CN112005488A - 用于太阳能跟踪器的结构梁 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能系统，且所述太阳能系统包含太阳能阵列及经配置以支撑所述太阳能阵列的支撑结构。所述支撑结构包含结构梁，所述结构梁包含：上部板；下部板，其与所述上部板相对地安置；第一侧板，其插置在所述上部板与所述下部板之间；及第二侧板，其插置在所述上部板与所述下部板之间且与所述第一侧板间隔开。所述上部板及所述下部板中的每一者通过由钉固形成的多个接头固定地耦合到所述第一板及所述第二板。

Description

用于太阳能跟踪器的结构梁

相关申请案的交叉参考

本申请案是2018年3月23日提出申请的美国专利申请案第15/933,722号的PCT申请案，所述美国专利申请案的全部内容并入本案供参考。

技术领域

本发明涉及太阳能系统，且更确切来说涉及与太阳能跟踪器致动系统搭配使用以调整太阳能系统的定向从而跟踪太阳的位置的结构梁。

背景技术

太阳能电池及太阳能面板在阳光充足条件下以特定角度朝向太阳定向时是最高效的。很多太阳能面板系统是与太阳能跟踪器组合的设计，所述太阳能跟踪器跟随太阳在天空中从东向西的轨迹以将系统的发电能力最大化。单个太阳能电池生成的能量相对低，因此需要使用布置成阵列的数千个太阳能电池以产生足够量值的能量以(例如)可用作能量网的一部分。因此，已开发出长度横跨数百英尺的相当大的太阳能跟踪器。

需要电力调整大型太阳能跟踪器，以在太阳能跟踪器跟随太阳的过程中驱动太阳能阵列。应了解，荷载越大，驱动太阳能跟踪器所需的电量越大。此类系统的额外设计局限是适应太阳能阵列的重量且有时适应巨大的风荷载所需的刚性。

此外，由风荷载所致的扭转激励会对支撑结构及铰接太阳能跟踪器的机构施加巨大的力。如此，需要在沿着太阳能跟踪器的长度的各个位置处增大组件的大小及数目以减小扭转激励。可了解，太阳能结构通常由经设计以降低产品总成本的轻型框架构成。如此，由冷成形钢片材生产轻型钢部件的当前方法导致在整个横截面上材料厚度单一。此使当前设计者在重量优化系统或硬度优化系统之间选择，尤其是在成本与可靠性之间做出选择。

如上所述，跟踪器系统依靠框架部件的扭转刚性来确保恰当操作。通过使用管或管道最好地达成此刚性。用于冷成形管及管道的当前制造方法仅允许使用一种钢厚度。另外，闭合形状通常是焊接而成，此可能会导致最终的形状发生畸变，进而限制在梁制作之前可对片材执行的操作次数。本发明力图解决先前跟踪器系统的缺陷。

发明内容

本发明涉及一种太阳能系统，所述太阳能系统包含太阳能阵列及经配置以支撑所述太阳能阵列的支撑结构。所述支撑结构包含结构梁，所述结构梁包含：上部板；下部板，其与所述上部板相对地安置；第一侧板，其插置在所述上部板与所述下部板之间；及第二侧板，其插置在所述上部板与所述下部板之间且与所述第一侧板间隔开。所述上部板及所述下部板中的每一者通过由钉固形成的多个接头固定地耦合到所述第一侧板及所述第二侧板。

