CN107390725B - 一种自主追踪太阳光线的系统及其控制方法 - Google Patents

一种自主追踪太阳光线的系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自主追踪太阳光线的系统及其控制方法，自主追踪太阳光线的系统包括光控阀、光伏面板以及设置于光伏面板下方的至少三根立柱，立柱上端与光伏面板下表面球接；三根立柱分别为第一立杆、第二立杆和第三立杆；第三立杆下端与一基板固定连接，第一立杆和第二立杆下端与基板球接；第一立杆、第二立杆和第三立杆呈三角排布；第一立杆和第二立杆内部分别设置有第一液压缸和第二液压缸，受液压力推动改变第一立杆和第二可调立杆轴向的长度，第一立杆和第二立杆均设置有竖直方向上的回位弹簧；光控阀包括与光伏面板处于同一平面的聚光装置，聚光装置包括至少一块的凸透镜，聚光装置下表面设置有环形的热膨胀工质阀体。

Description

一种自主追踪太阳光线的系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种自主追踪太阳光线的系统及其控制方法，属于太阳能吸收设备领域。
背景技术
太阳能光伏发电是一种十分具有前景的可再生清洁能源，也是被认为最有优势的一种可再生能源，近年来获得了快速发展。而如何使得太阳能吸收效率最大化是目前亟需解决的一个问题。由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳能跟踪系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，都要靠计算该固定地点每一时刻的太阳位置以实现跟踪。其欠缺的地方在于：一、采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新计算参数、设定数据和调整各个参数；二、原理、电路、技术、设备都很复杂，且太阳能跟踪系统，非专业人士不能够随便操作；三、现有的太阳能吸收装置追光系统主要依靠外界输入信号来控制太阳能吸收装置跟踪太阳光线；其动力系统大多使用电能转换为动能；太阳能吸收装置过热会影响其发电量；四、耗费成本高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种自主追踪太阳光线的系统及其控制方法，该自主追踪太阳光线的系统及其控制方法能根据太阳能光线各个时刻的变化来控制光伏面板，使得光伏面板吸收效率最大化，无需外部控制，更好地利用了太阳能。
本发明的技术方案如下：
一种自主追踪太阳光线的系统，包括光控阀、光伏面板以及设置于光伏面板下方的至少三根立柱，立柱上端与光伏面板下表面球接；三根立柱分别为第一立杆、第二立杆和第三立杆；第三立杆下端与一基板固定连接，第一立杆和第二立杆下端与基板球接；第一立杆、第二立杆和第三立杆呈三角排布；第一立杆和第二立杆内部分别设置有第一液压缸和第二液压缸，受液压力推动改变第一立杆和第二可调立杆轴向的长度，第一立杆和第二立杆均设置有竖直方向上的回位弹簧；光控阀包括与光伏面板处于同一平面的聚光装置，聚光装置包括至少一块的凸透镜，聚光装置下表面设置有环形的热膨胀工质阀体，热膨胀工质阀体包括按顺时针方向依次设置的第一膨胀工质阀体、第三膨胀工质阀体、第二膨胀工质阀体和第四膨胀工质阀体；第一膨胀工质阀体和第三膨胀工质阀体位于第一立杆和第二立杆上端连线的同侧设置；第一膨胀工质阀体吸热后打开第一液压缸上升腔进油管路和第一液压缸下降腔出油管路从而控制第一立杆的上升，第二膨胀工质阀体吸热后打开第一液压缸下降腔进油管路和第一液压缸上升腔出油管路从而控制第一立杆的下降；第三膨胀工质阀体吸热后打开第二液压缸上升腔的进油管路和第二液压缸下降腔的出油管路从而控制第二液压缸的伸缩杆的伸展，第四膨胀工质阀体吸热后打开第二液压缸下降腔的进油管路和第二液压缸上升腔的出油管路从而控制第二液压缸的伸缩杆的收缩。
