CN107152807A - 一种太阳追踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳追踪系统。该太阳追踪系统包括用于支撑光能利用装置的支撑架，还包括供支撑架铰接的基座，支撑架上于铰接轴线的至少一侧设有浮在液面中并在沉浮时驱动支撑架绕铰接轴线摆动的浮筒，太阳追踪系统还包括用于浮筒和外部液面实现液体交换的液体泵，液体泵调节浮筒的重力和浮力变化使支撑架的转向追踪太阳的位置变化。本发明的太阳追踪系统，改变浮筒内的液体量，浮筒受到的浮力和重力自动平衡，浮筒没入液体中的深度发生改变，进而带动支撑架的位置改变，实现对太阳位置变化的追踪；该太阳追踪系统结构简单、运行可靠性好，可通过浮筒内的液量控制实现较高精度的太阳追踪。

Description

一种太阳追踪系统

技术领域

本发明属于太阳追踪领域，具体涉及一种太阳追踪系统。

背景技术

太阳能是地球分布最广的可再生能源，针对太阳能的光伏发电、光热利用等光能利用装置目前已广泛得到应用。为最大程度提高光伏、光热装置接收太阳光照的效率，通常采用追踪太阳方位角和(或)俯仰角(高度角)的追踪系统。提供一种简单、廉价、可靠的太阳追踪系统具有重要意义。

授权公告号为CN203708178U的专利公开了一种双轴联动的定日发电装置，包括使用电机和涡轮蜗杆减速装置驱动的可沿水平方向旋转的方位角支架，以及位于方位角支架上的俯仰角支架，俯仰角支架连接有电机和螺杆结构用于驱动俯仰角支架沿南北方向的转向发生变化，从而实现同时追踪太阳方位角和俯仰角的双轴追踪目的。

现有的太阳追踪装置，电机通常是按照自动控制装置的指令进行点动式调节，调节不能连续进行；追日过程往往需要电机频繁启动，而每次电机启动均需要克服较大的静态转矩，且由于一套电机及减速装置往往对应多个光伏装置，造成每次电机启动时的机械应力较为集中；风力较大时，光伏组件、光热元件受到风力影响，风力传递至涡轮蜗杆减速机构上，容易导致减速机构故障。以上因素导致现有的追日装置制造成本高、追踪精度较低、可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳追踪系统，从而解决现有技术中太阳追踪系统存在的可靠性低、追踪精度低、造价高昂的问题。

为实现上述目的，本发明的太阳追踪系统的技术方案是：

一种太阳追踪系统，包括用于支撑光能利用装置的支撑架，还包括供支撑架铰接的基座，支撑架上于铰接轴线的至少一侧设有浮在液面中并在沉浮时驱动支撑架绕铰接轴线摆动的浮筒，太阳追踪系统还包括用于浮筒和外部液面实现液体交换的液体泵，液体泵调节浮筒的重力和浮力变化使支撑架的转向追踪太阳的位置变化。

本发明的太阳追踪系统，改变浮筒内的液体量，浮筒受到的浮力和重力自动平衡，浮筒没入液体中的深度发生改变，进而带动支撑架的位置改变，实现对太阳位置变化的追踪；该太阳追踪系统结构简单、运行可靠性好，可通过浮筒内的液量控制实现较高精度的太阳追踪。

本发明的太阳追踪系统，还包括为浮筒提供所述液面的外部液箱。外部液箱的体积通常较浮筒大，外部液箱须保证浮筒在一定范围内的位置变动不受限，浮筒浮于外部液箱内的液体中。

优选的，外部液箱设有盖板，浮筒通过连接杆与所述支撑架铰接，盖板上设有供连接杆穿过的开口，连接杆与开口之间具有间隙以供连接杆在开口内随支撑架的摆动进行位置调整。为减少外部液箱中的流体蒸发、避免受外界浮尘的污染，进一步优选的，所述开口与连接杆之间还设有柔性密封机构。柔性密封结构可选择如密封毛刷等机构。

