CN106452323A - 一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，包括四个部分：光伏组件、柔性支架、驱动组件和电机控制部分，其特征在于：所述的柔性支架包括支撑底座、支撑臂、驱动轴承和钢丝；驱动轴承的一端与支撑臂刚性连接；驱动轴承嵌入到支撑底座的顶端；支撑臂的两端分别固定连接一条钢丝；两条钢丝的另一端分别连接另一柔性支架中的支撑臂；光伏组件固定在两条钢丝之间；所述的驱动组件包括驱动钢丝绳、驱动轮；驱动钢丝绳的一端缠绕固定在驱动轮上；驱动轮的中心孔穿过驱动轴承；驱动钢丝绳的另一端与电机控制部分相连接；驱动组件放置在一列支架的两侧，一套驱动系统可以实现多排柔性支架的驱动跟踪。本发明的有益效果是成本低的前提下实现了平单轴跟踪功能，最大化发挥出柔性支撑结构平单轴系统的发电收益率，有很大市场推广前景。

Description

一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电领域，尤指一种单轴跟踪系统，具体涉及一种具用柔性支撑结构的单轴跟踪系统。

背景技术

光伏是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。目前我国光伏行业以市场为主导的资源整合不断推进，具备竞争力的优势企业正加紧通过收购电站等方式扩充产能。在电改、新能源微电网、能源互联网等政策利好刺激下，预计年内光伏产业发展将呈现稳中上升的态势，看好具备技术、资金、管理、品牌优势的光伏设备企业和光伏电站运营商。同时，由于市场竞争加剧，规模较小的中小企业将被淘汰，行业大整合似乎已经不可避免。我国光伏产业发展快速，产能已处于绝对的世界第一，产业链也比较完善。但与发达国家相比，我国光伏产业在技术上还相差太远。光伏行业盲目建设、低水平重复、同质化竞争现象仍十分严重。行业景气指数较低，迫使国内光伏生产企业面临加快产品结构调整，提高产品质量，向高端领域发展的局势。

因此随着光伏发电领域的日趋发展成熟，种类繁多的光伏支架系统也在迅速发展。行业之间竞争激烈，上网电价的进一步下调，市场对光伏产品的低成本高发电量的需求越来越强烈。虽然固定式支架系统是目前行业的主导性产品，但是在成本下调的需求下固定支架本身的降本空间越来越小。这就需要发展新的支架产品，在成本最低化的前提下如何实现最大化的发电是行业发展的主流。中国专利CN201610146088.7公开了一种柔性光伏支架，包括至少一个支架单元，所述支架单元包括分别位于两侧的两个倾斜设置的用于安装在地面上形成支撑的斜立柱、上部分别和所述斜立柱的上部相连接且下部用于安装在地面上的两个竖向拉索、连接在两个所述斜立柱的上部之间的光伏组件安装机构，两个所述斜立柱的上端之间的距离大于两个所述斜立柱的下端之间的距离。采用斜立柱形式，通过竖向拉索将光伏组件安装机构的拉力传递至地面，节约了两侧主梁，减少了占地面积，单位面积为可以安放更多的光伏组件，可适用于复杂地形和大跨度区域如鱼塘及山地等。现有技术中公开了一种柔性光伏支架适用复杂地形的结构设计。但是采用上述发明的技术手段不能追踪太阳，发电量低的重大缺点。同时上述专利申请的结构设计缺少对野外风速的考虑，柔性支架上的光伏组件会产生共振，对光伏组件上的电池板造成损坏，甚至给光伏电站带来危险。因此上述专利申请发电量低同时在现实条件基本会出现光伏组件的开裂或者隐裂，采用该光伏结构的电站在现实条件下无法正常运作。

综上所述，在目前行业市场上需要一种能够适用复杂地形，成本低廉并且具有追踪功能，提高太阳能转化的光伏电站。本发明人经过多年的行业经验和生产积累，经过反复实验发明一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统。

