CN111277210B - 一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，包括底部整体框架，底部整体框架上设置有电机，电机经传动部分与支架主体部分连接，支架主体部分包括滑轨部分，滑轨部分经电动推杆与光伏电池框架连接，滑轨部分能够带动光伏电池框架转动，电动推杆能够调节光伏电池框架的角度，电机连接上位机用于控制，上位机与传动部分上设置的绝对式编码器连接，能够实时反馈电机的运转位置。本发明可以进行俯仰角调节从而调节南北方向倾角，机械结构设计牢固合理，用材整体轻便经济，设备的不同层面功能进行了模块化封装，从而保证设备从管理到运行的明确分工与运行。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池支架技术领域，具体涉及一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架。
背景技术
太阳能是一种十分清洁环保的可再生能源，当下随着需求和技术的日益成熟，社会对太阳能的开采利用也越来越大，但是受制于天气等自然因素和材料的问题，太阳能利用率一直都不高，导致发电效果并不理想，加上光伏电站建设时的投入成本较高，光伏发电还未能达到比较成熟的水平。目前，在电池材料稍微有明显突破的前提下，改变太阳能电池的运行方式就成为了一种十分有效的提高发电量的手段。
斜单轴光伏跟踪支架是一种结构简单、成本低、应用范围较广的跟踪支架，能够有效的提高光伏电池带来的发电量和经济效益。但是目前的斜单轴光伏支架还有一些缺陷：第一，目前的斜单轴光伏支架转轴大都是电池的中心轴线，电池若采用绕轴线旋转的方式进行运动，对于宽度越大的电池组件，电池整体抬升高度就越高，这样才能给电池提供充分的旋转空间而不至于电池在旋转过程中触碰到安装平面；第二，目前的斜单轴跟踪支架大都安装在水平地面或者水泥屋顶上，安装平面厚实，因此在设计时往往不用考虑平面受力问题，但是在轻薄的安装平面如彩钢瓦屋顶时，因平面强度较低，局部受力不可过大，因此传统支架采用的大地基设计方式在这种情况下并不适用，且考虑到屋面承重能力支架质量不可过重；第三，目前的斜单轴支架一般只能调节东西方向的倾角，虽然相对于传统的固定安装发电量有所提升，但是由于一年季节变化，固定南北倾角的斜单轴支架为综合考虑一年的发电量其最佳设计的倾角一般都不是各个季节当季最适宜的角度，因此发电量也有待于进一步提升；第四，目前虽然有很多比较实用的跟踪支架，但是很多支架都是开环运行，缺少传感和反馈环节，因此用户往往很难或只能在现场才能得知支架的运行状态，随着物联网和人工智能的发展，光伏电池支架的管理和控制也向着网络化和智能化的方向发展，目前行业内在这一方面的产品和研究较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，支架倾斜一定角度，且绕减速机输出轴在水平面内旋转，位于支架背后的伸缩杆可以按照季节进行伸缩调节，支架的水平转轴和伸缩杆都有传感器进行检测，将数据上传给上位机，上位将数据处理后进行系统的管理，还可以通过网络授权实现远程控制和管理，从而实现脱离现场对设备的远程监测和管理；通过增大与安装平面接触面积和分散集中受力点的受力，保证了设备在相对于脆弱的平面上正常安装和使用；同时，设备以一台电机同时驱动多台支架运动，实现对在同一水平线上多台设备的同步控制。
本发明采用以下技术方案：
一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，包括底部整体框架，底部整体框架上设置有电机，电机经传动部分与支架主体部分连接，支架主体部分包括滑轨部分，滑轨部分经电动推杆与光伏电池框架连接，滑轨部分能够带动光伏电池框架转动，电动推杆能够调节光伏电池框架的角度，电机连接上位机用于控制，上位机与传动部分上设置的绝对式编码器连接，能够实时反馈电机的运转位置。
具体的，传动部分包括第一级减速机，第一级减速机的输入端与电机的输出轴连接，输出端通过长连杆和联轴器与下一级联轴器连接。
进一步的，长连杆通过轴承固定在轴承底座上，轴承底座与底部整体框架连接，第一级减速机通过方管结构的底座与底部整体框架连接。
具体的，支架主体部分包括双轴减速机，双轴减速机的输出端朝上，通过减速机—T型连接件与T型转盘连接，T型转盘通过电动推杆与光伏电池框架连接；双轴减速机通过转盘—电池框架连接件与环形结构的滑轨部分连接。
