CN111628706A - 一种基于温差感应的太阳能追踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温差感应的太阳能追踪装置，包括底座、太阳能板框架、热压能转换模块和两个气压伸缩杆，太阳能板框架中部通过转动副安装在底座上，两个气压伸缩杆分别安装在太阳能板框架两侧底部与底座之间，所述热压能转换模块安装在太阳能板框架中部，热压能转换模块包括隔热底板、隔热中板和两个太阳能集热板，隔热中板垂直的固定于隔热底板中部，两个太阳能集热板成尖顶型对称的安装在隔热中板两侧，使得每个太阳能集热板均与隔热中板及相应侧的隔热底板之间组成热压能转换密封空间，每个热压能转换密封空间分别通过气体导管与气压伸缩杆的进气口相连。本发明无需额外动力，使得太阳能面板对太阳实时跟随，大大提高了光伏发电效率。

Description

一种基于温差感应的太阳能追踪装置

技术领域

本发明属于光伏发电领域，涉及一种光伏发电的辅助设备，具体涉及一种基于温差感应的太阳能追踪装置。实现自动追踪阳光的功能，可有效解决太阳能光照角度变化产生的余弦效应等问题，减少因光照倾斜导致的发电效率低与传统电控追光装置寿命短的问题。

背景技术

目前，太阳能以其不竭性和环保优势成为当今国内外最具发展前景的新能源之一。太阳能光伏发电将在能源结构中将占主导地位。太阳能光伏发电具有可适性广、无污染、储量大等优点，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位。近年来，我国光伏发电累计总量逐年上升，预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上。

但太阳能光伏发电同样存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了较高的要求。现有光伏发电主要存在以下两方面的问题:

(1)在当前的太阳能光伏发电领域中，平板固定式发电单元占据50％以上市场份额，但平板固定式太阳能电池板的效能因阳光倾斜照射产生的余弦效应不能充分发挥，光电转化率随着阳光的入射角度增大呈正态分布下降。

(2)在太阳能电池板上安装跟踪太阳的装置的追踪式发电单元可使太阳光线垂直地照射在电池板上，据研究表明，单轴(双轴)太阳能追踪系统比固定式系统能增加15％-20％ (25％-40％)的功率输出。虽具有较好的输出效能，但现有的追光技术大多是基于传感器与涡轮蜗杆技术，此类追光产品价格昂贵，可靠性差，并且光线传感器对环境要求高，易于损坏。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术的不足，开发一种基于温差感应的太阳能追踪装置。本装置实现了自动感应阳光角度与强度形成温差，通过温差集热装置将温差转变为压力差，再通过气动推杆将压力转换为调整太阳能面板角度所需的动力，从而实现太阳能面板自动对光。本作品设计的感温成压自动追光装置具有较好的使用性和推广性。将本作品应用于太阳能面板的自动追光，可有效解决太阳能光照角度变化产生的余弦效应等问题，减少因光照倾斜导致的发电效率低与传统电控追光装置寿命短的问题。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：包括底座、太阳能板框架、热压能转换模块和两个气压伸缩杆，所述太阳能板框架上表面用于安装太阳能面板，所述底座中部设有两个支撑杆，所述太阳能板框架中部通过转动副安装在两个支撑杆上，所述太阳能板框架以转动副的转动轴线对称设置，使得太阳能板框架能够保持左右平衡的安装在支撑杆上，两个气压伸缩杆分别安装在太阳能板框架两侧底部与底座之间，通过两个气压伸缩杆的伸缩驱动太阳能板框架绕转动副的转动轴线转动，从而调整太阳能面板与太阳入射光线的夹角，所述热压能转换模块安装在太阳能板框架中部，热压能转换模块包括隔热底板、隔热中板和两个太阳能集热板，所述隔热底板平行的固定在太阳能板框架上表面中部，所述隔热中板固定于隔热底板中部，且与隔热底板垂直安装，两个太阳能集热板成尖顶型对称的安装在隔热中板两侧，使得每个太阳能集热板均与隔热中板及相应侧的隔热底板之间组成热压能转换密封空间，所述隔热中板与转动副的转动轴线平行设置；每个热压能转换密封空间分别通过气体导管与相应侧的气压伸缩杆的进气口相连。

