CN106130459B - 一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架 - Google Patents

一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架,包括:立柱(1)、旋转动力装置(2)、仰角斜轴(3)、固定架(4)、固定架动力装置(6)和旋转控制单元;所述的旋转控制单元连接旋转动力装置(2)和固定架动力装置(6),该旋转控制单元通过设定的太阳运行轨迹控制旋转动力装置(2)和固定架动力装置(6)分别执行仰角斜轴(3)的仰角转动和固定架的方位角转动,使得太阳光线保持垂直入射在太阳能电池板(7)上。本发明的光伏支架利用设定的太阳运动轨迹,使得太阳能电池板通过仰角斜轴的仰角旋转和固定架的方位角旋转,实现对太阳不同仰角和方位角运行轨迹的跟踪,提高了太阳辐射量。

Description

一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架
技术领域
本发明涉及新能源太阳能光伏发电领域,具体涉及一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架。
背景技术
对于固定在地面的太阳能光伏发电装置,太阳的光照角度时刻都在变化,在太阳能发电领域,太阳直射光线与面板法线之间的夹角称为入射角,如图1所示,如果太阳能电池板能够时刻正对太阳,即始终保持光线最佳入射角,那么可大量提高太阳辐射量,增大光电转换率,从而使得发电效率达到最佳状态。
目前,太阳能光伏面板框架可采用固定式光伏系统、单轴追踪系统、双轴追踪系统等。固定式光伏系统和单轴追踪系统的装置结构决定了只有部分时刻能形成光线最佳入射角,因此没有充分地利用太阳辐射能。而双轴追踪系统能够实现对太阳全方位的跟踪,但是其设计结构复杂,存在着高能耗、高成本及占地面积大等缺陷。另外,以上三种系统太阳能电池板表面均受自然因素影响,如自然环境所产生的风沙、灰尘、霜、雪等落其表面后,必然会导致太阳能电池板装置发电效率降低,甚至出现不能转换发电的问题;为此,需要在现场常驻清扫人员,不间断地开展太阳能电池板清理,从而造成人力成本增加、人员清扫困难以及人力资源浪费的问题。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述现有的太阳能光伏面板框架对太阳光线跟踪效果差,或存在结构复杂的技术问题,提供一种按最佳入射角追踪阳光并自动清扫面板的光伏支架,该光伏支架具备不同经纬度、时间节气的自适应调节功能,确保太阳光以最佳入射角照射到太阳能电池板上。
为实现上述目的,本发明提供的一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架,包括:立柱、旋转动力装置、仰角斜轴、固定架、固定架动力装置和旋转控制单元;所述的旋转动力装置支撑于立柱的顶部,所述的仰角斜轴固定于旋转动力装置上,该仰角斜轴的一端设有固定架动力装置,所述的固定架沿仰角斜轴的轴线方向搭设于仰角斜轴的上方,用于固定太阳能电池板;所述的旋转控制单元连接旋转动力装置和固定架动力装置,该旋转控制单元通过设定的太阳运行轨迹控制旋转动力装置和固定架动力装置分别执行仰角斜轴的仰角转动和固定架的方位角转动,使得太阳光线保持垂直入射在太阳能电池板上。
作为上述技术方案的进一步改进,还包括清扫装置;所述的清扫装置包括:毛刷、两条毛刷滑轨、两套机械开关和挡板;所述的两条毛刷滑轨设置于固定架的其中两条相对边上,所述的两套机械开关以仰角斜轴为中心对称设置于固定架的另外两条相对边之间,所述的挡板架设于仰角斜轴上,使得挡板因机械开关随固定架转动到设定的角度而挤压或松开机械开关,进而触发该机械开关分别执行毛刷的解锁与锁定操作;所述的毛刷设置于固定架所支撑的太阳能电池板的上方,并沿两条毛刷滑轨滚动。