其中，所述的自主追踪太阳光线的系统，还包括压力能存储系统；压力能存储系统包括依次管道连通太阳能-压力能转换器、压力蓄能器和液体收集装置；压力蓄能器通过第一进液管、第二进液管、第三进液管、第四进液管分别与第一液压缸上升腔、第一液压缸下降腔、第二液压缸上升腔和第二液压缸下降腔连通；第一液压缸上升腔、第一液压缸下降腔、第二液压缸上升腔和第二液压缸下降腔分别通过第一出液管、第二出液管、第三出液管、第四出液管与液体收集装置连通；第一膨胀工质阀体同时控制第一进液管和第二出液管的通断，第三膨胀工质阀体同时控制第三进液管和第四出液管的通断，第二膨胀工质阀体同时控制第二进液管和第一出液管的通断，第四膨胀工质阀体同时控制第四进液管和第三出液管的通断；太阳能-压力能转换器内设置有低沸点工质，吸热后发生液-气相变产生的体积膨胀将压力能存储至压力蓄能器；光照强度不足太阳能-压力能转换器，内部低沸点工质温度下降而发生气-液相变体积收缩形成负压力，压力经由管道将液体收集装置内的液体工作介质吸回压力蓄能器；第一进液管、第二进液管、第三进液管、第四进液管、第一出液管、第二出液管、第三出液管以及第四出液管均为单向管道。
其中，所述太阳能-压力能转换器设置于光伏面板下表面。
一种自主追踪太阳光线的系统的控制方法，包括上述的自主追踪太阳光线的系统，步骤如下：
S1、初始状态：在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光伏面板上端面对准太阳升起的方向；
S2、跟踪过程：在太阳光照强度达到一定条件下，自主跟踪太阳光线运动系统调节光伏面板上端面朝着太阳光照强度大的方向倾斜；
S3、复位过程：在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光伏面板回到初始位置。
其中，步骤S2的具体步骤如下：
S2-1、太阳能-压力能转换器接受太阳能后，其内部的低沸点工质吸热后发生液-气相变产生的体积膨胀将压力能存储至压力蓄能器；
S2-2、一定强度的太阳光照射到光控阀的聚光装置上，聚光装置根据凸透镜聚原理聚光后形成光斑，光斑会依据太阳光入射角的改变而发生移动，当光伏面板与太阳光线正对，光斑位于热膨胀工质阀体中间位置，光伏面板角度不变；当光斑移动到第一膨胀工质阀体、第三膨胀工质阀体、第二膨胀工质阀体和第四膨胀工质阀体中任一上，加热后热膨胀工质阀体发生固-液相变体积变大从而控制阀门打开，从而分别控制第一立杆上升、第二立杆上升、第一立杆下降和第二立杆下降；
S2-3、光斑移出某一热膨胀工质阀体区域，热膨胀工质阀体内冷却发生液-固相变体积变小从而控制阀门的关闭。
其中，步骤S3的具体步骤如下：
S3-1、在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光斑较弱，热膨胀工质阀体不工作；
S3-2、回位弹簧回位使得第一立杆和第二立杆回到初始长度，光伏面板回到初始位置。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明能根据太阳能光线各个时刻的变化来控制光伏面板，使得光伏面板吸收效率最大化，无需外部控制，更好地利用了太阳能。
2、本发明方便拆卸和安装，系统调试简单，不易受到外界干扰而造成信息传输有误，适用性强。
3、本发明具有在无需外部信号和外部动力的条件下自主运动的功能，能相对准确地自动跟踪太阳光线入射方位角和仰角的变化，使得太阳能吸收效率最大化。
4、本发明的光控阀的设置，能够根据太阳光线的变化来实现控制管路的通断，从而实现立柱的升降，来实现光伏面板始终朝向太阳光线，控制简单，效果好。
5、本发明设置有压力能存储系统，很好地利用了太阳能来实现压力的存储，有效利用资源，降低成本。
6、本发明很好地利用了凸透镜的聚光原理来形成控制光斑，且利用了各种介质受热后转化形态的特性，使得控制光伏面板来实现自主追踪太阳光线的效果好。
附图说明
图1为本发明的光伏面板与立柱配合示意图；
图2为本发明的原理连接示意图；
图3为本发明的光伏面板俯视图；
图4为本发明的光控阀侧视图；
图5为本发明的热膨胀工质阀体俯视图。
图中附图标记表示为：
