CN106411237B - 可调倾角的墙面光伏发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可调倾角的墙面光伏发电装置，主要包括光伏组件、矩形框架、压块、销轴转动装置、步进电机、传动装置、万向传力装置等。光伏组件置于矩形框架内，并通过压块固定，矩形框架上边框通过销轴转动装置与钢筋混凝土墙可转动地相连接，矩形框架下边框设置有传动装置，传动装置与由球形凹槽和传力杆组成的万向传力装置相连。通过控制步进电机的运动改变传力杆在矩形框架底边框上的支撑位置，达到改变光伏组件与水平面之间倾角的效果。根据太阳高度角的变化调整倾角，使得垂直于光伏组件的太阳光线达到最大化，提高光伏转化率。调整倾角还可以避免外立面上的光伏组件受到太阳光线的强烈照射，降低强风对光伏组件及其支撑装置的冲击。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调倾角的墙面光伏发电装置，属于光伏发电领域。
背景技术
当前，我国能源供应主要依赖煤炭、石油、天然气等化石能源，但化石能源的资源有限性和开发利用带来的环境问题严重制约着经济和社会的可持续发展。开发和使用可再生能源对于缓解能源危机、保护生态环境和保持经济的可持续发展意义重大。最被看好的一种可再生能源是光伏能源，一种直接取自太阳光的能源，其具有最丰富的资源和最洁净的发电过程。
近年来，光伏建筑一体化被认为是太阳能利用的最佳形式。对于多、高层建筑来说，外墙是与太阳光接触面积最大的外表面，但是垂直外立面在朝向上不是最好，因为地球的自转和公转，使得相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，太阳的方位角和高度角时时刻刻都在变化，如果采用传统的固定式安装，将严重影响光电转化效率。
发明内容
为了弥补传统钢筋混凝土墙面光伏组件固定式安装的缺陷，本发明的目的在于将单轴跟踪的理念融入其中，提出的一种能够调节太阳能光伏组件倾角的墙面光伏发电装置，即通过一个旋转轴，来改变光伏组件与水平面之间倾角，达到太阳光线垂直于光伏组件的最大化，从而提高光伏转化率。此外，在早晨或下午，外立面上的光伏组件将会受到非常强烈的阳光照射，特别是朝东或朝西的建筑垂直表面，通过调整倾角，可以避开阳光的强烈照射。通常情况下，光伏组件与墙面隔开一定距离，中间便会形成通风层，在强风的工况下，通风层的风速有可能将整个组件掀起，同样通过调整倾角，可以降低强风对光伏组件以及支撑装置的冲击。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
本发明提出的一种可调倾角的墙面光伏发电装置，由光伏组件1、矩形框架2、压块3、销轴转动装置、步进电机7、传动装置、万向传力装置和支撑折杆16组成，其中：光伏组件1置于矩形框架2内，并通过压块3固定，压块3等间距布置于矩形框架2四周；所述销轴转动装置由销轴4、中间耳板5和左右耳板6组成，中间耳板5与矩形框架2上边框的后部固接，左右耳板6通过销轴4与中间耳板5可转动地相连接，左右耳板6后侧端部有90°翻折，便于其与钢筋混凝土墙内预埋件的连接锚固；所述传动装置由共轴齿轮组8、轨道9、限位凸起10、滚动轴承11、连接杆12和连接板13组成，轨道9固定于矩形框架2下边框的后部，上下对称布置成两排，两排轨道９间隔的距离为共轴齿轮组8两齿轮的间距，轨道9上带有与齿轮相匹配的轮齿，共轴齿轮组8在轨道9上左右布置有两组，其齿轮轴直接与步进电机7相连，在共轴齿轮组8齿轮轴的四个端部设置有滚动轴承11，连接杆12一端与滚动轴承11相连，连接杆12另一端与连接板13相连，轨道9两端设置有限位凸起10，以免传动装置脱离轨道9；所述万向传力装置由球形凹槽14和传力杆15组成，传力杆15两端设有球形凸起，两个球形凸起分别被两个球形凹槽14所容纳，传力杆15可绕着球形凹槽14任意转动而不脱离，其中一个球形凹槽14与连接板13固接，另一个球形凹槽14与支撑折杆16固接；整个光伏发电装置通过左右耳板6和支撑折杆16的端部与钢筋混凝土墙内的预埋件连接锚固。
本发明中，为限制共轴齿轮组8在运动过程中不脱离轨道9，在轨道9上沿着共轴齿轮组8两齿轮的外侧设置有限位挡板，在上下方向上约束共轴齿轮组8，使其始终卡设于轨道9中。
本发明中，连接板13与滚动轴承11的连接采用连接杆12在上、下以“沙漏形”的布置方式，即两个对顶且对称的三角形的形式，防止连接板13与滚动轴承11间产生相对运动。