作为改进，所述太阳能集热板在两端与隔热中板及隔热底板之间通过三角形的集热边板密封相连。

作为改进，所述隔热中板与每侧的隔热底板之间均设有多个三角形的镂空支架，所述镂空支架用于支撑每侧的太阳能集热板。

作为改进，所述转动副为转轴，即太阳能板框架中部通过两个同轴的转轴安装在两个支撑杆上，所述太阳能板框架下表面还设有两个辅助轴，所述辅助轴通过三脚架安装在太阳能板框架下表面，两个辅助轴与转轴的轴线平行，且以转轴的轴线所在平面对称设置，所述伸缩气缸顶部通过轴承与相应侧的辅助轴相连，底部通过轴承与相应侧的底座相连。

作为改进，所述气体导管与相应侧的气压伸缩杆的进气口之间通过缩径增压的增压管相连。

作为改进，所述太阳能板框架与水平面呈夹角安装，该夹角的角度范围为15-30度。

作为改进，通过太阳能面板、太阳能板框架及热压能转换模块的尺寸和形状，使得太阳能板框架及其上表面安装的部件重心落在转动副的转动轴线上。

作为改进，所述太阳能集热板与隔热底板的夹角为60-80度。

作为改进，每个热压能转换密封空间、相应侧的气体导管及气压伸缩杆内填充密封的空气、氮气或者氨气。

所述的热压能转换模块用于实现收集太阳光照射下形成的不同温差。由于太阳迎光面和背光面所受的热辐射相差很大，因此在迎光面上的温度会比背光面温度高，产生温差。在太阳垂直照射太阳能面板时，两侧的热压能转换密封空间所受光照相同，达到温度相等状态，此时温差消除。由此设计了一款锥形可有效形成温差的热压能转换模块。本发明将热压能转换模块设计成锥形的结构，且左右两腰长较长,由三角定理知斜面吸收太阳辐射效果更加明显，因此将两个太阳能集热板作为等腰三角形的两个腰边，行程较大时可以使照射面积变大，迅速升温。行程小时可以减小照射面积，使其做轻微调整。隔热层设计成中间隔空，下部阻热连接的特殊结构，尽量减少热传递，加大温差，有效避免了两集热面热传递的效应，该模块由隔热底板使其避免和太阳能面板直接接触，避免因为高温与温差对太阳能面板造成损伤。在材料选择上，为了实现太阳能面板的实时追踪，使得在短时间内能够实现太阳能面板的快速升温，从而实时的改变太阳能面板的角度，本方案选用比热容较低，耐高压且易吸热的铁碳合金这一材料制造太阳能集热板，对接受阳光照射的面上适度粗糙处理，减少光反射的热能损失现象带来的感温灵敏度下降。

所述的热压能转换模块将温度差转化成压强差，从而形成动力。太阳直射太阳能面板时，由于接受太阳的辐射不同，两个太阳能集热板成尖顶型对称的安装在隔热中板两侧，构成温差集热器，温差集热器迎光面吸收辐射多，温度高，平均温度达到58℃左右，背光面吸收太阳辐射少，温度约为38℃左右，由于中间隔热层的存在，避免热端的温度向冷端进行热传递，有效增加两集热面的温度差额，以及隔绝热端的温度不会向太阳能面板输入热量造成能量浪费与太阳能面板的损坏。由此两端产生了约20℃的温度差。根据热胀冷缩的原理，当温度升高时，气体将会膨胀，压强变大。当两侧温度不相等时，充在两边各自的热压能转换密封空间内部的高压氨气会吸收不同的热能，利用温差集热器内镂空支架，内在导热模块使得氨气在快速吸收热量下膨胀加剧压强的作用力变大。两端不同的升高压强程度会形成压力差并沿限定了温度高的迎光面产生的压强大。

两个气压伸缩杆内存在压力差额，在单侧形成动力驱动太阳能面板转动。在高压氨气传输到驱动部分时推动压力推动杆运动，考虑到动力放大提升太阳能面板转向灵敏度，设计了基于帕斯卡原理的气推动模块(即增压管)增强动力。