在各方面中，所述太阳能系统可包含基座，所述基座经配置以支撑所述支撑结构。

在特定方面中，所述基座可经配置以可旋转地支撑所述支撑结构。

在其它方面中，所述基座可由所述结构梁形成。

在特定方面中，所述太阳能系统可包含扭矩管，所述扭矩管经配置以将所述支撑结构支撑在所述基座上。

在各方面中，所述扭矩管可经配置以将所述支撑结构可旋转地支撑在所述基座上。

在其它方面中，所述扭矩管可由所述结构梁形成。

在各方面中，所述上部板、所述下部板、所述第一侧板及所述第二侧板可由相同的材料形成。

在特定方面中，所述上部板、所述下部板、所述第一侧板及所述第二侧板中的至少一者与其余的上部板、下部板、第一侧板或第二侧板可由不同的材料形成。

在其它方面中，所述多个接头中的每一接头可形成蘑菇形轮廓。

在各方面中，所述多个接头中的每一接头可形成矩形轮廓。

在特定方面中，所述多个接头中的一部分接头可形成蘑菇形轮廓，且所述多个接头中的一部分接头可形成矩形轮廓。

在其它方面中，所述上部板、所述下部板、所述第一侧板及所述第二侧板中的至少一者可包含变化的厚度。

在各方面中，所述上部板、所述下部板、所述第一侧板及所述第二侧板中的至少一者可在通过钉固彼此耦合之前先被预先涂布防磨蚀材料。

附图说明

下文中参考图式描述本发明的各个方面及特征，其中：

图1是根据本发明提供的结构梁的俯视透视图；

图2是图1中所指示的细节的区域的放大图；

图3是图1的结构梁的侧视图；

图4是图1的结构梁的俯视图；

图5是图1的结构梁的横截面图；

图6是可利用图1的结构梁的太阳能跟踪系统的侧视图；

图7是图6的太阳能跟踪系统的仰视透视图；

图8是图7中所指示的细节的区域的放大图；

图9是太阳能跟踪系统的仰视透视图，其展示多个扭矩管；

图10是可利用图1的结构梁的太阳能跟踪系统的另一实施例的透视图；且

图11是图1的以分离的零件展示的太阳能跟踪系统的透视图。

具体实施方式

本发明涉及与太阳能跟踪系统搭配使用的结构梁及制造所述结构梁的方法。结构梁包含多个板，可以任何适合的方式对所述多个板进行定向以为将利用所述结构梁的应用提供必要的强度。使用冷成形技术(例如，钉固)将所述多个板中的每一板彼此固定地接合。这样一来，利用冲头及冲垫来将邻近板的一部分彼此接合。接头的位置及数目可取决于将利用所述结构梁的应用的要求。在各方面中，结构梁的组件中的一或多者可在其长度或宽度上包含变化的厚度，且可在接合之前先被预先涂布防磨蚀材料。

考虑可将结构梁用于太阳能跟踪系统的构造中，但也可考虑将结构梁与适合的任何太阳能系统(例如，固定太阳能系统)搭配使用。确切来说，结构梁可用于支撑结构、基座、扭矩管及其它结构部件中。可了解，使用钉固使得不再需要其它接合技术，例如焊接、机械紧固件、粘合剂等。此外，钉固能减少对执行时间耗费及在将材料接合在一起之前的浪费性准备(例如，钻孔、研磨等)的需要。使用钉固将材料接合在一起的额外益处是能够形成任何适合的梁轮廓，能够将不同的材料彼此接合，结构梁的部分可包含变化的厚度，且结构梁的各种组件可被预先涂布涂料或其它防磨蚀材料，而无须担心在钉固期间损坏涂层。

现在参考图式详细地描述本发明的实施例，在图式中参考编号在数个视图的每一者中标示相同或对应的元件。在图式中且在以下说明中，例如前、后、上部、下部、顶部、底部等术语及类似的方向性术语仅出于说明方便起见而使用，并不旨在限制本发明。在以下说明中，未详细地描述众所周知的功能或构造，以免不必要的细节使本发明模糊。

参考图1到5，根据本发明提供与太阳能跟踪系统搭配使用的结构梁，且一般来说由参考编号10标识所述结构梁。尽管一般来说被描述为用于太阳能跟踪系统中，但可考虑将结构梁10用于任何适合的跟踪系统中，例如固定太阳能系统等。

