CN105204530B - 一种利用太阳能获取能量的系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种利用太阳能获取能量的系统，包括：角度固定的至少一组固定式能量获取装置；以及至少一组运动式能量获取装置，设置在至少一组固定式能量获取装置后部。根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统能够大幅提升现有角度固定式利用太阳能获取能量的系统的装机容量和满发小时数，组件结构稳定可靠。

Description

一种利用太阳能获取能量的系统

技术领域

本发明涉及发电领域，更具体地涉及一种利用太阳能获取能量的系统。

背景技术

世界能源日趋枯竭，可再生能源的开发和利用前景广阔，全方位、高效率地利用太阳能是相关业内人士追求的目标。同时，随着各国光伏补贴政策的陆续出台，光伏发电进入了前所未有的快速发展期，但如何提高光伏发电效率、降低发电成本依然是一个长远的课题。为了使光伏发电系统得到最大功率输出，必须结合建设地点的地理、气候及太阳能资源条件，将太阳能电池以一定的朝向进行安装，以保证太阳能电池获取最多的光照资源。如果太阳能电池能够适合正对太阳，则其发电效率就会达到最佳状态，光伏跟踪系统是解决这一问题的有效手段。

目前，光伏跟踪主要包括三种方式：仰角调节、方位角调节、仰角和方位角同时调节。影响光伏跟踪系统大规模应用的一个重要因素是在跟踪太阳的过程中，往往跟踪角度越大，光伏跟踪系统的阴影长度就愈大，光伏跟踪系统之间的阴影就会互相遮挡，这严重影响了光伏跟踪系统的效率。国标规定光伏阵列之间的间隔要确保冬至日9点-15点前方阵列不对后方阵列造成阴影遮挡。因此，通常固定角度的光伏阵列之间为躲避阴影设置有6-8米宽的间隔，这种布置形式浪费了大量的土地，不能充分接收和转换光伏电场范围内的阳光辐射。

中国发明专利申请CN104679018A提出了一种单轴光伏跟踪装置。如图1所示，该单轴光伏跟踪装置包括电机和光伏板，电机的输出轴上设置有减速机，减速机通过轴承与跟踪转轴一端连接，跟踪转轴两端分别设置有带座轴承一和带座轴承二，跟踪转轴上位于轴承和带座轴承一之间设置光伏板固定安装支座一，跟踪转轴上位于带座轴承二上方还通过光伏板固定安装支座二和光伏板固定安装支座三分别设置连接杆一和连接杆二，光伏板固定安装支座一上端、连接杆一和连接杆二一端呈三角形且均与光伏板安装板的安装支杆连接，光伏板固定安装在光伏板安装板上。

中国发明专利申请CN104820442A提出了一种盘式光伏跟踪器。如图2所示，该盘式光伏跟踪器包括轨道外圈、轨道内圈、俯仰支撑架、太阳能电池板、俯仰驱动机构、周向驱动机构以及与轨道外圈配合的滑轨；俯仰支撑架与轨道外圈和轨道内圈连接形成一个整体框架结构，该整体框架形成固定部分和活动部分，太阳能电池板与整体框架的活动部分固定连接，俯仰驱动机构固定连接在整体框架的固定部分上并能带动活动部分实现俯仰运动；整体框架通过轨道外圈与固定在地面上的滑轨配合，通过周向驱动机构驱动整体框架带动太阳能电池板实现周向旋转。

中国实用新型专利申请CN204615736U提出了一种水平联动式单轴光伏跟踪器。如图3所示，该水平联动式单轴光伏跟踪器包括两个以上的单轴光伏跟踪器单元和链条；单轴光伏跟踪器单元包括底座、链轮、转轴和太阳能电池板；转轴的一端与底座活动连接，转轴的另一端固定连接太阳能电池板，链轮同轴固定连接在转轴的外圈周面上；两个以上的单轴光伏跟踪器单元在同一水平高度上沿水平方向等间距的固定在地面安装基础上，单轴光伏跟踪器单元之间通过链条和链轮配合实现同步传动，单轴光伏跟踪器单元由外部的驱动装置提供动力，控制器对驱动装置发出转动角度的控制指令。