发明内容

本发明一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统的目的在于最大化的降低了投资成本，同时在没有刚性连接的驱动上具有同步跟踪太阳的效果，保持或者提高发电量的光伏系统。

本发明一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统的另一目的在于提供柔性支架的刚度，避免出现共振的情况。

为了实现上述的目的，本发明一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，包括四个部分：光伏组件、柔性支架、驱动组件和电机控制部分，所述的柔性支架包括支撑底座、支撑臂、驱动轴承和钢丝；驱动轴承的一端与支撑臂刚性连接；驱动轴承嵌入到支撑底座的顶端；支撑臂的两端分别固定连接一条钢丝；两条钢丝的另一端分别连接另一柔性支架中的支撑臂；光伏组件固定在两条钢丝之间；所述的驱动组件为柔性驱动部分包括驱动钢丝绳、驱动轮；驱动钢丝绳的一端缠绕固定在驱动轮上；驱动轮的中心孔穿过驱动轴承；驱动钢丝绳的另一端与电机控制部分相连接；柔性驱动部分放置在一列支架的两侧，一套驱动系统可以实现多排柔性支架的驱动跟踪；

柔性支架支撑底座采用钢制材料，采用三角形结构进行焊接；支撑底座通过支撑臂将两行钢丝拉紧并保持平行，驱动轴承为高分子材料；

所述在柔性支架行与行之间的驱动钢丝绳下方连接有定滑轮，定滑轮固定在柔性支架上，其作用是保持钢丝绳的张力和增加外力缓冲；

光伏组件包括固定梁、固定卡扣和固定组件压块；所述的固定梁是轻质支撑杆，构成光伏组件的正四边形外边缘；通过固定组件压块将光伏板与固定梁固定，固定卡扣在固定梁的四个顶点处与钢丝绳固定连接；

所述的电机控制部分包括控制器、GPS定位仪、电机和倾角仪；所述电机为两个电机分别带动光伏组件两侧的柔性支架上的驱动组件进行太阳跟踪；所述的电机与控制器连接，电机上连接减速机和倾角仪，减速机和驱动钢丝绳缠绕固定连接；控制器上连接GPS定位仪，通过倾角仪控制电机驱动光伏板的角度；

光伏组件两侧的驱动臂分别由各自的电机和倾角仪组成闭环控制系统；控制系统通过GPS进行经纬度的判断和时钟授时，通过天文算法进行主动式控制计算出的目标角度值，分别提供到左右驱动臂的控制逻辑中，左右电机分别进行驱动控制，最终各自达到相同的目标角度；

控制系统设置有许用值，对左右驱动臂的角度返回值和电机的状态进行实时监控；保证运动过程中，左右两个驱动臂的角度差不会超过许用值；

所述的柔性支架包括支撑底座、支撑臂、轴承和钢丝，在支撑臂上的钢丝之间至少设置一个刚性加强装置，刚性加强装置由与钢丝连接的钢圈，钢圈的另一端通过定滑轮和底座连接组成；

刚性加强装置的钢圈的圆心与柔性支架的支撑臂同心，钢圈的外圆与支撑组件的钢丝绳刚性固定；定滑轮组一端与底座相连，钢圈设置在定滑轮组合底座之间，刚性加强装置提高了柔性装置的刚度，避免风振引起的系统共振。

采用了上述的技术手段，本发明一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统的有益效果为柔性支架包括支撑底座、支撑臂、驱动轴承和钢丝。采用柔性支撑方式去掉了常规扭矩管和横撑等零部件，减轻了支撑系统的重量。最大化的降低投资成本，提高系统的投资收益率。采用被拉紧的钢丝实现两个支撑桩之间的最大跨距，提高了地形地质等的适应能力。本发明用来支撑光伏组件的零件仅为上下两行平行拉紧的钢丝绳，在光伏组件背板后面不需要其它制成零件，可以安装双面发电的组件，提高发电效率。又，本发明的驱动方式采用钢丝与定滑轮的组合，钢丝驱动系统放置在柔性支架的两侧，一套驱动系统可以实现多排柔性支架的驱动跟踪功能。极大的降低驱动系统的投资成本，同时降低风载对驱动系统和支架系统的载荷冲击作用力，提高系统的可靠性。本发明最大的优点是降低成本的同时实现了平单轴跟踪功能，发电量会比固定式支架系统高出8％～12％左右。最大化发挥出柔性平单轴系统的发电收益率，有很大的市场推广前景。