结构梁10界定大体上矩形的轮廓，结构梁10具有：上部板12；下部板14，其与上部板12相对地安置且与上部板12间隔开；第一侧板16；及第二侧板，其与第一侧板相对地安置，第一侧板及第二侧板插置在上部板12与下部板14之间。尽管一般来说被描述为界定大体上矩形的轮廓且包含上部板12、下部板14、第一侧板16及第二侧板18，但考虑结构梁10可界定任何适合的轮廓(例如，I型梁、C形沟道、U形沟道、盒形等)且可根据结构梁10的需要包含任何数目个板(例如2个、3个、4个、5个等)。

上部板12及下部板14彼此基本上类似，且因此本文中为简洁起见将仅详细地描述上部板12。上部板12包含内表面12a及与内表面12a相对地安置的外表面12b，内表面及外表面中的每一者在相对的端部12c与12d以及相对的侧表面12e与12f之间延伸。尽管一般来说上部板12被图解说明为具有矩形轮廓，但考虑上部板12可包含任何适合的轮廓，且上部板12及下部板14可包含相同或不同的轮廓。

第一侧板16与第二侧板18彼此基本上类似且因此为简洁起见本文中将仅描述第一侧板16。第一侧板16界定大体上C形轮廓，第一侧板16具有平坦的侧表面16a以及从平坦的侧表面16a垂直延伸的一对凸沿16b及16c。所述一对凸沿16b、16c中的每一凸沿彼此间隔开且彼此平行地延伸。所述一对凸沿16b、16c分别界定对应的内表面16d、16e以及外表面16f、16g。如图3中所图解说明，所述一对凸沿16b、16c中的每一凸沿各自的外表面16e、16g经配置以与上部板12及下部板14各自的内表面12a、14a邻接。

如图2及3中所图解说明，第一侧板16及第二侧板18被安置成相对于彼此间隔开，且成对的凸沿16b、16c与18b、18c是共面的。上部板12及下部板14中的每一者安置在相应的凸沿16b、16c、18b、18c上，以使得上部板12及下部板14的内表面12a、14a分别与外表面16e、16g及18e、18g邻接。

使用冷成形工艺(例如，钉固或压接)，第一侧板16及第二侧板18固定地耦合到上部板12及下部板14。在利用钉固工艺的每一位置处所述钉固工艺基本上类似，且因此为简洁起见本文中将仅详细地描述一个接头20。

首先，将上部板12的内表面12a放置在侧板16的凸沿16b的外表面16e上，以使得上部板12支撑在凸沿16b的外表面16e上。抵靠侧板16的凸沿16b的内表面16d放置冲垫，且使用能够阻止冲垫相对于侧板16移动的任何适合的手段将所述冲垫固持在适当位置。接下来，邻近上部板的外表面12b放置冲头，且将所述冲头定向成使得其与冲垫同心。此时，使用任何适合的手段将冲头驱动到上部板12的上表面12b中。继续将冲头驱动到上表面12b中以使得将上部板12驱动到侧板16的凸沿16b中。继续驱动冲头使得凸沿16b在冲垫内位移，此时同样地将上部板12驱动到由凸沿16b在冲垫内形成的腔中。如图3及5中所图解说明，上部板12及凸沿16b的已使用冲头及冲垫接合的部分形成大体上蘑菇形的轮廓20a，从而阻止上部板12与凸沿16b分离。尽管一般来说冲头及冲垫被图解说明为形成蘑菇形轮廓20a(例如，修圆的配置)，但考虑到冲头及冲垫可以是任何适合的轮廓(例如矩形、卵形、正方形等)，具体轮廓取决于被接合的材料类型或结构梁10的需要。

可了解，所形成的接头20的数目可根据结构梁10的需要及采用接头20的位置而变化。具体来说，在需要较大的强度的情况下可利用较大数目的接头20，且在需要较小强度的情况下可利用较低数目的接头20。此外，每一接头所位于的位置可根据施加到结构梁20的扭转或弯曲荷载而变化(例如，在横向方向上)。这样一来，接头20可放置在结构梁10上的任何适合的位置处。