基座可以设于固定物上，或设于水面浮体上。外部液箱也可以为水面，浮筒浮于水面上，形成水面光伏。

针对水上光伏的情形，所述浮筒设于水面上，所述基座设于水面浮体上或固定物上，浮筒为柱体结构，柱体结构的轴向一端与支撑架连接；浮筒外套设有与水面浮体或固定物连接的浮筒限定圈，浮筒限定圈的内径略大于浮筒的外径以使浮筒在浮筒限定圈内对应于支撑架的摆动而摆动。

支撑架上位于铰接轴线的两侧均设有浮筒，两侧浮筒之间通过双向计量泵和连接管连接，以供两侧浮筒内的水量相互交换。

所述水面浮体为封闭框体结构，所述支撑架设置在水面浮体形成的封闭框体内。

本发明的太阳追踪系统在运行时，改变浮筒内的液量，浮筒的重力和所受的浮力自动平衡，进而自动调整浮筒没入液面中部分的深度，直至浮筒所受的力达到平衡状态。通过浮筒的沉浮，带动支撑架围绕基座铰接处转动，进而实现支撑架转动。

通常，支撑架的重心通常布置于支撑架和基座间的铰接处，在不受外力的情况下，支撑架及其上支撑物处于平衡状态，当浮筒在液面中的没入深度处于稳定状态下，支撑架和浮筒之间的相互作用力很小。只考虑浮筒受重力和浮力、浮筒内外的液体相同、忽略浮筒筒身重量的情况下，浮筒内外的液体液位相同。或者说，改变浮筒没入液体中的深度，外部液箱内液体的液位基本维持不变。浮筒没入外部液箱中的深度和浮筒内的液量相关。

浮筒的横截面尺寸选择对于支撑架转向过程中的阻尼特性有直接影响。浮筒的横截面面积越大，所需要的液体改变量越大，相应地，系统的阻尼越大。由于支撑架上的支撑物会受到外力影响，特别是很容易受到风力影响。当支撑架受到风力作用时，通过改变浮筒没入液体中的深度变化，可以比较好地减小或避免风力对于装置的破坏作用。合适的浮筒横截面的选择，有助于在较小的风力情况下，支撑架转向位置基本不发生改变；当风力较大时，支撑架适当地摆动，能够有效消解风力的破坏作用。

浮筒的上升和下降可通过双向计量泵进行控制。浮筒和外部液箱间经双向计量泵连接。双向计量泵从外部液箱向浮筒内注入流体时，浮筒的重力上升，浮筒下沉，浮筒受到的浮力上升，进而带动支撑架相应转动。双向计量泵将浮筒内的流体排出至外部液箱内时，浮筒的重力下降，浮筒上升，浮筒受到的浮力下降，进而带动支撑架相应转动。

双向计量泵的运转根据控制系统给出的运转方向、流量值进行调整，进而满足支撑架的转向角度需要。支撑架绕铰接轴线东西向摆动的情况下，用于太阳方位角追踪；支撑架绕铰接轴线南北向摆动的情况下，用于太阳俯仰角追踪。控制系统可以根据当前的时间值，给出太阳追踪系统的设定方位角(或俯仰角)，和实际测得的支撑架方位角(俯仰角)进行比较，根据差值调整双向计量泵的运转参数。

所述太阳追踪系统也可通过以下方案实现方位角和俯仰角的双轴追踪：

所述太阳追踪系统还包括摆动架，摆动架的摆动轴线与支撑架的摆动轴线垂直，所述基座设于摆动架上。进一步优选的，所述摆动架包括沿平行于支撑架的摆动轴线方向间隔设置的至少两个配重浮箱，各配重浮箱之间通过双向计量泵和连接管连接。

各配重浮箱内的水量相互交换，引起重力或浮力变化，驱动摆动架沿其摆动轴线摆动。

所述光能利用装置为双面发电光伏组件或双玻光伏组件。双面发电光伏组件或双玻光伏组件可以充分利用水面反光，提高组件的光照强度。

本发明的太阳追踪系统可以用于光伏发电、光热集热装置等，提高装置的光能利用率。该太阳追踪系统，结构简单，装备制造成本低廉，追踪精度高，运行稳定可靠，易于实现太阳方位角和/或俯仰角的精确追踪。

