CN107491096A - 高效追踪式光伏发电系统与矩阵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高效追踪式光伏发电系统与矩阵，光伏发电系统包括贴板、光伏电池、框体、支座；光伏电池固定在所述贴板上；贴板包括固定端部和活动端部，固定端部和活动端部均通过第一转轴分别与框体相对的两个侧面相连接，活动端部用于通过第一转轴带动贴板转动来调节光伏电池的方位角；框体的两端通过第二转轴安装在支座上，框体通过第二转轴的转动调整光伏电池的俯仰角；还包括光线追踪器，所述光线追踪器用于追踪太阳的方位角和俯仰角；所述光线追踪器通过控制组件分别与第一转轴和第二转轴相连接。本发明还公开了高效追踪式光伏发电矩阵，包括多个高效追踪式光伏发电系统。本发明大幅提高光伏电池对太阳能的收集效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光电利用技术领域，涉及一种光伏发电矩阵与太阳入射光线保持垂直，可有效提高对太阳能的收集效率。
背景技术
化石燃料日趋减少，太阳能已成为人类能源的重要组成部分，尤其在国家能源局公布了可再生能源发展的“十三五”规划目标之后，太阳能作为理想和洁净的可再生能源，其发电技术受到极大重视。为提高光伏装机容量，一般将大量的光伏电池按一定间隔排列组合，以串、并联方式构成光伏发电矩阵。
根据日地运行规律，为使光伏发电矩阵接收更多的太阳辐照量，矩阵表面一般朝向赤道方向安装，且多采用倾斜放置。显然随着太阳高度角的变化，一天中大部分时间，光伏电池无法接受到太阳直射而处于低效工作状态，进而无法实现光伏发电的效率最大化。
发明内容
针对上述光伏电池朝向固定的缺陷，本发明目的是提供一种高效节能、简便易行，且在太阳辐射强烈时，矩阵中光伏电池表面与太阳光线保持垂直的高效追踪式光伏电池矩阵。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案：
高效追踪式光伏发电系统，包括：贴板、光伏电池、框体、支座；所述光伏电池固定在所述贴板上；
所述贴板包括固定端部和活动端部，固定端部和活动端部均通过第一转轴分别与框体相对的两个侧面相连接，所述活动端部用于通过第一转轴带动贴板转动来调节光伏电池的方位角；
所述框体的两端通过第二转轴安装在支座上，所述框体通过第二转轴的转动调整光伏电池的俯仰角；
还包括光线追踪器和控制组件，所述光线追踪器用于追踪太阳的方位角和俯仰角；所述光线追踪器与控制组件相连接，所述控制组件分别控制第一转轴和第二转轴的转动。
进一步地，所述的贴板有多个。
进一步地，贴板的活动端部设有第一齿轮，与活动端部相连接的框体侧面为一带有外螺纹的杆体，所述带有外螺纹的杆体与第一齿轮相啮合；
还包括第一伺服电机，所述第一伺服电机驱动带有外螺纹的杆体进行转动。
进一步地，所述带有外螺纹的杆体的一端与框体相连接，另一端通过第二齿轮和第三齿轮的啮合与第三转轴相连接，第三转轴通过第四齿轮与第五齿轮的啮合与第四转轴相连接，第四转轴与第一伺服电机相连接。
进一步地，还包括第二伺服电机，所述第二转轴与第二伺服电机相连接。
进一步地，通过式(1)得到T1到T2时间内第二伺服电机的转速n2：
其中，Δh为T1到T2时间内太阳高度的变化值，
，
δ为太阳赤纬角，ω为太阳中心点到地心的连线与子午线之间的夹角，为纬度，北半球为正，南半球为负；ω1、ω2分别为T1、T2时刻的太阳时角；
通过式(2)得到T1到T2时间内贴板的转速n2：
其中，Δr是T1到T2时间内太阳方位角的变化值，δ为太阳赤纬角，h1、h2分别为T1、T2时刻的太阳高度角。
进一步地，包括多个权利要求1所述的高效追踪式光伏发电系统，所述多个高效追踪式光伏发电系统沿第一转轴的轴线排列，每个高效追踪式光伏发电系统的第二转轴上设有俯仰角齿轮，相邻两个高效追踪式光伏发电系统第二转轴上的俯仰角齿轮通过一根链条相连接，链条与俯仰角齿轮相啮合；