本发明中，球形凹槽14的内圈半径要大于传力杆15端部球形凸起的半径，以保证球形凸起能够在球形凹槽14内自由转动；球形凹槽14开口处的内圈半径要小于球形凸起的半径，以保证球形凸起能够包容在球形凹槽14内而不脱离。
本发明中，传力杆15为一固定长度的直杆，其长度要根据矩形框架2的边框尺寸、光伏组件1与墙面的间隔距离、建筑立面的要求和采光的要求共同确定；通过控制步进电机7的运动，改变传力杆15在矩形框架2底边框上的支撑位置，达到改变光伏组件1与水平面之间倾角 α的效果。
本发明中，支撑折杆16在球形凹槽14连接处呈120゜的夹角展开，在伸入钢筋混凝土墙之前，支撑折杆16两边分别向内弯折120゜，垂直地伸入钢筋混凝土墙与预埋件进行连接锚固。
本发明中，所述销轴转动装置在矩形框架2上边框的后部等间距布置有三个。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1）将单轴跟踪的理念融入传统的钢筋混凝土墙面光伏发电装置中，通过控制输入步进电机的电脉冲信号来改变光伏组件与水平面之间倾角，根据太阳高度角的变化调整倾角大小，达到太阳光线垂直于光伏组件的最大化，大大提高了光伏转化率。
2）通过调整光伏组件与水平面之间的倾角，避免外立面上的光伏组件由于受到太阳光线的强烈照射，导致光伏电池温度的升高，输出功率的下降，尤其是在早晨或下午，朝东或朝西的建筑垂直表面。
3）通过调整光伏组件与水平面之间的倾角，在强风的工况下，降低强风对光伏组件以及支撑装置的冲击。
附图说明
图1为本发明可调倾角的墙面光伏发电装置三维模型图；
图2为本发明可调倾角的墙面光伏发电装置局部放大图；
图3为本发明可调倾角的墙面光伏发电装置支撑折杆示意图；
图4为本发明可调倾角的墙面光伏发电装置倾角较小时侧视图；
图5为本发明可调倾角的墙面光伏发电装置倾角较大时侧视图；
图6为本发明可调倾角的墙面光伏发电装置A-A剖面图；
图7为本发明可调倾角的墙面光伏发电装置三维效果图（内侧）；
图8为本发明可调倾角的墙面光伏发电装置三维效果图（外侧）。
图中标号：1为光伏组件、2为矩形框架、3为压块、4为销轴、5为中间耳板、6为左右耳板、7为步进电机、8为共轴齿轮组、9为轨道、10为限位凸起、11为滚动轴承、12为连接杆、13为连接板、14为球形凹槽、15为传力杆、16为支撑折杆。
具体实施方式
在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、 “前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：如图1所示，为本发明的一种可调倾角的墙面光伏发电装置实施例，其主要包括光伏组件1、矩形框架2、压块3、销轴4、中间耳板5、左右耳板6、步进电机7、共轴齿轮组8、轨道9、限位凸起10、滚动轴承11、连接杆12、连接板13、球形凹槽14、传力杆15和支撑折杆16。
本发明可应用于一般多、高层住宅的外立面墙体上。关于朝向，南外立面、东外立面或西外立面的选取视具体情况而定，主要依据纬度、光照条件、建筑要求等因素。在外立面墙上，可将该装置安装于窗间墙或窗槛墙位置处，建筑设计时，考虑到要减小光伏组件1受阴影的影响，合理布置开窗的位置、光伏组件1的间距，尽量避免光伏组件1受遮光而出现“热斑效应”导致输出功率的下降。此应用方式为实际运用实施的一种，而不只限于此种方式。
光伏组件1置于矩形框架2内，并通过压块3固定，压块3在矩形框架2四周等间距布置，每边布置三个。中间耳板5与矩形框架2上边框的后部通过焊缝固接，左右耳板6通过销轴4与中间耳板5可转动地相连接，左右耳板6后侧端部有90°翻折，便于其与钢筋混凝土墙内预埋件的连接锚固。销轴转动装置在矩形框架2上边框的后部等间距布置三个，其中销轴4采用45号钢，中间耳板5和左右耳板6采用Q345-B钢。矩形框架2下边框的后部设置有传动装置，传动装置中的连接板13与万向传力装置中的球形凹槽14的顶部通过焊缝连接。通过控制输入步进电机7的电脉冲信号，控制步进电机7的运动，改变传力杆15在矩形框架2底边框上的支撑位置，达到改变光伏组件1与水平面之间倾角的效果。
图2和图3分别显示了装置在倾角较小和倾角较大时的状态。调大倾角，就使步进电机7向轨道9中部位置移动；调小倾角，就使步进电机7向轨道9的两边位置移动。根据太阳高度角的变化调整倾角，使得垂直于光伏组件1的太阳光线达到最大化，从而大大提高了光伏转化率。此外，调整倾角可以避免外立面上的光伏组件1受到太阳光线的强烈照射，并且降低强风对光伏组件1以及支撑装置的冲击。
