CN109283945A - 一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用方位角‑仰角跟踪方式的太阳能发电装置。该装置包括伏电池板、光伏电池板支架、旋转台、支撑座架，直流伺服电机，计算模块，控制模块；光伏电池板支架由第二升降器、支撑架和第二转轴构成；支撑座架由第一升降器、底座、置物板和第一转轴构成；光伏电池板置于旋转台上，旋转台分为上下两部分，上部可旋转，下部固定；计算模块、控制模块和直流伺服电机位于旋转台下部内部，且计算模块与控制模块相连，控制模块与直流伺服电机相连，直流伺服电机可带动旋转台上部旋转。本发明仅通过控制一台电机实现光伏电池板方位角与仰角的共同变化，实现了光伏电池板对太阳位置的追踪，成本低，简单实用，易于推广。

Description

一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置

技术领域

本发明属于太阳能发电装置技术领域，特别是一种采用方位角-仰角跟踪方式来实现光伏电池板跟踪太阳位置的太阳能发电装置。

背景技术

当太阳光线垂直照射光伏电池板时，光伏电池板的发电效率最高。通常情况下，为简化操作及节约成本，人们将光伏电池板的朝向固定在某一方向，不随着太阳位置的变化而变化，这样虽然省事儿，但光伏电池板无法达到其最大发电效率，光伏电池板有效利用时间短，浪费资源。而具备追光功能的太阳光伏发电装置多采用方位角和仰角的追踪方式，需要使用两个电动机分别控制光伏电池板方位角和仰角的大小，这种追踪方式成本高且控制方法复杂，不利于推广和大范围应用。

发明内容

为解决背景技术中提到的问题，本发明提供一种经济实用的太阳能发电装置，该太阳能发电装置采用方位角-仰角跟踪方式，可仅通过一台电机实现方位角及仰角的共同变化，且该装置构造简单，实用性强。

为了达到上述目的，本发明提供了一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置，包括光伏电池板、光伏电池板支架、旋转台、支撑座架，直流伺服电机，计算模块，控制模块；所述光伏电池板置于旋转台上，旋转台底部与支撑座架相连；所述旋转台分为上下两部分，上部可旋转，下部固定；所述的计算模块、控制模块和直流伺服电机位于旋转台下部内部，且计算模块与控制模块相连，控制模块与直流伺服电机相连；所述直流伺服电机的电机轴位于旋转台中轴线处，直流伺服电机可带动旋转台上部旋转。

所述光伏电池板支架由第二升降器、支撑架和第二转轴构成；其中，支撑架上部架体固定在光伏电池板背面，上部架体为“工”字形，支撑架底边固定在旋转台上，上部架体通过第二转轴与底边相连；第二升降器底部与支撑架底边相连，顶端与支撑架上部架体相接；当第二升降器升高或降低时，第二转轴转动，光伏电池板与旋转台之间的夹角发生变化。

所述支撑座架由第一升降器、底座、置物板和第一转轴构成；其中，置物板位于底座上方，且置物板一端通过第一升降器与底座相连，另一端通过第一转轴与底座相连；置物板上有两个凹槽，旋转台底面的两个凸槽正好插入两个凹槽中，使旋转台与置物板固定于一起；当第一升降器升高或降低时，置物板绕第一转轴转动，置物板与底座的夹角发生变化。

所述计算模块每隔一定时间计算出当前太阳位置以及光伏电池板所需旋转的角度，控制模块根据计算模块的计算结果生成控制信号并控制直流伺服电机带动旋转台上的光伏电池板旋转指定角度。

所述第一升降器与第二升降器的高度要根据太阳能发电装置所处地理位置及月份进行调节，旋转台的旋转角度要根据计算模块在每个时间段的计算结果进行调节，三者共同配合改变光伏电池板的朝向；所述计算模块根据当地位置信息及时间信息计算出太阳位置，其中太阳位置由式