进一步的，滑轨部分包括滑轨，滑轨上设置有能沿轨道滑动的滑轨小车，滑轨小车包括三个，分别通过设置的抱箍与T型转盘配合用于转动。
更进一步的，轨道整体界面呈T字型，包括上表面和下表面，上表面与滑轨小车的润滑车身接触连接，下表面与滑轨小车的车轮切合连接，T型界面形成台阶能够将滑轨小车在竖直方向卡住。
进一步的，双轴减速机作为支撑和光伏支架轴心，一侧的输入端通过联轴器与传动部分的长连杆连接，另一侧的输入端与下一级减速机连接，双轴减速机和滑轨部分通过X型底座设置在底部整体框架上。
进一步的，电动推杆的两端分别通过一个连接件与T型转盘和光伏电池框架连接。
具体的，电动推杆上设置有霍尔反馈装置。
具体的，支架主体部分至少包括一个，多个支架主体部分之间通过传动部分的长连杆与电机连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，在原有的传统的斜单轴光伏跟踪支架的原理基础上，通过可伸缩的电动推杆实现电池的俯仰角调节，支架在每日东西向转动的同时，可以通过电动推杆季节性的调节南北向倾角，进一步提高光伏电池的发电量，成套的安装支架，通过搭建底座以及在底座上搭建各种零部件，实现了对一套支架产品的完整封装和模块化。通过增加支架底座与安装平面的的接触面积，除必要部件使用不锈钢型材以外，其余零件均采用轻型铝型材，从而减小支架对安装平面的压强；此外采用安装平面上分散式的连接小支座与支架连接的方式代替传统局部大支座，减小施工改造的面积，对安装平面进行最小程度的改造，使安装平面完整，从而保证支架在脆弱的安装平面上稳定安全的运行。
进一步的，采用电机连接减速机的组合作为驱动设备，保证了驱动装置在提供所需要的动力的基础上减小了设备的体积，同时，作为传动装置的减速机同时也充当承载光伏支架的主体，整个传动系统在一条直线上运转，较好地契合了光伏电池的空间排布，便于整体的空间安排。
进一步的，以双轴减速机的输出轴作为旋转轴心，绕输出轴在水平面内旋转，避免了绕电池中心轴线而需要预留的高度，从而降低了设备的重心；双轴减速机的输出轴不仅要提供足够大的扭矩转动T型转盘，机身还要承受由于光伏电池倾斜而传递给转轴的剪向力，这对转轴会产生较大的负担，
进一步的，设计了环形滑轨，通过轨道上的车型连接件与T型转盘进行装配，不仅将减速机机身的压力分散给强度更大的滑轨，同时车身与轨道之间垫有一层尼龙板减小滑动摩擦，降低滑动时产生的噪声。
进一步的，通过传感器反馈关键执行元件的状态，将数据上传至上位机进行监测，上位机同时通过网络授权还能进一步实现远程控制和管理；同时一台电机驱动同一水平线上多台支架的运动，减少了控制器的台数，实现对多台支架的统一调度和控制，提供了经济高效的控制方案。
综上所述，本发明支架较传统斜单轴支架可以进行俯仰角调节从而调节南北方向倾角，机械结构设计牢固合理，用材整体轻便经济，设计了闭环动作元件并通过将设备信息反馈至服务器进行统一管理，信息还可以通过联网进行分享和远程操作，将设备的不同层面功能进行了模块化封装，从而保证了设备从管理到运行的明确分工与运行。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为控制部分结构示意图；
图3为基于工业互联网的控制实例图；
图4为滑轨以及车型连接件的结构示意图；
图5为光伏电池框架背部以及与伸缩杆、T型转盘连接结构示意图；
图6为多台支架的运行示意图。
其中：1.电机；2.第一级减速机；3.绝对式编码器；4.长连杆；5.轴承；6.双轴减速机；7.T型连接件；8.转盘—电池框架连接件；9.T型转盘；10.电动推杆；11.光伏电池框架；12.轨道；13.滑轨小车；14.底座；15.底部整体框架；16.轴承底座；17.X型底座；18.上表面；19.下表面；20.滑轨腿；21.结构车身；22.润滑车身；23.抱箍；24.车轮；25.远程计算机；26.上位机；27.控制器；28.电机驱动器；29.连接件。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，能够在保证光伏电池安全稳定运行的基础上，实现装置的低成本、轻量化、牢固化和自动化；通过减轻设备质量、增大接触面积以及采用设备与安装平面使用分散式小型固定件的方式，保证装置在较脆弱的安装平面上正常运行；通过对受力薄弱环节的加固和分散，保证光伏电池支架能够在恶劣自然条件下稳定运行；通过完整的传感系统实时监测设备的运行状态并反馈至上位机和网络，并可以将数据共享至网络，通过上位机对整个系统中部分或整体设备实现远程调控。