光伏组件1中的太阳能电池采用热稳定性好、弱光性能好的非晶硅薄膜电池。矩形框架2采用质量轻、耐腐蚀的铝合金材料制作。矩形框架2中部为自由空间，光伏组件1背面有空气流动，利用上下表面的热压差，加速光伏组件1背面的空气流动，降低其表面温度，从而减小温度升高给光伏电池带来的输出功率下降的影响。
传动装置中的共轴齿轮组8、轨道9应由轻质高强的金属材料制作，尽量较小两者之间的摩擦系数，应具有良好的传动效率，做到啮合牢固、结构紧凑，减小或避免因机械摩擦、传动性差引起的时滞问题。轨道9可以单独加工制作，通过焊缝连接固定于矩形框架2下边框的后部，也可以与矩形框架2整体预制出来。连接杆12、连接板13、球形凹槽14、传力杆15和支撑折杆16的材料选用性能稳定、承载力高、防腐性能优良的冷弯型钢，其中连接杆12、传力杆15和支撑折杆16均采用空心圆形截面，连接板13壁厚不应小于3mm。
Claims (7)
1.一种可调倾角的墙面光伏发电装置，由光伏组件（1）、矩形框架（2）、压块（3）、销轴转动装置、步进电机（7）、传动装置、万向传力装置和支撑折杆（16）组成，其特征在于：光伏组件（1）置于矩形框架（2）内，并通过压块（3）固定，压块（3）等间距布置于矩形框架（2）四周；所述销轴转动装置由销轴（4）、中间耳板（5）和左右耳板（6）组成，中间耳板（5）与矩形框架（2）上边框的后部固接，左右耳板（6）通过销轴（4）与中间耳板（5）可转动地相连接，左右耳板（6）后侧端部有90°翻折，便于其与钢筋混凝土墙内预埋件的连接锚固；所述传动装置由共轴齿轮组（8）、轨道（9）、限位凸起（10）、滚动轴承（11）、连接杆（12）和连接板（13）组成，轨道（9）固定于矩形框架（2）下边框的后部，上下对称布置成两排，两排轨道（９）间隔的距离为共轴齿轮组（8）两齿轮的间距，轨道（9）上带有与齿轮相匹配的轮齿，共轴齿轮组（8）在轨道（9）上左右布置有两组，其齿轮轴直接与步进电机（7）相连，在共轴齿轮组（8）齿轮轴的四个端部设置有滚动轴承（11），连接杆（12）一端与滚动轴承（11）相连，连接杆（12）另一端与连接板（13）相连，轨道（9）两端设置有限位凸起（10），以免传动装置脱离轨道（9）；所述万向传力装置由球形凹槽（14）和传力杆（15）组成，传力杆（15）两端设有球形凸起，两个球形凸起分别被两个球形凹槽（14）所容纳，传力杆（15）可绕着球形凹槽（14）任意转动而不脱离，其中一个球形凹槽（14）与连接板（13）固接，另一个球形凹槽（14）与支撑折杆（16）固接；整个光伏发电装置通过左右耳板（6）和支撑折杆（16）的端部与钢筋混凝土墙内的预埋件连接锚固。
2.根据权利要求1所述的可调倾角的墙面光伏发电装置，其特征在于：为限制共轴齿轮组（8）在运动过程中不脱离轨道（9），在轨道（9）上沿着共轴齿轮组（8）两齿轮的外侧设置有限位挡板，在上下方向上约束共轴齿轮组（8），使其始终卡设于轨道（9）中。
3.根据权利要求1所述的可调倾角的墙面光伏发电装置，其特征在于：连接板（13）与滚动轴承（11）的连接采用连接杆（12）在上、下以“沙漏形”的布置方式，即两个对顶且对称的三角形的形式，防止连接板（13）与滚动轴承（11）间产生相对运动。
4.根据权利要求1所述的可调倾角的墙面光伏发电装置，其特征在于：球形凹槽（14）的内圈半径要大于传力杆（15）端部球形凸起的半径，以保证球形凸起能够在球形凹槽（14）内自由转动；球形凹槽（14）开口处的内圈半径要小于球形凸起的半径，以保证球形凸起能够包容在球形凹槽（14）内而不脱离。
5.根据权利要求1所述的可调倾角的墙面光伏发电装置，其特征在于：传力杆（15）为一固定长度的直杆，其长度要根据矩形框架（2）的边框尺寸、光伏组件（1）与墙面的间隔距离、建筑立面的要求和采光的要求共同确定；通过控制步进电机（7）的运动，改变传力杆（15）在矩形框架（2）底边框上的支撑位置，达到改变光伏组件（1）与水平面之间倾角 α的效果。
6.根据权利要求1所述的可调倾角的墙面光伏发电装置，其特征在于：支撑折杆（16）在球形凹槽（14）连接处呈120゜的夹角展开，在伸入钢筋混凝土墙之前，支撑折杆（16）两边分别向内弯折120゜，垂直地伸入钢筋混凝土墙与预埋件进行连接锚固。
7.根据权利要求1所述的可调倾角的墙面光伏发电装置，其特征在于：所述销轴转动装置在矩形框架（2）上边框的后部等间距布置有三个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180828 Termination date: 20211010 |