中国实用新型专利申请CN204613760U提出了一种垂向联动式单轴光伏跟踪器。如图4所示，该垂向联动式单轴光伏跟踪器包括两个以上的单轴光伏跟踪器单元和链条，单轴光伏跟踪器单元包括底座、链轮、链轮支架、大伞齿轮、小伞齿轮、转轴和太阳能电池板；转轴的两端分别连接底座和太阳能电池板，大伞齿轮同轴固定连接在转轴上，链轮上还固定连接小伞齿轮，小伞齿轮与转轴上的大伞齿轮相啮合；多个单轴光伏跟踪器单元沿纵向等间距的固定在地面安装基础上，单轴光伏跟踪器单元之间通过链条和链轮配合实现同步传动并由外部的驱动装置提供动力，控制器对驱动装置发出转动角度的控制指令。

以上提到的技术方案存在如下问题：1)多组光伏组件之间的距离大大增加，单轴调整式光伏组件约比角度固定式光伏组件占地增加35％，双轴调整式光伏组件约比角度固定式光伏组件占地增加50％。2)光伏发电系统中活动部件占比高，驱动机构负荷大、结构稳定性差，并且调整装置占总投资比例高。

发明内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种利用太阳能获取能量的系统。

根据本发明实施例的一种利用太阳能获取能量的系统，包括：角度固定的至少一组固定式能量获取装置；以及至少一组运动式能量获取装置，设置在至少一组固定式能量获取装置后部。其中，至少一组运动式能量获取装置可以抵近至少一组固定式能量获取装置独立设置，也可以与至少一组固定式能量获取装置整体设置。

在根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统中，至少一组运动式能量获取装置直线运动、或者其一端绕另一端旋转运动。

在根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统中，当至少一组运动式能量获取装置的一端绕另一端旋转运动时，该至少一组运动式能量获取装置的旋转轴线位于其自身前端。

在根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统中，至少一组运动式能量获取装置的角度调整的高度满足以下条件：在选定时刻的太阳高度角条件下，至少一组运动式能量获取装置的阴影不遮挡或在可控范围内遮挡后方的固定式能量获取装置。

在根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统中，至少一组运动式能量获取装置设置有运动驱动机构，其中，该运动驱动机构所需的电源由至少一组固定式能量获取装置提供、或由外部电源提供，并且该运动驱动机构根据该利用太阳能获取能量的系统自身测得的辐照信息、或者通过有线和/或无线方式从外部获取的辐照信息来调整至少一组运动式能量获取装置的旋转角度。

在本发明中提出的利用太阳能获取能量的系统中，在无太阳能获取的时间里可将运动式能量获取装置放至最低处，减少风阻，运动中并可清除运动式能量获取装置的辐照接收表面的灰尘，提高第二天的发电量。

根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统能够大幅提升现有角度固定的利用太阳能获取能量的系统的装机容量并不增加占地面积和满发小时数，组件结构稳定可靠。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

图1是现有的单轴光伏跟踪装置的结构示意图；

图2是现有的盘式光伏跟踪器的结构示意图；

图3是现有的水平联动式单轴光伏跟踪器的结构示意图；

图4是现有的垂向联动式单轴光伏跟踪器的结构示意图；

图5a-5c是根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统的结构示意图；

图6和图7是根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统的应用示例示意图；

图8是根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统的另一结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

鉴于以上所述的技术方案中存在的一个或多个问题，本发明提出了一种新颖的利用太阳能获取能量的系统。图5示出了根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统的结构示意图。如图5所示，该利用太阳能获取能量的系统包括角度固定的固定式能量获取装置101-1和运动式能量获取装置102。在本实施例中，运动式能量获取装置102与固定式能量获取装置101-1为整体设置，以简化结构、节省材料、降低成本。其中，运动式能量获取装置102设置在固定式能量获取装置101-1的后部，当运动式能量获取装置102进行旋转运动时，其旋转轴线与固定式能量获取装置101-1的顶部高度相同；推动角度可调整的运动式能量获取装置102运动的运动驱动机构的供电来自于外部电源，以确保在固定式能量获取装置101-1的发电量不足时仍可调节运动式能量获取装置102的角度位置(当然，也可以来自固定式能量获取装置101-1)。