1-光控阀、2-光伏面板、3-立柱、31-第一立杆、32-第二立杆、33-第三立杆、34-第一液压缸、35-第二液压缸、36-回位弹簧、4-聚光装置、5-热膨胀工质阀体、51-第一膨胀工质阀体、52-第三膨胀工质阀体、53-第二膨胀工质阀体、54-第四膨胀工质阀体、301-第一液压缸上升腔、302-第一液压缸下降腔、303-第二液压缸上升腔、304-第二液压缸下降腔、6-压力能存储系统、7-太阳能-压力能转换器、8-压力蓄能器、9-液体收集装置、81-第一进液管、82-第二进液管、83-三进液管、84-第四进液管、85-第一出液管、86-第二出液管、87-第三出液管、88-第四出液管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
参见图1-5，一种自主追踪太阳光线的系统，包括光控阀1、光伏面板2以及设置于光伏面板2下方的至少三根立柱3，立柱3上端与光伏面板2下表面球接,三根立柱3分别为第一立杆31、第二立杆32和第三立杆33；第三立杆33下端与一基板固定连接，第一立杆31和第二立杆32下端与基板球接；基板可以是漂浮在水面的，也可以是固定在陆地上的，比如路边或屋顶；第一立杆31、第二立杆32和第三立杆33呈三角排布；第一立杆31和第二立杆32内部分别设置有第一液压缸34和第二液压缸35，受液压力推动改变第一立杆34和第二可调立杆35轴向的长度，第一立杆31和第二立杆32均设置有竖直方向上的回位弹簧36，两回位弹簧36的上端分别与第一立杆31和第二立杆32上沿固定连接，下端分别与基板固定连接，使得第一立杆31和第二立杆32在第一液压缸34和第二液压缸35不工作情况下能够回到初始位置；光控阀1包括与光伏面板2处于同一平面的聚光装置4，聚光装置4包括至少一块的凸透镜，聚光装置4下表面设置有环形的热膨胀工质阀体5，热膨胀工质阀体5包括按顺时针方向依次设置的第一膨胀工质阀体51、第三膨胀工质阀体52、第二膨胀工质阀体53和第四膨胀工质阀体54；第一膨胀工质阀体51和第三膨胀工质阀体52位于第一立杆31和第二立杆32上端连线的同侧设置；第一膨胀工质阀体51吸热后打开第一液压缸上升腔301进油管路和第一液压缸下降腔302出油管路从而控制第一立杆31的上升，第二膨胀工质阀体53吸热后打开第一液压缸下降腔302进油管路和第一液压缸上升腔301出油管路从而控制第一立杆31的下降；第三膨胀工质阀体52吸热后打开第二液压缸上升腔303的进油管路和第二液压缸下降腔304的出油管路从而控制第一立杆31的上升，第四膨胀工质阀体54吸热后打开第二液压缸下降腔304的进油管路和第二液压缸上升腔303的出油管路从而控制第一立杆31的下降。
参见图2，所述的自主追踪太阳光线的系统，还包括压力能存储系统6；压力能存储系统6包括依次管道连通太阳能-压力能转换器7、压力蓄能器8和液体收集装置9；太阳能-压力能转换器7设置于光伏面板2下表面，贴近光伏面板2，利用光伏面板2工作时产生的余热工作，同时为光伏面板2降温；压力蓄能器8通过第一进液管81、第二进液管82、第三进液管83、第四进液管84分别与第一液压缸上升腔301、第一液压缸下降腔302、第二液压缸上升腔303和第二液压缸下降腔304连通；第一液压缸上升腔301、第一液压缸下降腔302、第二液压缸上升腔303和第二液压缸下降腔304分别通过第一出液管85、第二出液管86、第三出液管87、第四出液管88与液体收集装置9连通；第一膨胀工质阀体51同时控制第一进液管81和第二出液管86的通断，第三膨胀工质阀体52同时控制第三进液管83和第四出液管88的通断，第二膨胀工质阀体53同时控制第二进液管82和第一出液管85的通断，第四膨胀工质阀体54同时控制第四进液管84和第三出液管87的通断；太阳能-压力能转换器7内设置有低沸点工质，吸热后发生液-气相变产生的体积膨胀将压力能存储至压力蓄能器8；光照强度不足，太阳能-压力能转换器7内部低沸点工质温度下降而发生气-液相变体积收缩形成负压力，压力经由管道将液体收集装置9内的液体工作介质吸回压力蓄能器8；第一进液管81、第二进液管82、第三进液管83、第四进液管84、第一出液管85、第二出液管86、第三出液管87以及第四出液管88均为单向管道。