本发明的一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架优点在于:
本发明的光伏支架利用设定的太阳运动轨迹,使得太阳能电池板通过仰角斜轴的仰角旋转和固定架的方位角旋转,实现对太阳不同仰角和方位角运行轨迹的跟踪,提高太阳辐射量达40%;控制系统稳定,自动化程度高,可实现无人值守和远程监控;本发明光伏支架的电气元件功率小,能耗低,适应多种工况环境;依靠重力自动清扫装置清扫太阳能电池板的面板,降低了各项成本;且该光伏支架结构简单,成本低。
附图说明
图1为太阳光线垂直入射太阳能电池板的状态示意图。
图2为本发明实施例中的一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架的结构示意图。
图3a、图3b为图2中示出的太阳能电池板以仰角斜轴为轴线旋转到地理东向位置的示意图。
图4a、图4b为图2中示出的太阳能电池板以仰角斜轴为轴线旋转到地理南向位置的示意图。
图5a、图5b为图2中示出的太阳能电池板以仰角斜轴为轴线旋转到地理西向位置的示意图。
图6为图2中示出的太阳能电池板以旋转动力装置旋转到太阳仰角较大位置的示意图。
图7为图2中示出的太阳能电池板以旋转动力装置旋转到太阳仰角较小位置的示意图。
图8a、图8b为利用本发明的光伏支架在日出时追踪太阳轨迹运行的状态示意图。
图9a、图9b利用本发明的光伏支架在日出与正午之间追踪太阳轨迹运行的状态示意图。
图10a、图10b为利用本发明的光伏支架在正午时追踪太阳轨迹运行的状态示意图。
图11a、图11b利用本发明的光伏支架在正午与日落之间追踪太阳轨迹运行的状态示意图。
图12a、图12b为利用本发明的光伏支架在日落时追踪太阳轨迹运行的状态示意图。
图13为本发明实施例中的清扫装置结构示意图。
附图标记
1、立柱 2、旋转动力装置 3、仰角斜轴
4.固定架 5、清扫装置 6、固定架动力装置
7、太阳能电池板 8、毛刷滑轨 9、毛刷
10、机械开关 11、挡板
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架进行详细说明。
如图1所示,根据太阳辐射量的余弦定律可知,任意倾斜面的辐照度同该表面法线与光线入射方向之间夹角的余弦成正比,即:Sr=Sdcosθ;其中,Sr为倾斜方阵面上的直射辐照量,Sd为太阳总直射辐照量,θ为太阳光线入射角。由上式可知,当θ=0°时,即太阳光线垂直入射到倾斜面上时,获得太阳辐射量最大,此时的入射角就是追踪的最佳入射角。
如图2所示,本发明提供的一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架,包括:立柱1、旋转动力装置2、仰角斜轴3、固定架4、固定架动力装置6和旋转控制单元;所述的立柱1顶部安装旋转动力装置2,所述的仰角斜轴3固定于旋转动力装置2上,其与旋转动力装置2相配合,用于调节太阳能电池板的倾角;所述的固定架4沿仰角斜轴3的轴线方向搭设于仰角斜轴3的上方,并与仰角斜轴3配合;所述的仰角斜轴3一端安装固定架动力装置6,为固定架4提供围绕仰角斜轴的旋转动力,太阳能电池板7安装在固定架4上;所述的旋转控制单元连接旋转动力装置2和固定架动力装置6,该旋转控制单元通过设定的太阳运行轨迹控制旋转动力装置2和固定架动力装置6分别执行仰角斜轴3的仰角转动和固定架的方位角转动,使得太阳光线保持垂直入射在太阳能电池板7上。