附图说明

图1为本发明实施例1的太阳追踪系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1的支撑架在浮筒内不同液量下的转向示意图；

图3为本发明实施例2的太阳追踪系统(水面光伏)的结构示意图；

图4为本发明实施例2的支撑架在浮筒内不同水量下的转向示意图；

图5为本发明实施例3的太阳追踪系统(水面光伏)的结构示意图；

图6为本发明实施例4的太阳追踪系统(水面光伏)的结构示意图；

图7为本发明实施例5的太阳追踪系统(水面光伏)的结构示意图；

图8为本发明实施例6的太阳追踪系统(水面光伏)的结构示意图；

图9为本发明实施例7的太阳追踪系统(水面光伏)的结构示意图；

图10为本发明中用于方位角追踪的系统控制框图；

图11为本发明中用于俯仰角追踪的系统控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的太阳追踪系统的实施例1，如图1所示，包括用于支持光伏组件1的支撑架2，以及供支撑架2铰接的设于地面基础41上的支撑柱4，支撑架2上位于支撑架铰接轴线的一侧设有浮筒5，浮筒5浮于外部液箱8的液面中，外部液箱8设有盖板，浮筒5通过刚性连接杆6与支撑架2铰接，浮筒和连接杆之间铰接，以在外部液箱的内径适当大于浮筒的外径的情况下，浮筒可在外部液箱内上下活动；盖板上设有供刚性连接杆穿过的开口，连接杆与开口之间具有间隙以供连接杆在开口内有一定活动范围，连接杆与开口之间设置密封毛刷9以实现柔性密封；外部液箱8上还设有用于浮筒和外部液箱内的液体互换的双向计量泵7，双向计量泵7的一端通过内连接管70与浮筒内的液体接触，另一端通过外连接管71与外部液箱内的液体接触。

实施例1中，支撑架在浮筒内不同液体量下的转向示意图如图2所示，改变浮筒内的液体量，浮筒在重力、浮力的共同作用下，改变没入水中的深度，带动支撑架转向，支撑架上受到的力矩保持动态平衡；左图为浮筒内的液体量保持支撑架水平状态的结构示意图；中图中，通过双向计量泵减少浮筒中的液体量，浮筒上升，浮筒所受浮力减小，浮力减小量与浮筒内液体的减少量一致，带动支撑架绕摆动轴线向上运动，直至达到力矩平衡；右图中，通过双向计量泵增加浮筒中的液体量，浮筒下沉，浮筒所受浮力增大，浮力增加量与浮筒内液体的增加量基本一致，带动支撑架绕摆动轴线向下运动，直至达到力矩平衡。实施例1的太阳追踪系统在运行过程中，可以控制双向计量泵连续运转，根据控制系统的指令微调计量泵的转速，来实现高追踪精度的追踪过程。

本发明的太阳追踪系统的实施例2，用于水面光伏追踪太阳，如图3所示，包括用于支持光伏组件1的支撑架2，支撑架2与设于水面浮体3上的支撑柱4铰接，支撑架2上位于支撑柱4的一侧设有与水接触的浮筒5，浮筒5通过刚性连接杆6与支撑架2铰接，浮筒5外套设有浮筒限定圈50，浮筒限定圈50连接于水面浮体3上以限定浮筒5的运动方向，浮筒5上还连接有用于与浮筒内的水接触的内连接管70、双向计量泵7、用于与外部水接触的外连接管71，用于浮筒内的水泵出或外部水泵入。实施例2可以认为是实施例1的一种特例，以水面替代外部液箱，以水面上的浮体(或固定物)作基座。