每个高效追踪式光伏发电系统的第四转轴上设有方位角齿轮，相邻两个高效追踪式光伏发电系统第二转轴上的方位角齿轮通过一根链条相连接，链条与方位角齿轮相啮合。
进一步地，高效追踪式光伏发电矩阵中沿第一转轴的轴线排列的响邻两个高效追踪式光伏发电系统之间的距离不小于Dx；
其中，L1为框体宽度；为纬度，北半球为正，南半球为负；β为光伏电池上表面与地平面的夹角。
进一步地，包括多个权利要求1所述的高效追踪式光伏发电系统，所述多个高效追踪式光伏发电系统沿第四转轴的轴线排列，每个高效追踪式光伏发电系统的第一伺服电机和第二伺服电机都连接于同一控制组件。
进一步地，沿第四转轴的轴线排列的相邻两个高效追踪式光伏发电系统之间的距离不小于Dy；
其中，L2为贴板的宽度；h为太阳的高度角。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明通过感光组件确定太阳位置，通过控制模块改变伺服电机转速，继而调节光伏电池朝向，在太阳辐射强烈时，使光伏电池接收面与太阳光线保持垂直，相对固定式光伏电池矩阵形式，大幅提高光伏电池对太阳能的收集效率。日常运作仅需消耗自身产生的少量电能，便能高效运作，节约运行成本；
(2)本发明有效避免组件长期暴露在外而被氧化侵蚀，系统工作时自动运行，无需人工频繁操作。
附图说明
图1是高效追踪式光伏发电矩阵的主视图；
图2是高效追踪式光伏发电系统的主视图；
图3是图2的俯视图；
图4是高效追踪式光伏发电系统俯仰角调节原理示意图；
图5是高效追踪式光伏发电系统方位角调节原理示意图；
图中标号代表为：1—框体；2—第一转轴；3—贴板；4—第二转轴；5—第二齿轮；6—支座；7—第一齿轮；8—带有外螺纹的杆体；9—第三齿轮；10—第二伺服电机；11—第四齿轮；12—链条；13—第一伺服电机；14—控制组件；15—光线追踪器；16—底座；17—第四齿轮；18—第四转轴；19—方位角齿轮；20—俯仰角齿轮；21—第三转轴。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供了高效追踪式光伏发电系统，其特征在于，包括：贴板3、光伏电池、框体1、支座6；所述光伏电池固定在所述贴板3上；
参见图2、图3，框体1为铝合金材料，呈形，内部为空心结构。
所述贴板3包括固定端部和活动端部，固定端部和活动端部均通过第一转轴2分别与框体1相对的两个侧面相连接，所述活动端部用于通过第一转轴2带动贴板3转动来调节光伏电池的方位角；
本实施例中，贴板3的活动端部设有第一齿轮7，与活动端部相连接的框体侧面为一带有外螺纹的杆体8，所述带有外螺纹的杆体8与第一齿轮7相啮合；
还包括第一伺服电机13，所述第一伺服电机13驱动带有外螺纹的杆体8进行转动。
如图4，当带有外螺纹的杆体8转动时，通过第一齿轮7和带有外螺纹的杆体8的啮合作用，使得第一齿轮7跟随带有外螺纹的杆体8同时转动，从而带动第一转轴2进行转动，第一转轴2带动贴板3转动，即实现贴板3上的光伏电池的方位角调整。
所述框体1的两端通过第二转轴4安装在支座6上，所述框体1通过第二转轴4的转动调整光伏电池的俯仰角；
如图4，所述第二转轴4与第二伺服电机10相连接，其中第二伺服电机10通过齿轮-链条驱动第二转轴进行转动，第二转轴的转动可带动框体1进行转动，从而使得贴板跟随框体进行转动，即光伏电池的俯仰角度发生变化。
还包括光线追踪器15，所述光线追踪器15用于追踪太阳的方位角和俯仰角；所述光线追踪器15通过控制组件14分别与第一伺服电机13和第二转轴10相连接。
光线追踪器15追踪太阳的俯仰角和方位角的变化，并将太阳的俯仰角和方位角信息传递至控制组件14，所述控制组件14通过信息处理后调节第一伺服电机13和第二伺服电机10的转速，从而控制光伏电池的俯仰角和方位角变化，实现光伏电池对太阳光的自动追踪功能。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，提供了第一伺服电机13驱动带有外螺纹的杆体8进行转动的具体结构：