给出，式中α _g为当时的太阳高度角；A为当时的太阳方位角；φ为当地的纬度；δ为由地心坐标确定的太阳赤纬角；ω为太阳时角。

所述太阳能发电装置采用方位角和仰角跟踪法来跟踪太阳；太阳光线的方位角为太阳光线在水平面上的投影与正南方向的夹角，仰角为太阳光线在南北方向竖直面上的投影与水平面的夹角；太阳光线的仰角α ₀与方位角β ₀分别由式

给出；光伏电池板所在平面的法线的方位角为法线在水平面上的投影与正南方向的夹角，仰角为法线在南北方向竖直面上的投影与水平面的夹角；光伏电池板所在平面的法线的方位角、仰角分别与太阳光线的方位角、仰角对应相等时，太阳光线垂直照射光伏电池板；光伏电池板所在平面的法线的仰角α与方位角β分别由式

给出；式中α ₁为光伏电池板与旋转台上表面的夹角，且α ₁>0；α ₂为置物板与水平面的夹角，且α ₂>0，α ₁和α ₂按太阳能发电装置所处地理位置及季节的不同人为进行调整；β ₁为直流伺服电机控制旋转台旋转的角度，该角度由计算模块根据太阳位置信息计算得到，由式

给出，当太阳的方位角时，旋转台旋转角度为β ₁，当时，旋转台旋转角度为-β ₁。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

太阳能发电装置可以跟踪太阳的位置，提高光伏电池板的发电效率；同时仅使用一台电机实现了对太阳位置的跟踪，降低了装置成本，简化了控制过程；装置底部倾角可调节的支撑座架使得该装置可以在任意倾角的平面上使用，提高了装置的实用性，同时也易于推广。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的光伏电池板支架结构示意图；

图3是本发明的支撑座架结构示意图；

图4是本发明的旋转台结构示意图。

图中，1-光伏电池板；2-光伏电池板支架；3-旋转台；4-支撑座架；5-直流伺服电机；6-计算模块；7-控制模块；21-第二升降器；22-支撑架；23-第二转轴；41-第一升降器；42-底座；43-置物板；44-第一转轴。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1和图4所示，一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置，包括光伏电池板1、光伏电池板支架2、旋转台3、支撑座架4，直流伺服电机5，计算模块6，控制模块7；光伏电池板1置于旋转台3上，旋转台3底部与支撑座架4相连；所述旋转台3分为上下两部分，上部可旋转，下部固定；所述的计算模块6、控制模块7和直流伺服电机5位于旋转台3下部内部，且计算模块6与控制模块7相连，控制模块7与直流伺服电机5相连；所述直流伺服电机5的电机轴位于旋转台3中轴线处，直流伺服电机5可带动旋转台3上部旋转。计算模块6每隔一定时间计算出当前太阳位置以及光伏电池板1所需旋转的角度，控制模块7根据计算模块6的计算结果生成控制信号并控制直流伺服电机5带动旋转台3上的光伏电池板1旋转指定角度。

如图2所示，光伏电池板支架2由第二升降器21、支撑架22和第二转轴23构成；其中，支撑架22上部架体固定在光伏电池板1背面，上部架体为“工”字形，支撑架22底边固定在旋转台3上，上部架体通过第二转轴23与底边相连；第二升降器21底部与支撑架22底边相连，顶端与支撑架22上部架体相接；当第二升降器21升高或降低时，第二转轴23转动，光伏电池板1与旋转台3之间的夹角发生变化。

如图3所示，支撑座架4由第一升降器41、底座42、置物板43和第一转轴44构成；其中，置物板43位于底座42上方，且置物板43一端通过第一升降器41与底座42相连，另一端通过第一转轴44与底座42相连；置物板43上有两个凹槽，旋转台3底面的两个凸槽正好插入两个凹槽中，使旋转台3与置物板43固定于一起；当第一升降器41升高或降低时，置物板43绕第一转轴44转动，置物板43与底座42的夹角发生变化。

第一升降器41与第二升降器21的高度要根据太阳能发电装置所处地理位置及月份进行调节，旋转台3的旋转角度要根据计算模块6在每个时间段的计算结果进行调节，三者共同配合改变光伏电池板1的朝向；计算模块6根据当地位置信息及时间信息计算出太阳位置，其中太阳位置由式