请参阅图1，本发明一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，包括：控制部分、传动部分、支架主体部分、检测和反馈部分和底座部分。
控制部分、传动部分和支架主体部分分别设置在底座部分上，控制部分经传动部分与支架主体部分连接，检测和反馈部分设置在传动部分，并与控制部分连接。
控制部分包括上位机26、电机控制器27、电机驱动器28、电机1和若干开关电源，上位机26、电机控制器27和电机驱动器28属于控制模块，在图中未具体画出，电机1通过控制模块给入信号完成动作，再下接传动部分的元件。
上位机26通电后依次与电机控制器27、电机驱动器28及电机1顺序连接，电机控制器27控制输入端口接上位机26，开关电源变压器接电机驱动器28的电源端口。
传动部分包括第一级减速机2、传动长连杆4、若干联轴器和轴承5及轴承底座16。
第一级减速机2的输入端与电机1的输出轴连接，输出端通过长连杆4和联轴器与下一级联轴器进行连接；长连杆4通过轴承5固定在轴承底座16上，轴承底座16与底部整体框架15连接，第一级减速机2通过方管结构的底座14与底部整体框架15连接。
支架主体部分包括双轴减速机6、减速机—T型转盘连接件7、T型转盘9、光伏电池框架11、转盘—电池框架连接件8、滑轨部分和电动推杆10。
双轴减速机6作为支撑和光伏支架轴心，一侧的输入端通过联轴器与传动长连杆4连接，另一侧的输入端与下一级减速机连接，双轴减速机6的输出端朝上，通过减速机—T型连接件7与T型转盘9连接，T型转盘9通过电动推杆10与上方的光伏电池框架11连接，电动推杆10还与上位机26电连接用于调节长度。
请参阅图5，图中展示了滑轨小车13与T型转盘9、电动推杆10与T型转盘9、电池框架11之间的配合方式；电动推杆10的两端分别通过一个连接件29活性连接T型转盘9和光伏电池框架11，便于转动。
请参阅图4，滑轨部分包括一条轨道12和绕轨道12滑动的滑轨小车13，轨道12设置在X型底座17上，通过X型底座17与底部整体框架15连接，三个滑轨小车13通过抱箍23与T型转盘9配合，实现车型连接件带动转盘运转。
轨道12为环形结构，包括上表面18、下表面19以及滑轨腿20。
轨道12整体界面呈T字型，上表面18与滑轨小车13的润滑车身22接触，下表面19与滑轨小车13的车轮24切合，T型界面形成一个台阶将滑轨小车13在竖直方向卡住，滑轨小车13与滑轨12直接接触则是旨在将滑轨小车13承受的T型转盘9的力传递给结构更加牢固、强度更大的滑轨，滑轨腿20与X型底座17通过螺栓配合，将滑轨12固定在底部整体框架15上。
滑轨小车13包括结构车身21、润滑车身22、抱箍23和车轮24，结构车身21负责承重和完成整体结构，润滑车身22由尼龙构成，能够减小车身滑动的摩擦力和摩擦带来的噪音，抱箍23通过T型转盘9的三个顶点配合带动转盘移动，车轮24与下表面19切合保证滑轨小车13绕轨运行。
底座包括底部整体框架15、轴承底座16、双轴减速机的X型底座17和底座14，轴承底座16、双轴减速机的X型底座17和底座14均设置在底部整体框架15上。
监测和反馈部分包括绝对式编码器3，绝对式编码器3安装在第一级减速机2的输出轴上，并与上位机26进行通讯实时反馈电机的运转位置。
请参阅图2，上位机26通电作为系统的“大脑”环节，向下发送控制指令，软件下载程序，经RS485转USB通讯串口/无线Zigbee通讯串口传给控制器27，控制器27在接收到指令以后，通过上位机26设置好的时间触发给进动作信号，控制器27执行程序并将信号转为脉冲信号发给电机驱动器28进行动作，驱动器28作为电机动作的直接指令动作环节，在直流电源的供电下使电机1按照控制器的指令动作，同时绝对式编码器3将检测的第一级减速机2信号通过RS485转USB通讯串口传回上位机26。
除此以外，在不同的季节对电动推杆10的长度进行调节从而改变电池的倾角，为了准确调节，在电动推杆10上加装霍尔反馈装置，实现上位机26对转轴位置和推杆位置的实时监测，进而实现上位机的远程控制和集中管理。
上位机26通过远程控制软件的无人值守模式实现对远程计算机25的授权控制，从而实现对控制系统程序的远程控制与调试。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，利用工业以太网将整个系统的信息网络化、透明化、并且可以共享处理。通过以太网，上位机26将监测的数据通过交换机直接上传给远程计算机25，远程计算机25可以对数据进行实时监测和系统管理，也可以将数据筛选和处理以后，通过交换机将指令发给上位机26，实现对现场设备的统一管理与调控。同时由于关键数据均由工业以太网实现，因此数据的保存、调度和管理也更方便，对数据的调用也更加简单可行。