由帕斯卡定理可知，氨气在8个大气压强下，因温度改变，气体膨胀导致压强增大，气体膨胀产生的压强在气动推杆顶部形成压力，利用帕斯卡原理，不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后，此压力增值瞬时间传至静止流体各点，即进气口内外侧的压力 P1＝P2，也即

压强经过气体导管进入密封的气压伸缩杆内，因为气压伸缩杆的进气管口径、管腔的收缩与气体导管的横截面积小于气压伸缩杆的横截面积，所以气体在从气体导管到气压伸缩杆后，将压力被放大数倍，产生的动力也增大，通过这部分压力推动气压杆运动。

两个气压伸缩杆与底座、太阳能板框架安装构成追光角度调整模块，所述的追光角度调整模块通过温差形成的气压动力转动太阳能面板垂向阳光辐射，转动方向动态稳定。实现压强差推动太阳能面板旋转，随着温度的改变，气压伸缩杆受到的压力不断改变，从而形成的动力也不断的改变，从而实现太阳能面板的实时追踪，太阳能面板朝向太阳直射方，太阳能面板与太阳光线呈垂直状态，从而使得发电效率达到最大化。当太阳能面板逐渐旋转到正对太阳时，两侧的热压能转换密封空间受热情况逐渐相同，内部氨气产生的压强差会逐渐减小直至为零。两侧压强相等后太阳能面板会有微弱的回转趋势。若发生回转，两侧热压能转换密封空间便会产生压强差，使其继续正对太阳。整个模块将一直处于这样的一个动态平衡中。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本装置应用温差转化为压差产生动力的原理，实现太阳能面板的自动追踪。并且本装置通过设计锥形集热面板、液压推杆等机构，改变了传统通过传感器实现太阳能面板的自动追踪，纯机械机构设计降低成本，延长了使用寿命。

附图说明

图1是本发明的太阳能追踪装置整体示意图。

图2是本发明太阳能追踪装置后侧示意图。

图3是本发明热压能转换模块结构示意图。

图4是图3中去掉一个太阳能集热板后热压能转换模块内部结构示意图。

图5是本发明热压能转换模块横向剖切示意图。

图6是本发明气压伸缩杆安装示意图。

图中，1-底座，2-太阳能板框架，3-热压能转换模块，4-气压伸缩杆，5-支撑杆，6-隔热底板，7-隔热中板，8-太阳能集热板，9-集热边板，10-气缸，11-伸缩杆，12-上固定圈，13- 滚子轴承，14-下固定圈，15-气体导管，16-增压管，17-转轴，18-螺栓，19-螺母，20-太阳能面板，21-辅助轴，22-三脚架，23-镂空支架，24-固定轴，25-气口。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1至图6所示，一种基于温差感应的太阳能追踪装置，包括底座1、太阳能板框架2、热压能转换模块3和两个气压伸缩杆4，所述太阳能板框架2上表面用于安装太阳能面板20，太阳能面板20上安装有光伏阵列，所述底座1中部设有两个支撑杆5，所述太阳能板框架2 中部通过转轴17安装在两个支撑杆5上(两个转轴17同轴设置)，所述太阳能板框架2以转轴17的转动轴线对称设置，使得太阳能板框架2能够保持左右平衡的安装在支撑杆5上，两个气压伸缩杆4分别安装在太阳能板框架2两侧底部与底座1之间，通过两个气压伸缩杆4的伸缩驱动太阳能板框架2绕转轴17的轴线转动，从而调整太阳能面板20与太阳入射光线的夹角，所述热压能转换模块3安装在太阳能板框架2中部，热压能转换模块3包括隔热底板6、隔热中板7和两个太阳能集热板8，所述隔热底板6平行的固定在太阳能板框架2上表面中部，所述隔热中板7固定于隔热底板6中部，且与隔热底板6垂直安装，两个太阳能集热板8成尖顶型对称的安装在隔热中板7两侧，使得每个太阳能集热板8均与隔热中板7及相应侧的隔热底板6之间组成热压能转换密封空间，两个太阳能集热板8和隔热底板6构成等腰三角形截面的三菱体，由于三角形腰长最长，因此能够充分吸收太阳能，便于在两个热压能转换密封空间创造更大的温差，从而创造更大的气压能差，便于通过气压伸缩杆4调节太阳能板框架2的方向，从而提供太阳能板框架2对太阳的跟随精度。