给出，式中α _g为当时的太阳高度角；A为当时的太阳方位角；φ为当地的纬度；δ为由地心坐标确定的太阳赤纬角；ω为太阳时角。

太阳能发电装置采用方位角和仰角跟踪法来跟踪太阳；太阳光线的方位角为太阳光线在水平面上的投影与正南方向的夹角，即太阳光从正南方射来时该角度为 0°，从正东方射来时为90°，从正西方射来时为-90°，以此类推；仰角为太阳光线在南北方向竖直面上的投影与水平面的夹角；太阳光线的仰角α ₀与方位角β ₀分别由式

给出；

光伏电池板1所在平面的法线的方位角为法线在水平面上的投影与正南方向的夹角，当该角度为45°时，法线在水平面上的投影由正南方向逆时针旋转45°，当该角度为-45°时，法线在水平面上的投影由正南方向顺时针旋转45°，以此类推；仰角为法线在南北方向竖直面上的投影与水平面的夹角。光伏电池板1所在平面的法线的方位角、仰角与太阳光线的方位角、仰角对应相等时，太阳光线垂直照射光伏电池板1；光伏电池板1所在平面的法线的仰角α与方位角β分别由式

给出；式中α ₁为光伏电池板1与旋转台3上表面的夹角，且α ₁>0；α ₂为置物板43与水平面的夹角，且α ₂>0，α ₁和α ₂按太阳能发电装置所处地理位置及季节的不同人为进行调整；β ₁为直流伺服电机5控制旋转台3旋转的角度，该角度由计算模块6根据太阳位置信息计算得到，由式

给出，当太阳的方位角时，旋转台3旋转角度为β ₁，当时，旋转台3旋转角度为-β ₁。

图1显示了太阳能发电装置各部分连接关系，以太阳能发电装置所在地为北京为例，光伏电池板1应朝南放置，支撑座架4沿南北方向水平放置，第一升降器41在北侧，第一转轴44在南侧，当第一升降器41升高时，支撑座架4的置物板43朝向正南方。

北京纬度为北纬40°，令太阳赤纬角为23°26′，当地时间为上午10点，即太阳时角为-30°。图4中的计算模块6根据公式可以计算出此时太阳的高度角和方位角分别为59.80°和114.12°，进而可以算出本发明提出的方位角-仰角跟踪方式下的太阳光线的方位角为65.88°，仰角为54.93°。

在本发明提出的方位角-仰角跟踪方式下，太阳能发电装置放置平面的倾角以及光伏电池板1的倾角会对光伏电池板1的发电效率产生影响。通过调节支撑座架4的第一升降器41和光伏电池板支架2的第二升降器21的高度，就可以人为改变太阳能发电装置放置平面的倾角以及光伏电池板1的倾角，这样就使得该装置不论是放置在水平面上，还是放置在有一定倾角的屋顶上，理论上都可以使光伏电池板1达到最大发电效率，进而使该装置的应用范围更广。在实际应用中，需要根据太阳能发电装置所处地理位置及季节的不同人为调节第一升降器41和第二升降器21的高度，并与旋转台3的旋转角度共同配合，改变光伏电池板1的朝向。为便于说明，假设在调节第一升降器41后，置物板43与水平面的夹角为20°，根据权利要求6中的公式计算，若想使太阳光线垂直照射光伏电池板1，则光伏电池板1所在平面法线的方位角应为64.52°，此时太阳方位角为，那么旋转台3应旋转64.52°。图4中的计算模块6将该计算结果发送给控制模块7，控制模块7生成控制信息并控制直流伺服电机5带动旋转台3逆时针旋转64.52°，使光伏电池板1正对太阳光。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置，包括光伏电池板（1）、光伏电池板支架（2）、旋转台（3）、支撑座架（4），直流伺服电机（5），计算模块（6），控制模块（7）；