本发明的上述光伏支架可选择仰角斜轴的低端指向正南方向进行安装。如图3、4、5所示,根据太阳不同方位角的运行轨迹,太阳能电池板随固定架以仰角斜轴为轴线进行线面环绕旋转,实现太阳能电池板不同的方向,以追踪太阳实时变化的方位角;如图6、7所示,根据太阳不同仰角的运行轨迹,仰角斜轴通过旋转动力装置进行旋转,实现太阳能电池板不同的倾角,以追踪太阳实时变化的仰角;本发明的上述光伏支架方位角跟踪范围为-125°到+125°,倾角跟踪范围为0°到110°;从而实现不同经纬度、不同季节时间的跟踪阳光最佳入射角的功能。
基于上述结构的光伏支架,如图2所示,在本实施例中,所述的光伏支架还安装有清扫装置5,所述的清扫装置5与固定架4连接,清扫装置5通过固定架4旋转造成的高度差,并利用自身重力运动实现太阳能电池板7的自动清扫功能。
所述清扫装置的具体结构如图13所示,包括:毛刷9、两条毛刷滑轨8、两套机械开关10和挡板11;所述的两条毛刷滑轨8设置于固定架4的其中两条相对边上,所述的两套机械开关10以仰角斜轴3为中心对称设置于固定架4的另外两条相对边之间,所述的挡板11架设于仰角斜轴3上,使得挡板11因机械开关10随固定架4转动到设定的角度而挤压或松开机械开关10,进而触发该机械开关10分别执行毛刷9的解锁与锁定操作;所述的毛刷9设置于固定架4所支撑的太阳能电池板7的上方,并沿两条毛刷滑轨8滚动。
上述清扫装置的运行轨道安装在固定架上,在固定架进行旋转过程中,使得毛刷所在的位置逐渐形成高度差,此时清扫装置通过挡板与抵设该毛刷的机械开关相配合而释放毛刷,毛刷依靠自身重力自由下落清扫太阳能电池板,并通过固定架的往复旋转运动,完成每日两次清扫操作。
另外,所述的旋转动力装置和固定架动力装置均可选用电机、马达等设备实现驱动功能;旋转动力装置可选用蜗轮蜗杆、活动铰链等设备实现动力的传动;所述的旋转控制单元选用可编程逻辑控制器、单片机或嵌入式系统等设备实现旋转控制操作。
基于上述结构的光伏支架,其利用追踪、自动清扫技术提高了太阳能发电效率。通过旋转控制单元的程序控制算法,输入不同经纬度和不同日期时间可立即执行预定条件动作,以追踪太阳及清扫太阳面板。在下雪时,旋转控制单元自动驱动旋转动力装置,使固定架垂直于地面,并自动停止跟踪操作,使太阳能设备能量转换部分所在平面不形成堆雪。在大风时,风速超过保护值75km/h,旋转控制单元自动驱动旋转动力装置,使固定架放平于地面,并自动停止跟踪操作,保证系统安全。而在日出时,旋转控制单元即时响应,寻找太阳光线的最佳入射角,并跟踪到位。当日落时,光线消失,已不能发电,此时旋转控制单元驱动光伏支架自动转回初始方向,并自动停止跟踪操作。
如图8、图9、图10、图11、图12所示,为利用本发明的光伏支架追踪日出、上午、中午、下午、日落各时刻的太阳示意图。以青海格尔木为例进行说明,地理位置为经度:E94.90°,纬度:N36.41°,时间为夏至日。正北方的太阳方位角设定为0°,此时格尔木夏至日日出方位角为60°,日落方位角为300°。
如图8所示,等待日出时,光伏支架归为东方位置,此时固定架停在东方位置;太阳从东北方向升起,其方位角为60°,仰角为0°,通过旋转控制单元的程序控制算法,发出启动命令,使得固定架动力装置驱动马达带动固定架旋转,从而将太阳能电池板的方位角调整到60°,接着通过旋转控制单元控制旋转动力装置驱动马达旋转,从而推动仰角斜轴旋转,将太阳能电池板仰角调整到0°,至此程序发出实时跟踪命令,驱动马达开始连续动作,以预定的角速度开始旋转。在上述旋转过程中,使固定架4在日出时刻形成高度落差,此时挡板11与机械开关10接触后压起机械开关10,使得该机械开关10被触发后将毛刷9解锁,进一步使得毛刷9脱离机械开关10的束缚,此时毛刷9因自身重力作用在自由下落过程中从固定架4的面板顶端沿毛刷滑轨8滑落到另外一端,利用此工作原理,在日出时刻通过毛刷9清扫一次固定架设备能量转换部分所在平面。通过天文公式计算太阳运行轨迹,用程序控制两套动力装置的连续运动状态,实时的调整动力装置的运动状态和运动参数,跟踪太阳运行轨迹。