附图说明

如图1所示一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统结构示意图。

如图2所示为柔性支架局部结构示意图。

如图3所示为驱动组件的结构示意图。

如图4所示为电机控制部分结构图。

如图5所示光伏组件模块结构示意图。

如图6所示为另一实施例中柔性支架结构示意图。

如图7所示为另一实施例中柔性支架上的加固装置结构示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。同时声明本发明一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统是具有无限扩展的光伏发电系统。在本发明中柔性支架是以行连接安装，驱动组件是以列连接安装。

实施例一

如图1所示一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统结构示意图。如1图所示包括四个部分：光伏组件100、柔性支架200、驱动组件300和电机控制部分400。柔性支架200包括支撑底座、驱动轴承、支撑臂、和钢丝，其中柔性支架包括第一柔性支架210和第二柔性支架220。第一柔性支架210的支撑底座211顶端上设置有驱动轴承212。驱动轴承212一端的平面与长条形支撑臂213刚性固定垂直连接。在支撑臂213的一端连接有钢丝214，钢丝214的另一端与第二柔性支架220上的支撑臂223一端连接。支撑臂223的另一端与钢丝224连接。钢丝224的另一端与第一柔性支架210上的支撑臂213的另一端连接。第二柔性支架220支撑底座221顶端上设置有驱动轴承222。驱动轴承222一端的平面与长条形支撑臂223刚性固定垂直连接。钢丝214和钢丝224平行相距一个支撑臂宽度，支撑臂213与支撑臂223宽度相同。第一柔性支架210与第二柔性支架220之间通过钢丝连接，钢丝214和钢丝224被拉紧。光伏组件100固定在两条钢丝之间。驱动组件300为柔性驱动，包括驱动钢丝绳、驱动轮。柔性驱动300包括第一柔性驱动310和第二柔性驱动320。第一柔性驱动钢丝绳311的一端缠绕固定在的第一柔性驱动轮312上；将第一柔性驱动轮312的中心孔穿过第一柔型支架210上的驱动轴承213；第一柔性驱动钢丝绳311的另一端与电机控制部分400相连接。第二柔性驱动钢丝绳321的一端缠绕固定在的第二柔性驱动轮322上；将第二柔性驱动轮322的中心孔穿过第二柔型支架220上的驱动轴承223；第二柔性驱动钢丝绳321的另一端与电机控制部分400相连接。一套驱动组件可以实现多排柔性支架的驱动。

如图2所示为柔性支架局部结构示意图。如图2所示柔性支架210包括支撑底座211、驱动轴承212、支撑臂213、钢丝214和钢丝224。支撑底211座采用钢制材料，本实施例中支撑底座211采用三角形结构进行焊接。支撑底211的顶端设有平行相对应的两个支架，在两个支架上开设有圆孔，连个圆孔相对应。驱动轴承212的两端分别安装在连个支架上开设的圆孔中，驱动轴承212可以旋转，驱动轴承212的一端与支撑臂213固定连接。驱动轴承212上设置有驱动转轮312，在本实施例中驱动转轮312中心开设有正四边形孔，与驱动轴承212上的四边形对应。钢丝绳214与钢丝绳224分别与支撑臂213的两个端点连接，钢丝绳上下对应平行，与支撑臂213连接成为一个长方形。通过支撑臂将钢丝穿过支撑臂的上端和下端，两排钢丝保持平行并将钢丝拉紧。在追日跟踪的过程中，两排钢丝始终保持固定的相对位置，保护光伏组件不会受力变形。驱动轴承212选择高分子材料，该种材料即能保证较小的摩擦阻力，也可以实现25年的工作寿命。