实施例2中，支撑架在浮筒内不同水量下的转向示意图如图4所示，改变浮筒内的水量，浮筒在重力、浮力的共同作用下，改变没入水中的深度，带动支撑架转向，支撑架上受到的力矩保持动态平衡；左图为浮筒内的水量保持支撑架水平状态的结构示意图；中图中，通过双向计量泵减少浮筒中的水量，浮筒上升，带动支撑架绕摆动轴线向上运动，直至达到力矩平衡；右图中，通过双向计量泵增加浮筒中的水量，浮筒下沉，浮筒所受浮力增大，浮力增加量与浮筒内水量的增加量基本一致，带动支撑架向下运动，直至达到力矩平衡。

本发明的水面光伏追踪系统的实施例3，如图5所示，水面浮体3围成左、右两处矩形水面8，支撑架2与设于水面浮体3上的支撑柱铰接，支撑架包括与摆动轴线垂直的横向支撑梁20和支撑架边框21，横向支撑梁上位于摆动轴线的一侧上设有浮筒5、浮筒限定圈50和双向计量泵7，浮筒限定圈50套设于浮筒5外并连接于水面浮体3上。

本发明的水面光伏追踪系统的实施例4，如图6所示，与实施例2的区别在于，支撑架2的两侧分别设有第一浮筒500和第二浮筒501，第一浮筒500和第二浮筒501之间通过连接管700和双向计量泵7连接，以实现第一浮筒500和第二浮筒501内的水量循环使用。该实施例中，若浮筒采用密闭结构，可进一步在浮筒顶部之间设置通气管，以保持两侧浮筒内的气压一致。浮筒和支撑架之间可以采用柔性的连接索替代连接杆，采用连接索方式下，由于两侧浮筒提供了转向相反的力矩，且保持平衡状态，连接索运行中保持绷紧状态，当支撑架受风力等因素影响发生偏转时，总有一侧浮筒提供和支撑架偏转相反的力矩，能够保持支撑架稳定。

本发明的水面光伏追踪系统的实施例5，如图7所示，与实施例2的区别在于，支撑柱4设于水底桩基40上，形成固定物支撑，浮筒限定圈50连接于支撑柱4上。考虑到适应水面水位变化的影响，相较于采用水面浮体做基座方式，浮筒的上下方向的长度要更长，相应地，运行过程中，高水位时，浮筒内的水量更多，低水位时，浮筒内的水量更少。

本发明的水面光伏追踪系统的实施例6，如图8所示，矩形水面8上，多个支撑架2串联设置，具有共同的摆动轴线，各个支撑架上均设有浮筒，各浮筒5之间通过通水管700相互连通以实现浮筒的重力或浮力状态相同，其中一个浮筒上设有双向计量泵7以控制各浮筒内的水量。

本发明的水面光伏追踪系统的实施例7，如图9所示，包括沿南北方向间隔设置的南侧配重浮箱100、北侧配重浮箱101，南侧配重浮箱100、北侧配重浮箱101之间通过俯仰角双向计量泵110和连接管连接，南侧配重浮箱100、北侧配重浮箱101上分别设置支撑柱，还包括用于支撑光伏组件的支撑架2，支撑架2与支撑柱铰接，南侧配重浮箱100、北侧配重浮箱101内的水量变化引起支撑架在南北方向俯仰摆动；南侧配重浮箱100、北侧配重浮箱101通过系留缆绳13固定于水面浮体上，系留缆绳处于绷紧状态。当水面水位变化时，水面浮体和南北侧配重浮筒之间的相对位置关系没有改变，对于系留缆绳的状态没有影响，无须调整系留缆绳的状态。

位于支撑架东西轴线的东侧上设置方位角配重浮筒12、方位角双向计量泵111，具体连接结构可参考实施例2，方位角水桶内的水量变化引起支撑架在东西方向转动；通过控制方位角浮筒、南侧配重浮箱100、北侧配重浮箱101内的水量变化实现方位角和俯仰角的双轴追踪。