参见图3-5，以第三立杆33上端和第一立杆31上端连线所在直线为Y轴，以第三立杆33上端和第二立杆32上端连线所在直线为X轴。光伏面板2可沿X轴和Y轴转动，当光伏面板2正对阳光时，聚光装置4形成的光斑位于热膨胀工质阀体5中部空白区域不启动阀体，当太阳光发生变化时，光控阀1形成光斑发生移动，如太阳发生X轴正向移动，太阳光线在聚光装置4内发生折射后,聚光装置4形成光斑移动到第四膨胀工质阀体54感应区域内，第四膨胀工质阀体54启动，压力蓄能器8内的介质通过第四进液管84进入第二液压缸下降腔304，同时第二液压缸上升腔303内的介质通过第三出液管87流向液体收集装置9，第二液压缸35发生下降动作，光伏面板2绕Y轴发生转动，当光伏面板2再次正对阳光时，光斑再次移动到中部空白区域，第四膨胀工质阀体54关闭，第二液压缸36下降动作停止。以此类推以实现自主追光功能。
一种自主追踪太阳光线的系统的控制方法，包括上述的自主追踪太阳光线的系统，步骤如下：
S1、初始状态：在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光伏面板2上端面对准太阳升起的方向；
S2、跟踪过程：在太阳光照强度达到一定条件下，自主跟踪太阳光线运动系统调节光伏面板2上端面朝着太阳光照强度大的方向倾斜；
S3、复位过程：在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光伏面板2回到初始位置。
其中，步骤S2的具体步骤如下：
S2-1、太阳能-压力能转换器7接受太阳能后，其内部的低沸点工质吸热后发生液-气相变产生的体积膨胀将压力能存储至压力蓄能器8；
S2-2、一定强度的太阳光照射到光控阀1的聚光装置4上，聚光装置4根据凸透镜聚原理聚光后形成光斑，光斑会依据太阳光入射角的改变而发生移动，当光伏面板2与太阳光线正对，光斑位于热膨胀工质阀体5中间位置，光伏面板2角度不变；当光斑移动到第一膨胀工质阀体51、第三膨胀工质阀体52、第二膨胀工质阀体53和第四膨胀工质阀体54中任一上，加热后热膨胀工质阀体5发生固-液相变体积变大从而控制阀门打开，从而分别控制第一立杆31上升、第二立杆32上升、第一立杆31下降和第二立杆32下降；
S2-3、光斑移出热膨胀工质阀体5区域，热膨胀工质阀体5内冷却发生液-固相变体积变小从而控制相应的阀门的关闭。
其中，步骤S3的具体步骤如下：
S3-1、在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光斑较弱，热膨胀工质阀体5不工作；
S3-2、回位弹簧36回位使得第一立杆31和第二立杆32回到初始长度，光伏面板2回到初始位置。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种自主追踪太阳光线的系统，其特征在于：包括光控阀(1)、光伏面板(2)以及设置于光伏面板(2)下方的至少三根立柱(3)，立柱(3)上端与光伏面板(2)下表面球接；三根立柱(3)分别为第一立杆(31)、第二立杆(32)和第三立杆(33)；第三立杆(33)下端与一基板固定连接，第一立杆(31)和第二立杆(32)下端与基板球接；第一立杆(31)、第二立杆(32)和第三立杆(33)呈三角排布；第一立杆(31)和第二立杆(32)内部分别设置有第一液压缸(34)和第二液压缸(35)，受液压力推动改变第一立杆(34)和第二可调立杆(35)轴向的长度，第一立杆(31)和第二立杆(32)均设置有竖直方向上的回位弹簧(36)；光控阀(1)包括与光伏面板(2)处于同一平面的聚光装置(4)，聚光装置(4)包括至少一块的凸透镜，聚光装置(4)下表面设置有环形的热膨胀工质阀体(5)，热膨胀工质阀体(5)包括按顺时针方向依次设置的第一膨胀工质阀体(51)、第三膨胀工质阀体(52)、第二膨胀工质阀体(53)和第四膨胀工质阀体(54)；第一膨胀工质阀体(51)和第三膨胀工质阀体(52)位于第一立杆(31)和第二立杆(32)上端连线的同侧设置；第一膨胀工质阀体(51)吸热后打开第一液压缸上升腔(301)进油管路和第一液压缸下降腔(302)出油管路从而控制第一立杆(31)的上升，第二膨胀工质阀体(53)吸热后打开第一液压缸下降腔(302)进油管路和第一液压缸上升腔(301)出油管路从而控制第一立杆(31)的下降；第三膨胀工质阀体(52)吸热后打开第二液压缸上升腔(303)的进油管路和第二液压缸下降腔(304)的出油管路从而控制第一立杆(31)的上升，第四膨胀工质阀体(54)吸热后打开第二液压缸下降腔(304)的进油管路和第二液压缸上升腔(303)的出油管路从而控制第一立杆(31)的下降。