其特征是所述光伏电池板（1）置于旋转台（3）上，旋转台（3）底部与支撑座架（4）相连；所述旋转台（3）分为上下两部分，上部可旋转，下部固定；所述的计算模块（6）、控制模块（7）和直流伺服电机（5）位于旋转台（3）下部内部，且计算模块（6）与控制模块（7）相连，控制模块（7）与直流伺服电机（5）相连；所述直流伺服电机（5）的电机轴位于旋转台（3）中轴线处，直流伺服电机（5）可带动旋转台（3）上部旋转。

2.根据权利要求1所述的一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置，其特征在于，所述光伏电池板支架（2）由第二升降器（21）、支撑架（22）和第二转轴（23）构成；其中，支撑架（22）呈角形，支撑架（22）上部架体固定在光伏电池板（1）背面，上部架体为“工”字形，支撑架（22）底边固定在旋转台（3）上，上部架体通过第二转轴（23）与底边相连；第二升降器（21）底部与支撑架（22）底边相连，顶端与支撑架（22）上部架体相接；当第二升降器（21）升高或降低时，第二转轴（23）转动，光伏电池板（1）与旋转台（3）之间的夹角发生变化。

3.根据权利要求1所述的一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置，其特征在于，所述支撑座架（4）由第一升降器（41）、底座（42）、置物板（43）和第一转轴（44）构成；其中，置物板（43）位于底座（42）上方，且置物板（43）一端通过第一升降器（41）与底座（42）相连，另一端通过第一转轴（44）与底座（42）相连；置物板（43）上有两个凹槽，旋转台（3）底面的两个凸槽正好插入两个凹槽中，使旋转台（3）与置物板（43）固定于一起；当第一升降器（41）升高或降低时，置物板（43）绕第一转轴（44）转动，置物板（43）与底座（42）的夹角发生变化。

4.根据权利要求1所述的一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置，其特征在于，所述计算模块（6）每隔一定时间计算出当前太阳位置以及光伏电池板（1）所需旋转的角度，控制模块（7）根据计算模块（6）的计算结果生成控制信号并控制直流伺服电机（5）带动旋转台（3）上的光伏电池板（1）旋转指定角度。

5.根据权利要求1所述的一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置，其特征在于，所述第一升降器（41）与第二升降器（21）的高度要根据太阳能发电装置所处地理位置及月份进行调节，旋转台（3）的旋转角度要根据计算模块（6）在每个时间段的计算结果进行调节，三者共同配合改变光伏电池板（1）的朝向；所述计算模块（6）根据当地位置信息及时间信息计算出太阳位置，其中太阳位置由式

给出，式中α _g为当时的太阳高度角；A为当时的太阳方位角；φ为当地的纬度；δ为由地心坐标确定的太阳赤纬角；ω为太阳时角。

6.根据权利要求1所述的一种采用方位角-仰角跟踪方式的太阳能发电装置，其特征在于，所述太阳能发电装置采用方位角和仰角跟踪法来跟踪太阳；太阳光线的方位角为太阳光线在水平面上的投影与正南方向的夹角，仰角为太阳光线在南北方向竖直面上的投影与水平面的夹角；太阳光线的仰角α ₀与方位角β ₀分别由式

给出；光伏电池板（1）所在平面的法线的方位角为法线在水平面上的投影与正南方向的夹角，仰角为法线在南北方向竖直面上的投影与水平面的夹角；光伏电池板（1）所在平面的法线的方位角、仰角分别与太阳光线的方位角、仰角对应相等时，太阳光线垂直照射光伏电池板（1）；光伏电池板（1）所在平面的法线的仰角α与方位角β分别由式

给出；式中α ₁为光伏电池板（1）与旋转台（3）上表面的夹角，且α ₁>0；α ₂为置物板（43）与水平面的夹角，且α ₂>0，α ₁和α ₂按太阳能发电装置所处地理位置及季节的不同人为进行调整；β ₁为直流伺服电机（5）控制旋转台（3）旋转的角度，该角度由计算模块（6）根据太阳位置信息计算得到，由式

给出，当太阳的方位角时，旋转台（3）旋转角度为β ₁，当时，旋转台（3）旋转角度为-β ₁。