针对一天中阳光高度角的变化，通过在给定角度的固定式能量获取装置101-1后部设置运动式能量获取装置102，并且利用辐照跟踪技术实时调整运动式能量获取装置102的角度，可提高利用太阳能获取能量的系统对投射在其上的光照资源的利用效率。具体地，当产生旋转运动时，运动式能量获取装置102靠近固定式能量获取装置101-1的这一端设置有铰接点(即，旋转支点)，并可绕此铰接点旋转。可以通过利用常规的辐照跟踪技术调整运动式能量获取装置102的角度来增加利用太阳能获取能量的系统接收阳光辐照的辐照接收面积，并通过角度调整来提高有效的辐照接收面积，从而大幅度提高给定场地内利用太阳能获取能量的系统的满发小时数。

这里，对于运动式能量获取装置102的角度调整策略为：在当前时刻的太阳高度角条件下，运动式能量获取装置102的阴影不遮挡后方的固定式能量获取装置101-2，或在可控范围内部分遮挡后方的固定式能量获取装置101-2。这种调整策略的实质是舍弃早晚时段倾斜角度极大、被大气层折射严重的低品质阳光辐照时段，针对太阳高度较高、辐照度优良的时段，增加实际接收阳光辐射的利用太阳能获取能量的系统的光照面积，从而实现对阳光辐照强烈时段能量的充分接收。

如图5a所示，当早晨和下午太阳高度较低时，正常角度的固定式能量获取装置101-1接收阳光辐照并利用太阳能获取能量(例如，发电)，此时运动式能量获取装置102处于收起位置，不对其后方的固定式能量获取装置101-2造成遮挡；当太阳高度角超过正常角度的固定式能量获取装置101-1顶部与固定式能量获取装置101-2底部之间的连线与地面之间的夹角时，运动式能量获取装置102转动至工作位置。图5中b所示为夏秋季节太阳高度角比较高的月份，正常角度的固定式能量获取装置101-1、101-2和运动式能量获取装置102均有效接收阳光辐照，并且运动式能量获取装置102的接收效果要优于正常角度的固定式能量获取装置101-1、101-2。图5中c所示为春冬季节太阳高度角比较低的月份，运动式能量获取装置102也表现出良好的接收效果。

本领域技术人员应该明白的是，根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统可以包括两组或者更多组固定式能量获取装置、以及与它们配合放置的运动式能量获取装置(它们之间的位置关系如图5中所示)，因此本发明的范围并不限于图5中所示的情形。另外，本领域技术人员应该明白的是，运动式能量获取装置102也可以抵近固定式能量获取装置101-1独立设置，并且相对于固定式能量获取装置101-1直线运动或旋转运动。

下面，举例说明根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统。图6和图7示出了根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统的应用示例。这里，以角度固定的光伏电场常用的300瓦的光伏组件为对象，进行增发改造(即，在该示例中，固定式能量获取装置为角度固定式光伏组件，运动式能量获取装置为角度可调式光伏组件，利用太阳能获取能量的系统为光伏发电系统)。如图6和图7所示，在角度固定式光伏组件支架的后方立柱上，通过铰接方式固定一套推杆电机，推杆电机的顶部铰接有长度很短的万向节，以适应转动时部件之间角度的变化。推杆电机、万向节、角度可调式光伏组件桁架及角度固定式光伏组件支架后立柱等部件构成了一个三连杆机构，通过控制推杆电机推杆的伸缩，可调整角度可调式光伏组件进行角度变化。

由于根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统采用的角度调整策略是最大化利用高度角较大的阳光辐照资源，因此推杆电机的供电可直接从角度固定式光伏组件获取，因而可以大大简化系统布线，也有利于降低系统造价。图6示出了根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统的应用示例中角度可调式光伏组件处于避光位置的状态。

