连接时钟模块，有根据当前时间和本系统地理方位控制太阳能电池板姿态的程序，其输出信号接入高度角与方位角跟踪驱动电机。二电机分别经上、下减速传动机构连接驱动高度角旋转轴和方位角旋转轴。高度角旋转轴安装于方位角旋转轴上，太阳能电池板支撑架固定于高度角旋转轴。支撑架底面安装气弹簧以稳定支撑抗风。传动机构的上下蜗杆轴为自锁蜗杆。太阳能电池板有含除尘辊的除尘装置，重力使除尘辊在电池板上滚动除尘。本系统还配有防雷装置。各部件有防锈处理层。本发明无需传感器，根据太阳方位使电池板始终正对阳光入射方向，提高发电效率，跟踪精度高，结构简单且造价低。

Description

一种太阳能电池板阳光自动跟踪系统
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，具体为一种太阳能电池板阳光自动跟踪系统。
背景技术
随着全球不可再生资源的迅速消耗，太阳能资源的利用备受关注，太阳能光伏发电装置是太阳能资源利用的重要方式，发展前景非常广阔。
现在市面上太阳能板发电装置的太阳能电池板多是位置固定、角度固定安装的，所以其接受太阳光的角度也是固定的。然而，由于地球本身的自转及公转，太阳光线对于太阳能电池板的入射角随纬度、季节及每天的时间变化而有所不同。固定角度的太阳能电池板无法跟踪变化的太阳光线，即无法充分利用太阳能及其光电转换效益。因此，固定的太阳能电池板发电效率低、成本高。研究表明，太阳能电池板跟踪太阳光线运动与否，太阳能量的利用率相差30％以上。
当太阳能电池板始终保持与入射的阳光垂直，就可在有限的使用面积内利用更多的太阳能。因此自动跟踪太阳光线装置是提高其太阳能的利用率的首选方案。目前研制可跟踪太阳的太阳能电池板，是当前太阳能发电领域的重要课题。
已有的定时追日方法主要有检测阳光智能判定跟踪方法，它通过采用光敏器件来感知太阳光的位置，虽然设计容易，但由于阳光的散射，光敏器件对太阳光角度的偏离并不敏感；复杂天气时会引起判断失误，灰尘的遮盖也使光敏元件感光能力减弱；同时室外恶劣的环境也对光敏器件的准确度和寿命有很大的影响，最终影响跟踪效果。同时，这种追日装置造价太高，不利于推广。
另外，多变的气候及环境条件，如雨雪冰霜及灰尘，也都影响太阳能电池板的发电效率。
发明内容
本发明的目的为一种太阳能电池板阳光自动跟踪系统，为双轴跟踪系统，水平的高度角旋转轴安装于竖直的方位角旋转轴顶端，太阳能电池板安装于高度角旋转轴上，高度角跟踪驱动电机和方位角跟踪驱动电机分别连接驱动二轴。二电机则受中心处理器控制信号的控制。中心处理器根据本设备位置及当前时间，得到当前太阳的方位，通过中心处理器预先存储的控制程序控制调整太阳能电池板的姿态，使太阳能电池板始终跟踪太阳的运动轨迹，即太阳能电池板的法线始终与太阳光入射方向一致，太阳能电池板实时跟踪太阳的运动，保持阳光垂直入射，显著提高了太阳能的利用效率。
本发明设计的一种太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其包括中心处理器、底座、水平的高度角旋转轴、竖直的方位角旋转轴及太阳能电池板，方位角旋转轴底端可旋转地安装于底座，高度角旋转轴可旋转地安装于方位角旋转轴顶端，太阳能电池板支撑架固定于高度角旋转轴。
中心处理器根据本系统所在的经纬度地理位置信息以及从时钟模块提取的当前时间，计算本系统所处位置的当前太阳的高度角γ和太阳方位角θ，得到当前太阳光线入射本系统太阳能电池板的角度，进而换算得到高度角跟踪驱动电机和方位角跟踪驱动电机对应的控制信号。实时调整太阳能电池板的姿态，使之跟踪太阳光线，保持其法线为阳光方向，太阳能电池板受到阳光的垂直照射，在有限的使用面积内利用更多的太阳能资源，提高发电效率。
中心处理器连接时钟模块，存储有根据当前时间和本系统地理方位控制太阳能电池板姿态的程序，中心处理器的输出分别接入高度角脉宽调制模块和方位角脉宽调制模块，高度角脉宽调制模块和方位角脉宽调制模块输出的驱动信号分别接入高度角跟踪驱动电机与方位角跟踪驱动电机，高度角跟踪驱动电机与方位角跟踪驱动电机分别经减速传动机构连接驱动高度角旋转轴和方位角旋转轴。
高度角跟踪驱动电机经上减速传动机构连接驱动高度角旋转轴。上减速传动机构包括高度角跟踪驱动电机的输出轴上固定的上小齿轮、上大齿轮、上蜗杆轴和高度角旋转轴上固定的上蜗轮。上小齿轮啮合减速增扭矩的上大齿轮，上大齿轮固定安装在上蜗杆轴上，上蜗杆轴与高度角旋转轴上固定的上蜗轮啮合，带动高度角旋转轴转动。