如图5，所述带有外螺纹的杆体8的一端与框体1相连接，另一端通过第二齿轮5和第三齿轮9的啮合与第三转轴21相连接，第三转轴21通过第四齿轮11与第五齿轮17的啮合与第四转轴18相连接，第四转轴18与第一伺服电机13相连接。
第一伺服电机13通过齿轮-链条驱动第四转轴18转动，从而带动第五齿轮17、第四齿轮11、第三转轴21进行转动，第三转轴21的转动带动第三齿轮9、第二齿轮5进行转动，第二齿轮又带动带有外螺纹的杆体8进行转动。
其中，第四转轴18与第三转轴21相互垂直，第三转轴21与带有外螺纹的杆体8相互垂直，第四转轴18与带有外螺纹的杆体8相互垂直。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上提供了通过式(1)得到T1到T2时间内第二伺服电机(10)的转速n2：
其中，Δh为T1到T2时间内太阳高度的变化值，
，
δ为太阳赤纬角，ω为太阳中心点到地心的连线与子午线之间的夹角，为纬度，北半球为正，南半球为负；ω1、ω2分别为T1、T2时刻的太阳时角；为纬度；
通过式(2)得到T1到T2时间内贴板(3)的转速m2：
其中，Δr是T1到T2时间内太阳方位角的变化值，δ为太阳赤纬角，h1、h2分别为T1、T2时刻的太阳高度角；
其中，第一伺服电机13的转速R1为齿轮半径，单位m。
实施例4
本实施例提供了高效追踪式光伏矩阵，如图1，包括多个实施例1所提供的高效追踪式光伏发电系统，所述多个高效追踪式光伏发电系统沿第一转轴2的轴线排列，每个高效追踪式光伏发电系统的第二转轴4上设有俯仰角齿轮(20)，相邻两个高效追踪式光伏发电系统第二转轴4上的俯仰角齿轮20通过一根链条12相连接，链条12与俯仰角齿轮20相啮合。
每个高效追踪式光伏发电系统的第四转轴上设有方位角齿轮，相邻两个高效追踪式光伏发电系统第二转轴4上的方位角齿轮19通过一根链条12相连接，链条12与方位角齿轮19相啮合。
一个高效追踪式光伏发电系统的第二转轴的转动带动俯仰角齿轮跟随其转动，俯仰角齿轮跟随其转动使得与其啮合的链条带动第二个高效追踪式光伏发电系统的俯仰角齿轮转动，以使得其第二转轴转动，依次类推，实现了多个高效追踪式光伏发电系统俯仰角的同时调节。
同理，一个高效追踪式光伏发电系统的第四转轴的转动带动方位角齿轮跟随其转动，俯仰角齿轮跟随其转动使得与其啮合的链条带动第二个高效追踪式光伏发电系统的方位角齿轮转动，以使得其第二转轴转动，依次类推，实现了多个高效追踪式光伏发电系统方位角的同时调节。
高效追踪式光伏发电矩阵中沿第一转轴(2)的轴线排列的相邻两个高效追踪式光伏发电系统之间的距离不小于Dx；
其中，L1为框体宽度；为纬度，北半球为正，南半球为负；β为光伏电池上表面与地平面的夹角。
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于，所述多个高效追踪式光伏发电系统沿第四转轴18的轴线排列，每个高效追踪式光伏发电系统的第一伺服电机13和第二伺服电机10都连接于同一控制组件14；
沿第四转轴18的轴线排列的相邻两个高效追踪式光伏发电系统之间的距离不小于Dy；
其中，L2为贴板的宽度；h为太阳的高度角。
Claims (10)
1.高效追踪式光伏发电系统，其特征在于，包括：贴板(3)、光伏电池、框体(1)、支座(6)；所述光伏电池固定在所述贴板(3)上；
所述贴板(3)包括固定端部和活动端部，固定端部和活动端部均通过第一转轴(2)分别与框体(1)相对的两个侧面相连接，所述活动端部用于通过第一转轴(2)带动贴板(3)转动来调节光伏电池的方位角；
所述框体(1)的两端通过第二转轴(4)安装在支座(6)上，所述框体(1)通过第二转轴(4)的转动调整光伏电池的俯仰角；
还包括光线追踪器(15)和控制组件(14)，所述光线追踪器(15)用于追踪太阳的方位角和俯仰角；所述光线追踪器(15)与控制组件(14)相连接，所述控制组件(14)分别控制第一转轴(2)和第二转轴(14)的转动。