如图4所示，所述隔热中板7与绕转动副的转动轴线平行设置；每个热压能转换密封空间分别通过气体导管15与相应侧的气压伸缩杆4的进气口相连，即隔热底板6上设有与气体导管15相连的气口25。

本发明实施例中，如图4所示，所述太阳能集热板8在两端与隔热中板7及隔热底板6 之间通过三角形的集热边板9密封相连，通过设置集热边板9可以增加热压能转换密封空间对太阳能吸收能力，从而提高跟随精度。

作为一种较优实施例，所述隔热中板7与每侧的隔热底板6之间均设有多个三角形的镂空支架23，所述镂空支架23用于支撑每侧的太阳能集热板8，通过镂空支架23即对太阳能集热板8完好的支撑，防止气压变化过程中，热压能转换密封空间发生变形，又能使得热压能转换密封空间内气体可以无阻碍的对流。

作为一种更优实施例，如图1和图2所示，所述太阳能板框架2下表面还设有两个辅助轴21，所述辅助轴21通过三脚架22安装在太阳能板框架2下表面，两个辅助轴21与转轴17的轴线平行，且以转轴17的轴线所在平面对称设置，所述气压伸缩杆4的顶部通过轴承与相应侧的辅助轴21相连，气压伸缩杆4的底部通过轴承与相应侧的底座1相连。具体的，气压伸缩杆4的伸缩杆11顶部通过上固定圈12固定在滚子轴承13的外圈上，该滚子轴承 13的内圈套在辅助轴21上，气压伸缩杆4的气缸10下端通过下固定圈14固定在滚子轴承 13(图6中未画出)的外圈上，该滚子轴承13的内圈套在固定轴24上，固定轴24固定在底座1上。

作为一种更优实施例，所述气体导管15与相应侧的气压伸缩杆4的进气口之间通过缩径增压的增压管16相连，通过增压管16可以将气压变化放大，从而提高气压伸缩杆4的调节精度。

所述太阳能板框架2与水平面呈夹角安装，该夹角的角度范围为15-30度，如图1所示，安装时太阳能板框架2背面朝北，上表面倾斜的朝南，所述太阳能板框架2随着太阳东升西落过程中进行旋转，使得太阳能板框架2的法线方向始终跟随太阳。

作为一种更优实施例，通过太阳能面板20、太阳能板框架2及热压能转换模块3的尺寸和形状，使得太阳能板框架2及其上表面安装的部件重心落在转轴17的轴线上。

作为一种更优实施例，所述太阳能集热板8与隔热底板6的夹角为60-80度，该角度设置可以使得两个太阳能集热板8收集热量差达到最大，这样，可以提高太阳能板框架2转动跟随的精度，太阳极小角度变化都可以引起两个太阳能集热板8收集热量足够大的变化，来通过两个气压伸缩杆4驱动太阳能板框架2旋转，从而完成对太阳的跟随。

本发明使用和工作原理如下：

首先将本发明的底座1固定在地面上，调整方向，使得太阳能板框架2的下表面朝北，上表面朝南(太阳能板框架2与地平面存在夹角，一般为15-30度)，在太阳能板框架2上安装太阳能面板20，由于太阳与太阳能板框架2所在平面存在一定的角度，而热压能转换模块 3与太阳能板框架2所在平面又是垂直状态，所以，此时热压能转换模块3的两个太阳能集热板8能够接受到的光照不一样，对着太阳一面的太阳能集热板8收集的温度高一些，相应的热压能转换密封空间内气体压力高，通过气体导管15驱动该侧的气压伸缩杆4收缩，使得太阳能板框架2绕着转轴17向太阳一侧旋转，而另一侧的气压伸缩杆4则被拉伸，内部活塞压缩气体，通过气体导管15连通，使得最终两个热压能转换密封空间内温度相同，压力相等，才停止转动，太阳能板框架2旋转达到对应的动态平衡。此时，太阳能板框架2所在平面法线正对太阳，热压能转换模块3的两个太阳能集热板8收集的热量一致，一直维持平衡状态，随时时间推移，太阳角度发生变化，两个太阳能集热板8收集的热量再次不一致，按照上述动作再次驱动两个气压伸缩杆4伸缩调整太阳能板框架2的方向，直至太阳能板框架2所在平面法线正对太阳，热压能转换模块3的两个太阳能集热板8收集的热量一致，而太阳能板框架2所在平面法线正对太阳，则表明太阳能板框架2上的太阳能面板20吸热效率可以达到最大化。当太阳落山时，由于没有太阳光照，因此两个太阳能集热板8收集不到热量，两个热压能转换密封空间内气压是相同，因此，太阳能板框架2会保持朝南的中间状态。