如图3所示为柔性驱动组件的结构示意图。如图3所示柔性驱动组件310包括驱动钢丝绳311、驱动轮312。驱动钢丝绳311的一端缠绕固定在驱动轮312上，驱动钢丝绳311的另一端与电机控制端相连接。如图1至图3所示驱动组件放置在每行柔性支架的两侧，实现多行柔性支架的驱动跟踪。每一行柔性支架的两侧分别设置有驱动钢丝绳缠绕固定在驱动轮上，驱动轮的中心孔穿过驱动轴承。通过电机控制部分400将驱动钢丝绳311的拉拽动作变成驱动转轮的转动动作，实现每一排柔性支架上的光伏组件追日旋转。如图3所示本发明在柔性支架行与行之间安装定滑轮313，通过强力弹簧固定在柔性支架上的支撑底座上，达到驱动系统在追日的启动或停止过程中进行张力释放以及缓冲冲击力。

如图4所示为电机控制部分结构图。如图4所示单轴跟踪系统电机控制部分400由控制器、GPS定位仪、电机和倾角仪组成闭环控制系统。电机控制部分400有电机驱动系统进行控制，分别为电机驱动410和电机驱动420。电机驱动410包括电机411和倾角仪412；电机驱动420包括电机421和倾角仪422。电机411和电机421分别连接减速机，减速机与驱动组件上的驱动钢丝绳连接。电机驱动410和电机驱动420分别与电机控制端400的控制器401连接。控制器401与GPS定位仪402连接。本发明电器控制端的的两台电机411和电机421之间没有电气联系，分别进行控制。因此电机411和电机421之间的工作协调非常重要，需要每一行柔性支架在一个相同的倾角。但是柔性支架上的支撑臂之间没有刚性连接，驱动系统在追日过程中，必须保证左右两个支撑臂在同一个跟踪角度上。控制器采用时控技术，通过与GPS定位仪402连接进行经纬度的判断和时钟授时，结合高精度的天文算法计算出的目标角度值分别提供到左右驱动臂的控制逻辑中进行主动式控制。最终各自达到每一行柔性支架在一个相同的倾角角度。驱动系统电机控制端除了分别驱动两侧追日驱动外，同时对两侧驱动臂的角度返回值和电机的状态进行实时监控，设置两个驱动比的角度许用值。保证在驱动过程中，两个驱动臂的角度差不会超过许用值，使得控制方式可靠简单。

如图5所示光伏组件模块结构示意图。如图5所示光伏组件100安装在柔性支架上两个平行拉紧的钢丝绳214和钢丝绳224之间。光伏组件100包括固定梁110、固定卡扣120和光伏组件固定压块130。固定梁110是轻质支撑杆，构成光伏组件的正四边形外边缘。固定梁110在钢丝绳214和钢丝绳224垂直方向上支撑光伏组件100，固定卡扣120在固定梁110的四个顶点处。将光伏板放置在固定梁110上，再将光伏组件固定压块130固定在光伏组件和固定梁的上方。光伏组件与钢丝绳的固定方式至少采用四点固定方式，固定卡扣120和柔性支架上的钢丝绳固定连接。采用该结构的光伏组件能够满足光伏板在钢丝绳弹性变形方向上的相对滑动，同时通过限位块对组件进行该方向上的限位。能够阻止组件在钢丝绳方向的大位移动，又能保证组件在钢丝绳变形过程中不受力有效保护光伏组件。在柔性支架上两条平行的钢丝绳上可以设置多个光伏组件模块。在本发明中光组件上可采用双玻组件，柔性支架上的组件背板后没有任何支撑零件，对组件没有遮挡实现双面组件的发电系统，提高发电效率。