2.根据权利要求1所述的自主追踪太阳光线的系统，其特征在于：还包括压力能存储系统(6)；压力能存储系统(6)包括依次管道连通太阳能-压力能转换器(7)、压力蓄能器(8)和液体收集装置(9)；压力蓄能器(8)通过第一进液管(81)、第二进液管(82)、第三进液管(83)、第四进液管(84)分别与第一液压缸上升腔(301)、第一液压缸下降腔(302)、第二液压缸上升腔(303)和第二液压缸下降腔(304)连通；第一液压缸上升腔(301)、第一液压缸下降腔(302)、第二液压缸上升腔(303)和第二液压缸下降腔(304)分别通过第一出液管(85)、第二出液管(86)、第三出液管(87)、第四出液管(88)与液体收集装置(9)连通；第一膨胀工质阀体(51)同时控制第一进液管(81)和第二出液管(86)的通断，第三膨胀工质阀体(52)同时控制第三进液管(83)和第四出液管(88)的通断，第二膨胀工质阀体(53)同时控制第二进液管(82)和第一出液管(85)的通断，第四膨胀工质阀体(54)同时控制第四进液管(84)和第三出液管(87)的通断；太阳能-压力能转换器(7)内设置有低沸点工质，吸热后发生液-气相变产生的体积膨胀将压力能存储至压力蓄能器(8)；光照强度不足，太阳能-压力能转换器(7)内部低沸点工质温度下降而发生气-液相变体积收缩形成负压力，压力经由管道将液体收集装置(9)内的液体工作介质吸回压力蓄能器(8)；第一进液管(81)、第二进液管(82)、第三进液管(83)、第四进液管(84)、第一出液管(85)、第二出液管(86)、第三出液管(87)以及第四出液管(88)均为单向管道。
3.根据权利要求2所述的自主追踪太阳光线的系统，其特征在于：所述太阳能-压力能转换器(7)设置于光伏面板(2)下表面。
4.一种自主追踪太阳光线的系统的控制方法，其特征在于：包括上述权利要求3所述的自主追踪太阳光线的系统，步骤如下：
S1、初始状态：在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光伏面板(2)上端面对准太阳升起的方向；
S2、跟踪过程：在太阳光照强度达到一定条件下，自主跟踪太阳光线运动系统调节光伏面板(2)上端面朝着太阳光照强度大的方向倾斜；
S3、复位过程：在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光伏面板(2)回到初始位置。
5.根据权利要求4所述的自主追踪太阳光线的系统的控制方法，其特征在于：步骤S2的具体步骤如下：
S2-1、太阳能-压力能转换器(7)接受太阳能后，其内部的低沸点工质吸热后发生液-气相变产生的体积膨胀将压力能存储至压力蓄能器(8)；
S2-2、一定强度的太阳光照射到光控阀(1)的聚光装置(4)上，聚光装置(4)根据凸透镜聚原理聚光后形成光斑，光斑会依据太阳光入射角的改变而发生移动，当光伏面板(2)与太阳光线正对，光斑位于热膨胀工质阀体(5)中间位置，光伏面板(2)角度不变；当光斑移动到第一膨胀工质阀体(51)、第三膨胀工质阀体(52)、第二膨胀工质阀体(53)和第四膨胀工质阀体(54)中任一上，加热后热膨胀工质阀体(5)发生固-液相变体积变大从而控制阀门打开，从而分别控制第一立杆(31)上升、第二立杆(32)上升、第一立杆(31)下降和第二立杆(32)下降；
S2-3、光斑移出热膨胀工质阀体(5)区域，热膨胀工质阀体(5)内冷却发生液-固相变体积变小从而控制相应的阀门的关闭。
6.根据权利要求5所述的自主追踪太阳光线的系统的控制方法，其特征在于：步骤S3的具体步骤如下：
S3-1、在无太阳光照条件或太阳光照强度处于较弱状态下，光斑较弱，热膨胀工质阀体(5)不工作；
S3-2、回位弹簧(36)回位使得第一立杆(31)和第二立杆(32)回到初始长度，光伏面板(2)回到初始位置。
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