可考虑使用任何适合的材料或材料组合形成结构梁10，例如金属材料(例如，钢、铝、铜、镁、钛等)或非金属材料(例如，聚合物、纤维增强塑料、复合物、木材金属复合物等)。在实施例中，上部板12及下部板14可由金属材料形成，且第一侧板16及第二侧板18可由非金属材料形成，反之亦然。考虑上部板12及下部板14以及第一侧板16及第二侧板18中的每一者可由相同的材料或不同的材料形成。

在实施例中，上部板12、下部板14以及第一侧板16及第二侧板18中的每一者可包含变化的厚度以适应由结构梁10支撑的沿着其长度变化的荷载。这样一来，上部板12、下部板14以及第一侧板16及第二侧板18的厚度在无需强度处可较薄，且厚度在最高效使用处(例如，更高荷载)可较厚。可了解，使上部板12、下部板14及第一侧板16及第二侧板18的厚度变化有助于在增大硬度的同时减小每一板的相应重量。还设想可先对上部板12、下部板14及第一侧板16及第二侧板18中的每一者涂布防磨蚀材料(例如涂刷、阳极氧化处理、镀锌等)，再进行接合。可了解，可使用钉固方法实现将经预先涂布的上部板12及下部板14接合到经预先涂布的第一侧板16及第二侧板18，而无须担心在接合期间损坏保护材料。

可了解，钉固的使用使得不再需要其它接合技术，例如焊接、机械紧固件、粘合剂等。此外，钉固能减少对执行时间耗费及在将材料接合在一起之前的浪费性准备(例如，钻孔，研磨等)的需要。使用钉固将材料接合在一起的额外益处是能够形成任何适合的梁轮廓、能够将不同的材料彼此接合。此外，钉固的使用使得能够在接合之前对每一板进行处理(例如，形成为最终形状、孔等)，从而使每一板的最终形状发生畸变的担心降到最低限度，甚至无须担心每一板的最终形状发生畸变。

参考图6到9，可考虑将结构梁10用于太阳能跟踪系统100中。太阳能跟踪系统包含：太阳能阵列110；支撑结构120，其经配置以支撑太阳能阵列110；基座130，其经配置以可旋转地支撑所述支撑结构120；及铰接系统140，其经配置以相对于基座130铰接太阳能阵列110与支撑结构120。

太阳能阵列110支撑在支撑结构120上，支撑结构120包含一对平行梁122，所述一对平行梁122被安置成相对于彼此间隔开且沿着太阳能跟踪系统100的长度延伸。支撑结构120包含成对的横梁124，成对的横梁124被安置成彼此平行且间隔开以接纳基座130的一部分，以使得支撑结构120可与基座130铰接，但不会干扰支撑结构120相对于基座130的铰接。

基座130包含：第一端部130a，其经配置以锚定到地面中或锚定到适合结构；及第二相对的端部130b，其经配置以可旋转地支撑支撑结构120。基座130支撑铰接系统140的一部分，以使得铰接系统可反作用于基座130且使得支撑结构120铰接在基座130周围且调整太阳能阵列110相对于太阳的定向。参考图9，太阳能跟踪系统100可包含多个扭矩管150，所述多个扭矩管150经配置以跨越太阳能阵列20传输扭转荷载且在太阳能阵列20旋转时阻止太阳能阵列20扭曲。

考虑平行梁122中的一者或两者、成对的横梁124中的一或多个横梁以及扭矩管150中的一或多者由本文中所描述的结构梁10形成。可了解，结构梁中所利用的接头的轮廓及数目可经定制以适应每一特定梁的结构、尺寸及环境需要。