实施例二

如图6所示为另一实施例中一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统柔性支架结构示意图。如1图所示柔性支撑结构的单轴跟踪系统包括四个部分：光伏组件100、柔性支架200、驱动组件300和电机控制400部分。柔性支架200包括支撑底座、驱动轴承、支撑臂、钢丝和加固装置。其中柔性支架包括第一柔性支架210和第二柔性支架220。第一柔性支架210的支撑底座211顶端上设置有驱动轴承212。驱动轴承212一端的平面与长条形支撑臂213刚性固定垂直连接。在支撑臂213的一端连接有钢丝214，钢丝214的另一端与第二柔性支架220上的支撑臂223一端连接。支撑臂223的另一端与钢丝224连接。钢丝224的另一端与第一柔性支架210上的支撑臂213的另一端连接。第二柔性支架220支撑底座221顶端上设置有驱动轴承222。驱动轴承222一端的平面与长条形支撑臂223刚性固定垂直连接。钢丝214和钢丝224平行相距一个支撑臂宽度。支撑臂213与支撑臂223宽度相同。第一柔性支架210与第二柔性支架220之间通过钢丝连接，钢丝214和钢丝224被拉紧。如图6所示在第一柔性支架210和第二柔性支架220之间设置有有加固装置500，防止风速带来的共振现象。如图1所示光伏组件100固定在两条钢丝之间。驱动组件300为柔性驱动，包括驱动钢丝绳、驱动轮。柔性驱动300包括第一柔性驱动310和第二柔性驱动320。第一柔性驱动钢丝绳311的一端缠绕固定在的第一柔性驱动轮312上；将第一柔性驱动轮312的中心孔穿过第一柔型支架210上的驱动轴承213；第一柔性驱动钢丝绳311的另一端与第一电机控制部分400相连接。第二柔性驱动钢丝绳321的一端缠绕固定在的第二柔性驱动轮322上；将第二柔性驱动轮322的中心孔穿过第二柔型支架220上的驱动轴承223；第二柔性驱动钢丝绳321的另一端与第二电机控制部分400相连接。一套驱动组件可以实现多排柔性支架的驱动。

如图7所示为另一实施例中柔性支架上的加固装置结构示意图。如图7所示加固装置500包括钢圈510、定滑轮定组合520和刚性加强底座530。如图6和图7所示钢圈510的圆心与柔性支架的支撑臂同心，外圆与支撑组件的钢丝绳刚性固定。定滑轮组合520的两端与刚性加强底座530相连，定滑轮组合520的下端与刚性加强底座530之间留有空间。钢圈510从定滑轮组合520和刚性加强底座530之间穿过。定滑轮组520由两个定滑轮组成，刚性加强底座530起到支撑定滑轮组520的作用。在追日跟踪过程中钢圈510会随着系统一同旋转。如果系统在风的作用下柔性支架出现震动时，钢圈起到约束柔性支架震动的作用，同时又支撑两个钢丝绳；两个定滑轮将钢圈进行限位。采用加固装置提高了柔性支架的刚度防止共振发生。