方位角跟踪驱动电机经下减速传动机构连接驱动方位角旋转轴。下减速传动机构包括方位角跟踪驱动电机的输出轴上固定的下小齿轮、三级减速的齿轮组、下大齿轮、下蜗杆轴和方位角旋转轴上固定的下蜗轮。下小齿轮啮合三级减速齿轮组的初级齿轮，三级减速齿轮组的末级齿轮啮合下大齿轮，下大齿轮固定安装在下蜗杆轴上，下蜗杆轴与方位角旋转轴上固定的下蜗轮啮合，带动方位角旋转轴转动。
高度角跟踪驱动电机和上减速传动机构安装于上箱体内，上箱体固定于方位角旋转轴顶端。
方位角跟踪驱动电机和上减速传动机构安装于下箱体内，下箱体与底座固定连接。且下箱体上安装竖直的立柱护筒，方位角旋转轴穿过立柱护筒。
为提高本装置的承载能力和抗风能力，太阳能电池板支撑架底面与上箱体之间安装至少2套气弹簧，以加强对太阳能电池板支撑架的稳定支撑，使本系统有较强的抗风能力。
同时上蜗杆轴与下蜗杆轴均为导程角小于3°30′的自锁蜗杆。以保证蜗轮蜗杆在各个位置都可自锁，减少啮合处的相对滑动，以避免摩擦与磨损。
太阳能电池板长期露天工作，电池板表面易沾灰尘，导致太阳能电池板的表面光洁度下降，严重影响其功率。本系统配有除尘装置，其包括支座和除尘辊，太阳能电池板的左、右两侧边及中部各固定安装有相互平行的三个支座，每个支座上配有一个滚轮槽，滚轮槽的长度与太阳能电池板的长度相同，除尘辊两端和中部各安装有一个滚轮，滚轮与滚轮槽相配合，除尘辊的3个滚轮分别嵌于左、右两侧及中部的滚轮槽内，除尘辊的中心线与滚轮槽的中心线垂直，除尘辊的辊面与太阳能电池板的表面相接触。在重力作用下，除尘辊从太阳能电池板的上端滚落到下端，滚动过程中，电池板表面的灰尘被除尘辊吸附。所述滚轮槽上下端均有挡块，防止除尘辊滚落。
为了更好地采光，太阳能电池板一般安装在楼顶等高处,输出线引入室内，易受雷击。为了保证安全，太阳能产品和防雷措施至关重要。本系统安装含避雷针的外部防雷机构，提供雷电的泄放通道，使雷电不会直接击中太阳能电池板。同时在太阳能电池板和逆变器之间加装第一级防雷器，根据本系统逆变器最大空载电压确定第一级防雷器的防护等级；还可以在逆变器与配电柜之间和/或配电柜与负载设备之间加装第二级防雷器，以层层设防、逐级泄放。本系统配装有接地汇流排，太阳能电池板、逆变器、配电柜与负载设备均与接地汇流排连接，保证良好接地。
本系统需要长期露天工作，要的良好的耐候性，且能耐大气污染腐蚀。故本系统的上、下箱体，立柱护筒及支撑架表面均有防锈蚀保护层，如热镀锌层，以保证本系统使用寿命至少20年。
与现有技术相比，本发明一种太阳能电池板阳光自动跟踪系统的优点为：1、中心处理器不需通过传感器，而是根据太阳方位再通过双轴实时调整太阳能电池板的姿态，使其始终跟踪太阳的运动轨迹，正对着太阳光的入射方向，可得到当前最大的光照强度，提高太阳能电池板的单位面积的发电效率；2、根据设备位置和当前时间换算控制量，跟踪精度高，跟踪时间间隔小，结构简单且造价低；3、支撑板增加气弹簧，使太阳能电池板有较强的抗风能力；4、在重力作用下除尘辊上下滚动，有效去除太阳能电池板板面的灰尘，结构简单、无需动力，成本低廉、易于实施；5、配有防雷设施，保证本系统的使用安全；6、各部件均有防锈处理层，提高系统的耐候性，延长本系统的工作寿命。
附图说明
图1为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例整体外观正视示意图；
图2为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例整体外观正视示意图；
图3为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例高度角跟踪驱动电机、上减速传动机构及高度角旋转轴连接结构示意图；
图4为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例方位角跟踪驱动电机、下减速传动机构及方位角旋转轴连接结构示意图；
图5为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例太阳的方位角和高度角说明图；
图6为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例中心处理器电路连接示意图；
图7为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例整体结构示意图；
图8为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例除尘装置结构示意图；