图10及11图解说明太阳能跟踪系统的另一实施例，所述太阳能跟踪系统可利用结构梁10且一般来说由参考编号200标识。太阳能跟踪系统200是水平平衡的太阳能跟踪器，且包含太阳能阵列210；多个支撑梁220，其经配置以支撑太阳能阵列210；多个基座230，其经配置以可旋转地支撑扭矩管240，所述扭矩管240经配置以支撑所述多个支撑梁220；及铰接系统250，其经配置以与太阳能阵列210铰接。考虑所述多个支撑梁220、所述多个基座230及扭矩管240中的一或多者可由结构梁10形成。可了解，扭矩管240的壁厚度可沿着其长度变化以适应特定位置处的变化的扭转荷载。这样一来，由本文中所描述的结构梁10形成的扭矩管240能够更灵活地适应充分支撑太阳能阵列210及其相关联结构所需的扭转硬度、重量及弯曲硬度。

关于可利用结构梁10的示范性太阳能跟踪系统的详细说明，可参考逢(Au)的标题为“平衡的太阳能跟踪器夹具(Balanced Solar Tracker Clamp)”的美国专利第9,466,749号、克雷斯(Kresse)等人于2018年3月23提出申请的标题为“太阳能跟踪器的多致动器系统(Multiple Actuator System for Solar Tracker)”的美国专利申请案、标题为“水平平衡太阳能跟踪器(Horizontal Balanced Solar Tracker)”的美国专利第9,905,717号，上述申请案中的每一者的全部内容并入本案供参考。

虽然图式中已展示了本发明的数个实施例，但本发明不旨在仅限于此，而是本发明的范围旨在如此项技术所允许的一样宽广且对说明书做出同样的解读。因此，以上说明不应被解释为具限制性，而是仅作为特定实施例的示范。

Claims (14)

1.一种太阳能系统，其包括：

太阳能阵列；以及

支撑结构，其经配置以支撑所述太阳能阵列，其中所述支撑结构包含结构梁，所述结构梁包括：

上部板；

下部板，其与所述上部板相对地安置；

第一侧板，其插置在所述上部板与所述下部板之间；及

第二侧板，其插置在所述上部板与所述下部板之间且与所述第一侧板间隔开，

其中所述上部板及所述下部板中的每一者通过由钉固形成的多个接头固定地耦合到所述第一侧板及所述第二侧板。

2.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中太阳能跟踪系统包含基座，所述基座经配置以支撑所述支撑结构。

3.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中所述基座经配置以可旋转地支撑所述支撑结构。

4.根据权利要求2所述的太阳能系统，其中所述基座由所述结构梁形成。

5.根据权利要求2所述的太阳能系统，其中所述太阳能系统包含扭矩管，所述扭矩管经配置以将所述支撑结构支撑在所述基座上。

6.根据权利要求5所述的太阳能系统，其中所述扭矩管经配置以将所述支撑结构可旋转地支撑在所述基座上。

7.根据权利要求5所述的太阳能系统，其中所述扭矩管由所述结构梁形成。

8.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中所述上部板、所述下部板、所述第一侧板及所述第二侧板由相同的材料形成。

9.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中所述上部板、所述下部板、所述第一侧板及所述第二侧板中的至少一者与其余的所述上部板、所述下部板、所述第一侧板或所述第二侧板是由不同的材料形成。

10.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中所述多个接头中的每一接头形成蘑菇形轮廓。

11.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中所述多个接头中的每一接头形成矩形轮廓。

12.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中所述多个接头中的一部分接头形成蘑菇形轮廓，且所述多个接头中的一部分接头形成矩形轮廓。

13.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中所述上部板、所述下部板、所述第一侧板及所述第二侧板中的至少一者包含变化的厚度。

14.根据权利要求1所述的太阳能系统，其中所述上部板、所述下部板、所述第一侧板及所述第二侧板中的至少一者在通过钉固彼此耦合之前被预先涂布防磨蚀材料。

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