综合上述，如何使用柔性支撑结构实现平单轴跟踪为本发明首次提出可实现的技术方案。本发明通过两个驱动臂实现钢丝绳支撑的拉紧和保持相对固定的位置，采用专门设计的高分子材料轴承实现驱动臂和支撑底座的滑动摩擦运动。轴承的选材即保证了降低的滑动摩擦力，也保证了25年的抗耐磨性能。驱动钢丝绳实现行与行之间的驱动力传动是本发明创造性的设计，驱动钢丝绳的传动方式，定滑轮的张力控制；每行上的驱动转轮，以及两个电机的协同运动功能实现了多排平单轴跟踪功能。柔性支架上的加固装置保证光伏组件很好的固定在两个柔性支撑的钢丝上，避免光伏组件的损坏具有实用性。两条钢丝与光伏组件之间的连接卡进行了独创设计，固定方式即保证了较少的用材，也保证了组件在柔性支撑上不受额外的作用力减少隐裂的风险。从光伏电站成本上分析，该结构的成本与固定式支架系统持平，但发电量会比固定式支架系统高出8％～12％左右。本发明设计的产品最大的优点是在降低光伏电站建造成本的前提下，实现了平单轴跟踪功能，最大化发挥出柔性平单轴系统的发电收益率，具有广阔的市场推广前景。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，包括四个部分：光伏组件、柔性支架、驱动组件和电机控制部分，其特征在于：所述的柔性支架包括支撑底座、支撑臂、驱动轴承和钢丝；驱动轴承的一端与支撑臂刚性连接；驱动轴承嵌入到支撑底座的顶端；支撑臂的两端分别固定连接一条钢丝；两条钢丝的另一端分别连接另一柔性支架中的支撑臂；光伏组件固定在两条钢丝之间；所述的驱动组件为柔性驱动部分包括驱动钢丝绳、驱动轮；驱动钢丝绳的一端缠绕固定在驱动轮上；驱动轮的中心孔穿过驱动轴承；驱动钢丝绳的另一端与电机控制部分相连接；柔性驱动部分放置在一列支架的两侧，一套驱动系统可以实现多排柔性支架的驱动跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，其特征在于柔性支架支撑底座采用钢制材料，采用三角形结构进行焊接；支撑底座通过支撑臂将两行钢丝拉紧并保持平行，驱动轴承为高分子材料。

3.根据权利要求1所述的一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，其特征在于所述在柔性支架行与行之间的驱动钢丝绳下方连接有定滑轮，定滑轮固定在柔性支架上，其作用是保持钢丝绳的张力和增加外力缓冲。

4.根据权利要求1所述的一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，其特征在于光伏组件包括固定梁、固定卡扣和固定组件压块；所述的固定梁是轻质支撑杆，构成光伏组件的正四边形外边缘；通过固定组件压块将光伏板与固定梁固定，固定卡扣在固定梁的四个顶点处与钢丝绳固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，其特征在于所述的电机控制部分包括控制器、GPS定位仪、电机和倾角仪；所述电机为两个电机分别带动光伏组件两侧的柔性支架上的驱动组件进行太阳跟踪；所述的电机与控制器连接，电机上连接减速机和倾角仪，减速机和驱动钢丝绳缠绕固定连接；控制器上连接GPS定位仪，通过倾角仪控制电机驱动光伏板的角度。

6.根据权利要求5所述的一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，其特征在于光伏组件两侧的驱动臂分别由各自的电机和倾角仪组成闭环控制系统；控制系统通过GPS进行经纬度的判断和时钟授时，通过天文算法进行主动式控制计算出的目标角度值，分别提供到左右驱动臂的控制逻辑中，左右电机分别进行驱动控制，最终各自达到相同的目标角度。

7.根据权利要求6所述的一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，其特征在于控制系统设置有许用值，对左右驱动臂的角度返回值和电机的状态进行实时监控；保证运动过程中，左右两个驱动臂的角度差不会超过许用值。

8.根据权利要求1所述的一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，其特征在于所述的柔性支架包括支撑底座、支撑臂、轴承和钢丝，在支撑臂上的钢丝之间至少设置一个刚性加强装置，刚性加强装置由与钢丝连接的钢圈，钢圈的另一端通过定滑轮和底座连接组成。

9.根据权利要求8所述的一种具有柔性支撑结构的单轴跟踪系统，其特征在于刚性加强装置的钢圈的圆心与柔性支架的支撑臂同心，钢圈的外圆与支撑组件的钢丝绳刚性固定；定滑轮组一端与底座相连，钢圈设置在定滑轮组合底座之间，刚性加强装置提高了柔性装置的刚度，避免风振引起的系统共振。