实施例1～实施例7中，用于方位角控制和俯仰角控制的系统框图如图10和图11所示，图10的方位角追踪控制中，设定的控制方位角由当前时间计算得到，作为前馈，实测的方位角作为反馈，和控制方位角比较，修正双向计量泵的流速值即可。图11的俯仰角追踪控制中，设定的控制俯仰角由当前时间计算得到，作为前馈；实测的俯仰角作为反馈，和控制俯仰角比较，若使用连续调节方式，修正双向计量泵的流速值；若使用间歇式调节，则当偏差达到设定值以上时，启动双向计量泵，双向计量泵按照给定的运转时间长度、运转方向进行一次泵送。考虑到俯仰角的变化速度非常缓慢，优选地，采用间歇式调节，相应地，双向计量泵可以选择为双向泵即可，泵送液体的时间间隔、运转时间长度由控制装置调整。

实施例1～实施例7中，支撑架的摆动轴线沿南北方向延伸，支撑架沿东西方向转动，形成方位角追踪装置；或者支撑架的摆动轴线沿东西方向延伸，支撑架沿南北方向转动，形成俯仰角追踪装置。

其他实施例中，可通过上下设置摆动轴线相互垂直的方位角支架、俯仰角支架(或俯仰角支架、方位角支架)来实现双轴跟踪，俯仰角支架与基座铰接，俯仰角支架上设有用于调节俯仰角支架转向的俯仰角浮筒和双向计量泵；方位角支架铰接于俯仰角支架上的支持物上，方位角支架上设置用于调节方位角支架转向的方位角浮筒和双向计量泵，即可实现俯仰角和方位角的双轴追踪。浮筒的形状可以为箱体或其他形状；基座与支撑架的铰接点可位于支撑架的端部。

Claims (10)

1.一种太阳追踪系统，包括用于支撑光能利用装置的支撑架，其特征在于，还包括供支撑架铰接的基座，支撑架上于铰接轴线的至少一侧设有浮在液面中并在沉浮时驱动支撑架绕铰接轴线摆动的浮筒，太阳追踪系统还包括用于浮筒和外部液面实现液体交换的液体泵，液体泵调节浮筒的重力和浮力变化使支撑架的转向追踪太阳的位置变化。

2.如权利要求1所述的太阳追踪系统，其特征在于，还包括为浮筒提供所述液面的外部液箱。

3.如权利要求2所述的太阳追踪系统，其特征在于，外部液箱设有盖板，浮筒通过连接杆与所述支撑架铰接，盖板上设有供连接杆穿过的开口，连接杆与开口之间具有间隙以供连接杆在开口内随支撑架的摆动进行位置调整。

4.如权利要求3所述的太阳追踪系统，其特征在于，所述开口与连接杆之间还设有柔性密封机构。

5.如权利要求1所述的太阳追踪系统，其特征在于，所述浮筒设于水面上，所述基座设于水面浮体上或固定物上，浮筒为柱体结构，柱体结构的轴向一端与支撑架连接；浮筒外套设有与水面浮体或固定物连接的浮筒限定圈，浮筒限定圈的内径略大于浮筒的外径以使浮筒在浮筒限定圈内对应于支撑架的摆动而摆动。

6.如权利要求5所述的太阳追踪系统，其特征在于，支撑架上位于铰接轴线的两侧均设有浮筒，两侧浮筒之间通过双向计量泵和连接管连接，以供两侧浮筒内的水量相互交换。

7.如权利要求5所述的太阳追踪系统，其特征在于，所述水面浮体为封闭框体结构，所述支撑架设置在水面浮体形成的封闭框体内。

8.如权利要求5所述的太阳追踪系统，其特征在于，所述太阳追踪系统还包括摆动架，摆动架的摆动轴线与支撑架的摆动轴线垂直，所述基座设于摆动架上。

9.如权利要求8所述的太阳追踪系统，其特征在于，所述摆动架包括沿平行于支撑架的摆动轴线方向间隔设置的至少两个配重浮箱，各配重浮箱之间通过双向计量泵和连接管连接。

10.如权利要求1～9任一项所述的太阳追踪系统，其特征在于，所述光能利用装置为双面发电光伏组件或双玻光伏组件。