图9为本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例防雷装置结构示意图。
图中标号为：
1、下箱体，11、方位角跟踪驱动电机，12、下小齿轮，13、下大齿轮，14、下蜗杆轴，15、下蜗轮，16、方位角旋转轴，17、三级减速齿轮组，18、立柱护筒，2、太阳能电池板，3、除尘装置，31、除尘辊，32、支座，33、滚轮槽，34、挡块，4、上箱体，41、高度角跟踪驱动电机，42、上小齿轮，43、上大齿轮，44、上蜗杆轴，45、上蜗轮，46、高度角旋转轴，5、支撑架，6、气弹簧。
具体实施方式
本太阳能电池板阳光自动跟踪系统实施例整体外观如图1和2所示，高度角跟踪驱动电机41、上减速传动机构及高度角旋转轴46连接结构如图3所示；方位角跟踪驱动电机11、下减速传动机构及方位角旋转轴16连接结构如图4所示。
方位角跟踪驱动电机11和上减速传动机构安装于下箱体1内，下箱体1与底座固定连接。下箱体1上安装竖直的立柱护筒18，方位角旋转轴16底端经轴承可旋转地安装于底座、穿过立柱护筒18。高度角旋转轴46经轴承可旋转地安装于方位角旋转轴16顶端。
太阳能电池板2支撑架5固定于高度角旋转轴46。
如图5所示，当前太阳光线与观测点O地平面的夹角为太阳的高度角γ，太阳光线在观测点O地面上的投影与观测点经线的夹角为太阳方位角θ。中心处理器根据本系统所处的地理位置(即观测点)以及当前的时间，计算当前本系统的太阳方位。中心处理器进而换算得到使本系统太阳能电池板与当前γ和θ相符合需要转动的角度，进而得到本系统高度角跟踪驱动电机和方位角跟踪驱动电机对应的控制信号。中心处理器根据当前时间，实时调整太阳能电池板的姿态，使之跟踪太阳光线，保持其法线为阳光方向。
中心处理器连接时钟模块，存储有根据当前时间和系统地理方位控制太阳能电池板姿态的程序，如图6所示，中心处理器的输出分别接入高度角脉宽调制模块和方位角脉宽调制模块，高度角脉宽调制模块和方位角脉宽调制模块输出的驱动信号分别接入高度角跟踪驱动电机41与方位角跟踪驱动电机11。
高度角跟踪驱动电机41经上减速传动机构连接驱动高度角旋转轴46。上减速传动机构包括高度角跟踪驱动电机41的输出轴上固定的上小齿轮42、上大齿轮43、上蜗杆轴44和高度角旋转轴46上固定的上蜗轮45。上小齿轮42啮合上大齿轮43，上大齿轮43固定安装在上蜗杆轴44上，上蜗杆轴44与高度角旋转轴46上固定的上蜗轮45啮合，带动高度角旋转轴46转动。本例高度角跟踪驱动电机41和上减速传动机构安装于上箱体4内，上箱体4固定于方位角旋转轴16顶端。
方位角跟踪驱动电机11经下减速传动机构连接驱动方位角旋转轴16。下减速传动机构包括方位角跟踪驱动电机11的输出轴上固定的下小齿轮12、三级减速的齿轮组17、下大齿轮13、下蜗杆轴14和方位角旋转轴16上固定的下蜗轮15。下小齿轮12啮合三级减速齿轮组17的初级齿轮，三级减速齿轮组17的末级齿轮啮合下大齿轮13，下大齿轮13固定安装于下蜗杆轴14上，下蜗杆轴14与方位角旋转轴16上固定的下蜗轮15啮合，带动方位角旋转轴16转动。
太阳能电池板支撑架5底面与上箱体4之间安装2套气弹簧6。
本例上蜗杆轴44与下蜗杆轴14均为导程角小于3°30′的自锁蜗杆。
如图1、7和8所示，本例配有除尘装置3，其包括支座32和除尘辊31，太阳能电池板2的左、右两侧边及中部各固定安装有相互平行的三个支座32，每个支座32上配有一个滚轮槽33，滚轮槽33的长度与太阳能电池板2的长度相同，除尘辊31两端和中部各安装有一个滚轮，滚轮与滚轮槽33相配合，除尘辊31的3个滚轮分别嵌于左、右两侧及中部的滚轮槽33内，除尘辊31的中心线与滚轮槽33的中心线垂直，除尘辊31的辊面与太阳能电池板2的表面相接触。所述滚轮槽33上下端均有挡块34，防止除尘辊31滚落。
如图9所示，本例系统安装含避雷针的外部防雷机构。同时在太阳能电池板2和逆变器之间加装第一级防雷器，根据本系统逆变器最大空载电压确定第一级防雷器的防护等级；还在逆变器与配电柜之间、以及配电柜与负载设备之间加装第二级防雷器，层层设防、逐级泄放。本系统配装有接地汇流排，太阳能电池板、逆变器、配电柜与负载设备均与接地汇流排连接，保证良好接地。
本例系统的上箱体4、下箱体1，立柱护筒18及支撑架6表面均有防锈蚀保护层，本例为热镀锌层。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池板阳光自动跟踪系统，包括中心处理器、底座、水平的高度角旋转轴、竖直的方位角旋转轴及太阳能电池板，其特征在于：