请参阅图6，为一台电机驱动多台设备运转的示意图，图中包括两级电池跟踪支架，电池跟踪支架安装在同一水平面的同一条水平线上；上位机26驱动电机1运转，每一级的光伏电池跟踪支架通过长连杆4连接后，随与电机1相连的减速机2运转，从而实现一台电机1同时驱动多台同一水平线上的多台电池跟踪支架同时运行。
综上所述，本发明一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架具有以下特点：
关键的执行元件电机转轴、电动推杆都安装有闭环反馈装置，便于实现精确动作和实时监测。
所有执行元件都由上位机26发送指令完成动作，上位机26通过联网由远程计算机25实现远程控制，从而实现了一个信息集中、可远程管理的控制系统。
本发明取消现有技术中的大底座式支架，采用分布式小基座与设备底座配合的方式完成对设备的固定，避免了对脆弱屋面的破坏性改造。
通过设计环形结构的轨道，利用轨道上的滑轨小车与T型转盘连接对设备上的光伏电池框架进行支撑和稳定，并从力学角度分散脆弱的减速机输出轴位置的力，提高设备的使用寿命。
通过减速机输出轴做旋转轴心，使电池跟踪支架在水平面内旋转，从而减小了需要预留的抬升高度，降低了电池跟踪支架的整体重心，有利于电池跟踪支架保持稳定，实现了光伏跟踪支架全天候规律性东西向向日运行，并可通过可伸缩的电动推杆季节性的调节支架的俯仰角，在传统斜单轴支架基础上，进一步提高电池的发电量，带来更高的经济效益。
实现了一台电机控制器控制同一水平线上多台设备同步运行，提高了控制的效率，简化了控制系统的指令端设备台数，便于管理和统一调度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，其特征在于，包括底部整体框架(15)，底部整体框架(15)上设置有电机(1)，电机(1)经传动部分与支架主体部分连接，传动部分包括第一级减速机(2)，第一级减速机(2)的输入端与电机(1)的输出轴连接，输出端通过长连杆(4)和联轴器与下一级联轴器连接，长连杆(4)通过轴承(5)固定在轴承底座(16)上，轴承底座(16)与底部整体框架(15)连接，第一级减速机(2)通过方管结构的底座(14)与底部整体框架(15)连接，支架主体部分包括滑轨部分和双轴减速机(6)，滑轨部分经电动推杆(10)与光伏电池框架(11)连接，滑轨部分能够带动光伏电池框架(11)转动，电动推杆(10)能够调节光伏电池框架(11)的角度，滑轨部分包括滑轨(12)，滑轨(12)上设置有能沿轨道滑动的滑轨小车(13)，滑轨小车(13)包括三个，分别通过设置的抱箍(23)与T型转盘(9)配合用于转动，轨道(12)整体界面呈T字型，包括上表面(18)和下表面(19)，上表面(18)与滑轨小车(13)的润滑车身(22)接触连接，下表面(19)与滑轨小车(13)的车轮(24)切合连接，T型界面形成台阶能够将滑轨小车(13)在竖直方向卡住，双轴减速机(6)作为支撑和光伏支架轴心，一侧的输入端通过联轴器与传动部分的长连杆(4)连接，另一侧的输入端与下一级减速机连接，双轴减速机(6)和滑轨部分通过X型底座(17)设置在底部整体框架(15)上，双轴减速机(6)的输出端朝上，通过减速机—T型连接件(7)与T型转盘(9)连接，T型转盘(9)通过电动推杆(10)与光伏电池框架(11)连接，电动推杆(10)的两端分别通过一个连接件(29)与T型转盘(9)和光伏电池框架(11)连接；双轴减速机(6)通过转盘—电池框架连接件(8)与环形结构的滑轨部分连接，电机(1)连接上位机(26)用于控制，上位机(26)与传动部分上设置的绝对式编码器(3)连接，能够实时反馈电机(1)的运转位置。
2.根据权利要求1所述的基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，其特征在于，电动推杆(10)上设置有霍尔反馈装置。
3.根据权利要求1所述的基于物联网控制仰角可调式斜单轴光伏电池跟踪支架，其特征在于，支架主体部分至少包括一个，多个支架主体部分之间通过传动部分的长连杆(4)与电机(1)连接。
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