现有的传感器的追踪式太阳能电池板对光线的要求较高，在西部风沙较大的环境中，光线因为风沙会不断改变。而本装置利用气体吸热，气压升高代替光学传感器，采用新型单轴联动反追踪结构，虽然其灵敏度稍差，但具有使用时间长，原理、结构简单，维修成本低的优点，更能适应西北部恶劣的气候。与基于光学传感器的追踪式太阳能电池相比，该装置太阳能面板的重量有所下降，减少了因风力导致太阳能面板从转动轴上脱落的危险，大大降低了装置的保养频率。而目前太阳能面板不断普及，本装置可广泛推广应用于：

(1)家庭小型太阳能面板；

(2)大型光伏发电电站；

(3)路灯，屋顶等人工不方便到达的地方。

使用本装置只需要在传统的太阳能面板上加装追踪模块，具有拆装方便的特点，因此，本项目应用前景广阔。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：包括底座、太阳能板框架、热压能转换模块和两个气压伸缩杆，所述太阳能板框架上表面用于安装太阳能面板，所述底座中部设有两个支撑杆，所述太阳能板框架中部通过转动副安装在两个支撑杆上，所述太阳能板框架以转动副的转动轴线对称设置，使得太阳能板框架能够保持左右平衡的安装在支撑杆上，两个气压伸缩杆分别安装在太阳能板框架两侧底部与底座之间，通过两个气压伸缩杆的伸缩驱动太阳能板框架绕转动副的转动轴线转动，从而调整太阳能面板与太阳入射光线的夹角，所述热压能转换模块安装在太阳能板框架中部，热压能转换模块包括隔热底板、隔热中板和两个太阳能集热板，所述隔热底板平行的固定在太阳能板框架上表面中部，所述隔热中板固定于隔热底板中部，且与隔热底板垂直安装，两个太阳能集热板成尖顶型对称的安装在隔热中板两侧，使得每个太阳能集热板均与隔热中板及相应侧的隔热底板之间组成热压能转换密封空间，所述隔热中板与转动副的转动轴线平行设置；每个热压能转换密封空间分别通过气体导管与相应侧的气压伸缩杆的进气口相连。

2.如权利要求1所述基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：所述太阳能集热板在两端与隔热中板及隔热底板之间通过三角形的集热边板密封相连。

3.如权利要求1所述基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：所述隔热中板与每侧的隔热底板之间均设有多个三角形的镂空支架，所述镂空支架用于支撑每侧的太阳能集热板。

4.如权利要求1所述基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：所述转动副为转轴，即太阳能板框架中部通过两个同轴的转轴安装在两个支撑杆上，所述太阳能板框架下表面还设有两个辅助轴，所述辅助轴通过三脚架安装在太阳能板框架下表面，两个辅助轴与转轴的轴线平行，且以转轴的轴线所在平面对称设置，所述伸缩气缸顶部通过轴承与相应侧的辅助轴相连，底部通过轴承与相应侧的底座相连。

5.如权利要求1所述基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：所述气体导管与相应侧的气压伸缩杆的进气口之间通过缩径增压的增压管相连。

6.如权利要求1所述基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：所述太阳能板框架与水平面呈夹角安装，该夹角的角度范围为15-30度。

7.如权利要求1-6任意一项所述基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：通过太阳能面板、太阳能板框架及热压能转换模块的尺寸和形状，使得太阳能板框架及其上表面安装的部件重心落在转动副的转动轴线上。

8.如权利要求1-6任意一项所述基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：所述太阳能集热板与隔热底板的夹角为60-80度。

9.如权利要求1-6任意一项所述基于温差感应的太阳能追踪装置，其特征在于：每个热压能转换密封空间、相应侧的气体导管及气压伸缩杆内填充密封的空气、氮气或者氨气。

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