如图10所示,当光伏支架运行到正午时,此时太阳仰角为77°,其方位角为180°。此时固定架动力装置驱动马达带动固定架正好旋转到方位角为180°,从而使得太阳能电池板的方位角调整到180°,同时旋转控制单元控制旋转动力装置驱动马达旋转,进而推动仰角斜轴旋转,正好将太阳能电池板仰角调整到77°。
如图12所示,当系统运行到日落时,太阳由西北方落下,此时太阳仰角为0°,方位角为300°。此时固定架动力装置驱动马达带动固定架正好旋转到方位角为180°,从而使得太阳能电池板的方位角调整到300°,同时旋转控制单元控制旋转动力装置驱动马达旋转,进而推动仰角斜轴旋转,正好将太阳能电池板仰角调整到0°。在上述旋转过程中,挡板11逐渐抬起原先压住的机械开关10,使得该机械开关10再次被触发后将毛刷9锁于毛刷滑轨8里;而在固定架4转动到日落时刻,使其又形成高度落差,此时挡板11与机械开关10重新接触后再次压起机械开关10,使得该机械开关10被触发后将毛刷9解锁,进一步使得毛刷9脱离机械开关10的束缚,此时毛刷9再次因自身重力作用在自由下落过程中从固定架4的面板顶端沿毛刷滑轨8滑落到另外一端,再次清扫光伏支架面板设备能量转换部分所在平面。至此,完成一日内的太阳追踪及两次清扫操作,以提高发电量。与没有清扫机构的光伏支架相比,能够提高发电量3%~23%。在日落后光伏支架自动结束跟踪命令,驱动马达动作使光伏支架回到初始位置。
由于太阳仰角和方位角随季节、地理位置不断变化,通过天文公式计算光伏支架搭设地点一年内的每日太阳运行轨迹后,以上述追踪操作逐日追踪太阳的仰角和方位角,即能够获得最大太阳辐射量。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架,其特征在于,包括:立柱(1)、旋转动力装置(2)、仰角斜轴(3)、固定架(4)、固定架动力装置(6)和旋转控制单元;所述的旋转动力装置(2)支撑于立柱(1)的顶部,所述的仰角斜轴(3)固定于旋转动力装置(2)上,该仰角斜轴(3)的一端设有固定架动力装置(6),所述的固定架(4)沿仰角斜轴(3)的轴线方向搭设于仰角斜轴(3)的上方,用于固定太阳能电池板(7);所述的旋转控制单元连接旋转动力装置(2)和固定架动力装置(6),该旋转控制单元通过设定的太阳运行轨迹控制旋转动力装置(2)和固定架动力装置(6)分别执行仰角斜轴(3)的仰角转动和固定架的方位角转动,使得太阳光线保持垂直入射在太阳能电池板(7)上;
所述实现自动追踪阳光最佳入射角的光伏支架还包括清扫装置(5);所述的清扫装置(5)包括:毛刷(9)、两条毛刷滑轨(8)、两套机械开关(10)和挡板(11);所述的两条毛刷滑轨(8)设置于固定架(4)的其中两条相对边上,所述的两套机械开关(10)以仰角斜轴(3)为中心对称设置于固定架(4)的另外两条相对边之间,所述的挡板(11)架设于仰角斜轴(3)上,使得挡板(11)因机械开关(10)随固定架(4)转动到设定的角度而挤压或松开机械开关(10),进而触发该机械开关(10)分别执行毛刷(9)的解锁与锁定操作;所述的毛刷(9)设置于固定架(4)所支撑的太阳能电池板(7)的上方,并沿两条毛刷滑轨(8)滚动;
所述光伏支架方位角跟踪范围为-125°到+125°,倾角跟踪范围为0°到110°。
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