当太阳高度角超过前一排角度固定式光伏组件(例如，101-1)顶部与后一排角度固定式光伏组件(例如，101-2)底部之间的连线与地面之间的夹角后，控制系统(图中未示出)驱动推杆电机进行动作，将角度可调式光伏组件(例如，102)逐步推高，并确保在该时刻太阳高度角条件下角度可调式光伏组件的阴影不遮挡后一排角度固定式光伏组件。图7示出了根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统的应用示例中角度可调式光伏组件处于工作位置的状态。另外，结合图5a-5c，从图6中可以看出，角度可调式光伏组件处于避光位置时还可以起到反射阳光的有益效果，有利于后一排角度固定式光伏组件的增发。

除此之外，角度固定式光伏组件可为聚光形式的太阳能电池板，角度可调式光伏组件可通过反射的方式获取太阳能，进而将获取的太阳能反射到前方设置的角度固定式光伏组件上，进一步增加角度固定式光伏组件接收到的太阳能量值。图8示出了采取反射结构的光伏发电系统的结构示意图。如图8所示，角度可调式光伏组件102将太阳能反射到角度固定式光伏组件101-1或101-2上，进一步增加了角度固定式光伏组件接收到的太阳能量值。

另外，本领域技术人员应该明白的是，这里所说的固定式或运动式能量获取装置可以通过以下方式中的一种或多种方式利用太阳能获取能量：直接接收、聚光接收、反射接收、或者它们的任意组合。并且，这里所说的固定式或运动式能量获取装置可以是光伏组件、光热组件、光反射组件、或者它们的任意组合。

根据本发明实施例的利用太阳能获取能量的系统可以大大提高系统装机容量和有效发电小时数，土地利用率高；并且角度固定式与运动式能量获取装置的组合使得调整机构工作负荷小，成本低。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (12)

1.一种利用太阳能获取能量的系统，包括：

角度固定的至少两组固定式能量获取装置，前后分排设置；以及

至少两组运动式能量获取装置，且所述固定式能量获取装置和所述运动式能量获取装置一一对应设置，所述运动式能量获取装置分别设置在每一组所述固定式能量获取装置后部；

其中，当太阳高度角超过前一排所述固定式能量获取装置顶部与后一排所述固定式能量获取装置底部之间的连线与地面的夹角后，控制所述运动式能量获取装置升高，并确保在此时刻太阳高度条件下所述运动式能量获取装置的阴影不遮挡后一排所述固定式能量获取装置。

2.如权利要求1所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述至少两组运动式能量获取装置抵近所述至少两组固定式能量获取装置独立设置，或者与所述至少两组固定式能量获取装置整体设置。

3.如权利要求1所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述至少两组运动式能量获取装置直线运动、或者其一端绕另一端旋转运动。

4.如权利要求1所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，当所述至少两组运动式能量获取装置的一端绕另一端旋转运动时，所述至少两组运动式能量获取装置的旋转轴线位于其自身前端。

5.如权利要求4所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述至少两组运动式能量获取装置上设置有运动驱动机构。

6.如权利要求5所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述运动驱动机构所需的电能由所述至少两组固定式能量获取装置、或者由外部电源提供。

7.如权利要求5所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述运动驱动机构根据所述利用太阳能获取能量的系统自身测得的辐照信息、或者通过有线和/或无线方式从外部获取的光照信息来调整所述至少两组运动式能量获取装置的旋转角度。

8.如权利要求1所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述至少两组固定式或运动式能量获取装置利用太阳能获取能量的原理是光伏原理、光热原理、光反射原理、或者它们的任意组合。

9.如权利要求1所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述至少两组固定式或运动式能量获取装置利用太阳能获取能量的方式是直接接收、聚光接收、反射接收、或者它们的任意组合。

10.如权利要求1所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述至少两组固定式或运动式能量获取装置被设置在地面上、或者能够转动的设备上。

11.如权利要求8所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，当所述至少两组运动式能量获取装置利用太阳能获取能量的原理是光反射原理时，所述光反射原理是通过至少一次反射结构实现的。

12.如权利要求11所述的利用太阳能获取能量的系统，其特征在于，所述至少一次反射结构为所述至少两组运动式能量获取装置的旋转运动、直线运动、或者它们二者的结合实现的。