所述底座上可旋转地安装方位角旋转轴(16)，高度角旋转轴(46)可旋转地安装于方位角旋转轴(16)顶端，太阳能电池板(2)的支撑架(5)固定于高度角旋转轴(46)；中心处理器连接时钟模块，存储有根据当前时间和本系统地理方位控制太阳能电池板姿态的程序，中心处理器的输出分别接入高度角脉宽调制模块和方位角脉宽调制模块，高度角脉宽调制模块和方位角脉宽调制模块输出的驱动信号分别接入高度角跟踪驱动电机(41)与方位角跟踪驱动电机(11)，高度角跟踪驱动电机(41)与方位角跟踪驱动电机(11)分别经减速传动机构连接驱动高度角旋转轴(46)和方位角旋转轴(16)。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
所述高度角跟踪驱动电机(41)经上减速传动机构连接驱动高度角旋转轴(46)；上减速传动机构包括高度角跟踪驱动电机(41)的输出轴上固定的上小齿轮(42)、上大齿轮(43)、上蜗杆轴(44)和高度角旋转轴(46)上固定的上蜗轮(45)，上小齿轮(42)啮合减速增扭矩的上大齿轮(43)，上大齿轮(43)固定安装在上蜗杆轴(44)上，上蜗杆轴(44)与高度角旋转轴(46)上固定的上蜗轮(45)啮合；
所述方位角跟踪驱动电机(11)经下减速传动机构连接驱动方位角旋转轴(16)；下减速传动机构包括方位角跟踪驱动电机(11)的输出轴上固定的下小齿轮(12)、三级减速齿轮组(17)、下大齿轮(13)、下蜗杆轴(14)和方位角旋转轴(16)上固定的下蜗轮(15)；下小齿轮(12)啮合三级减速齿轮组(17)的初级齿轮，三级减速齿轮组(17)的末级齿轮啮合下大齿轮(13)，下大齿轮(13)固定安装在下蜗杆轴(14)上，下蜗杆轴(14)与方位角旋转轴(16)上固定的下蜗轮(15)啮合。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
所述高度角跟踪驱动电机(41)和上减速传动机构安装于上箱体(4)内，上箱体(4)固定于方位角旋转轴(16)顶端。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
所述方位角跟踪驱动电机(11)和上减速传动机构安装于下箱体(1)内，下箱体(1)与底座固定连接。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
所述下箱体(1)上安装竖直的立柱护筒(18)，方位角旋转轴(11)穿过立柱护筒(18)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
所述太阳能电池板(2)的支撑架(5)底面与上箱体(4)之间安装至少2套气弹簧(6)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
所述上蜗杆轴(44)与下蜗杆轴(14)均为导程角小于3°30′的自锁蜗杆。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
本系统配有除尘装置(3)，其包括支座(32)和除尘辊(31)，太阳能电池板(2)的左、右两侧边及中部各固定安装有相互平行的三个支座(32)，每个支座(32)上配有一个滚轮槽(33)，滚轮槽(33)的长度与太阳能电池板(2)的长度相同，除尘辊(31)两端和中部各安装有一个滚轮，滚轮与滚轮槽(33)相配合，除尘辊(31)的3个滚轮分别嵌于左、右两侧及中部的滚轮槽(33)内，除尘辊(31)的中心线与滚轮槽(33)的中心线垂直，除尘辊(31)的辊面与太阳能电池板(2)的表面相接触。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
本系统安装含有避雷针的外部防雷机构，在太阳能电池板和逆变器之间加装第一级防雷器；所述逆变器与配电柜之间和/或配电柜与负载设备之间加装第二级防雷器；
本系统配装有接地汇流排，太阳能电池板、逆变器、配电柜与负载设备均与接地汇流排连接。
10.根据权利要求5所述的太阳能电池板阳光自动跟踪系统，其特征在于：
本系统的上箱体(4)、下箱体(1)、立柱护筒(18)及支撑架(5)表面均有防锈蚀保护层。
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