2.如权利要求1所述的高效追踪式光伏发电系统，其特征在于，所述的贴板(3)有多个。
3.如权利要求1所述的高效追踪式光伏发电系统，其特征在于，贴板(3)的活动端部设有第一齿轮(7)，与活动端部相连接的框体侧面为一带有外螺纹的杆体(8)，所述带有外螺纹的杆体(8)与第一齿轮(7)相啮合；
还包括第一伺服电机(13)，所述第一伺服电机(13)驱动带有外螺纹的杆体(8)进行转动。
4.如权利要求3所述的高效追踪式光伏发电系统，其特征在于，所述带有外螺纹的杆体(8)的一端与框体(1)相连接，另一端通过第二齿轮(5)和第三齿轮(9)的啮合与第三转轴(21)相连接，第三转轴(21)通过第四齿轮(11)与第五齿轮(17)的啮合与第四转轴(18)相连接，第四转轴(18)与第一伺服电机(13)相连接。
5.如权利要求1所述的高效追踪式光伏发电系统，其特征在于，还包括第二伺服电机，所述第二转轴(4)与第二伺服电机(10)相连接。
6.如权利要求1、4和5所述的高效追踪式光伏发电系统，其特征在于，通过式(1)得到T1到T2时间内第二伺服电机(10)的转速n2：
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</mrow>
其中，Δh为T1到T2时间内太阳高度的变化值，
，δ为太阳赤纬角，ω为太阳中心点到地心的连线与子午线之间的夹角，为纬度，北半球为正，南半球为负；ω1、ω2分别为T1、T2时刻的太阳时角；
通过式(2)得到T1到T2时间内贴板(3)的转速n2：
<mrow>
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<mi>n</mi>
<mn>2</mn>
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<mo>-</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Δr是T1到T2时间内太阳方位角的变化值，δ为太阳赤纬角，h1、h2分别为T1、T2时刻的太阳高度角。
7.高效追踪式光伏发电矩阵，其特征在于，包括多个权利要求1所述的高效追踪式光伏发电系统，所述多个高效追踪式光伏发电系统沿第一转轴(2)的轴线排列，每个高效追踪式光伏发电系统的第二转轴(4)上设有俯仰角齿轮(20)，相邻两个高效追踪式光伏发电系统第二转轴(4)上的俯仰角齿轮(20)通过一根链条(12)相连接，链条(12)与俯仰角齿轮(20)相啮合；
每个高效追踪式光伏发电系统的第四转轴上设有方位角齿轮，相邻两个高效追踪式光伏发电系统第二转轴(4)上的方位角齿轮(19)通过一根链条(12)相连接，链条(12)与方位角齿轮(19)相啮合。
8.如权利要求7所述的高效追踪式光伏发电矩阵，其特征在于，高效追踪式光伏发电矩阵中沿第一转轴(2)的轴线排列的响邻两个高效追踪式光伏发电系统之间的距离不小于Dx；
其中，L1为框体宽度；为纬度，北半球为正，南半球为负；β为光伏电池上表面与地平面的夹角。
9.如权利要求7所述的高效追踪式光伏发电矩阵，其特征在于，包括多个权利要求1所述的高效追踪式光伏发电系统，所述多个高效追踪式光伏发电系统沿第四转轴(18)的轴线排列，每个高效追踪式光伏发电系统的第一伺服电机(13)和第二伺服电机(10)都连接于同一控制组件(14)。
10.如权利要求10所述的高效追踪式光伏发电矩阵，其特征在于，沿第四转轴(18)的轴线排列的相邻两个高效追踪式光伏发电系统之间的距离不小于Dy；
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其中，L2为贴板的宽度；h为太阳的高度角。
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