CN113507259A - 一种利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置，它由太阳能电池板、光伏支架、浮球驱动装置、恒流进水装置、虹吸排水装置、PLC反馈控制调节装置构建一个通过浮球的浮力带动太阳能电池板发生东西方向转动，浮球的高度由水箱水位控制，水箱水位由恒流进水装置的流量控制，该流量与地球绕太阳的转动速度有关，浮球带动光伏板移动，完成从日出到日落对太阳的追踪，日落后利用虹吸装置排空水箱中的水，完成一天的光伏板追日，第二天循环往复。该装置与固定式光伏电池板相比，提高了整个光伏提水系统的能量利用率；与双轴精密式太阳能电池板追日装置相比，能提高追日系统的整体稳定性。

Description

一种利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置
技术领域
本发明属于水力机械动力技术领域和可再生能源高效利用领域，特别设计一种利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置。
背景技术
目前市场太阳能电池板多采用支架固定安装模式，其角度设定为正午时分与太阳光垂直，其它时刻未能随太阳辐射强度变化而改变，太阳能利用不充分，发电量降低，水泵提水量较少。对于许多精密双轴式太阳能电池板追踪装置，分为南北东西两个转轴，分别根据太阳的高度角与方位角共同转动，通过光敏传感器，利用负反馈调节控制机制，可以准确追踪太阳，但是这中双轴太阳能电池板追日装置结构非常复杂，故障率也极其高，结构中的马达成本高耗电量又大，推广较为困难。
发明内容
针对现有固定安装模式的太阳能电池板能量利用率较低的问题，本发明提供了一种利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置，通过水泵往水箱中注水，随着水位的不断升高，浮球驱动钢杆带动太阳能电池板由东向西转动，实现机械追日效果，解决太阳能利用率偏低低，光伏水泵提水量不高的问题。
为实现上述任务，本发明采用以下技术方案：一种利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置，由太阳能电池板、光伏支架、浮球驱动装置、水箱、恒流进水装置、虹吸泄水装置、PLC反馈控制调节装置、控制柜、电线、蓄水池、光伏水泵、输水管网组成。
所述太阳能电池板的左下方设有水箱，所述水箱内设有浮球驱动装置和液位传感器。
所述光伏水泵安装在的蓄水池内，其出水口与输水管网连接；所述输水管网包括灌溉主管、第一输水支管、第二输水支管，所述灌溉主管的一端连接光伏水泵，所述第一输水支管与恒流进水装置的进水口连接，所述恒流进水装置的出水口和泄水口分别与水箱和蓄水池连接；所述第二输水支管与水箱连接，其中间安装有电磁阀；所述水箱的出水口通过虹吸泄水装置与蓄水池连接。
进一步讲，所述浮球驱动装置由浮球、钢杆组成，所述钢杆的一端与太阳能电池板的左边缘中心连接，另一端与浮球连接。
进一步讲，所述液位传感器、电磁阀分别通过导线与安装在光伏支架上控制柜内的PLC反馈控制调节装置连接。
进一步讲，所述恒流进水装置包括恒压溢流桶，所述恒压溢流桶被挡板分成溢流槽与泄水槽两部分，所述溢流槽的桶壁靠下处设有出水口，所述泄水槽的底部设有泄水口，所述第一输水支管的出水口处安装有恒流滴头且位于溢流槽的上方。
进一步讲，所述虹吸泄水装置包括外壳与内管管道，所述外壳前端封闭，末端连接直径相同的三通，在外壳中套入内径较小的内管，内管前端与外壳前端留有一定间隙，一端连接直角弯管，另一端连接内管末端，另一端连接水箱的出水口，所述直角弯管的另一端通过虹吸泄水支管与蓄水池连接。
进一步讲，所述光伏支架由两根横梁和北高南低的两根立柱组成，所述横梁与立柱活动铰接，所述两根立柱下方为正方形框架结构，所述横梁与太阳能电池板连接。
太阳能电池板的自东向西旋转角度μ的确定：
以水平面方向角度为原点，向东为负，向西为正；
太阳高度角α计算公式：
Figure BDA0003172363830000031
式中：
Figure BDA0003172363830000032
为地理纬度；ω为太阳时角；δ为赤纬角。
太阳方位角λ计算公式：
Figure BDA0003172363830000033
太阳时角ω：
Figure BDA0003172363830000034
ts＝t0+E±4×(120-J) (4)
E＝0.028-1.9857sinθ+9.9059sin 2θ-7.0924cosθ-0.6882cos 2θ
(5)
Figure BDA0003172363830000035
t＝N-N0 (7)
N0＝79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT[(年份-1985)/4]
(8)
式中：ts为某地的真太阳时；t0为北京时间；E为时差；θ为日角；N为积日，日期在一年中的顺序号；
采用Cooper算法来计算赤纬角δ：
Figure BDA0003172363830000041
上下午光伏水泵开始启动的辐射强度的阈值为E，对应当地真太阳时为ts1、 ts2；由公式(3)、(4)可计算出对应的北京时间与太阳时角为t01、t02，ω1、ω2；由公式(9)可知太阳赤纬角为δ1、δ2。
在上午与下午太阳能电池板与地平面的夹角为τ，则该角与太阳高度角互余，计算公式如下：
cosμ＝sinα (10)
则自东向西τ的取值范围为：
-μ1≤τ≤μ1 (11)
圆柱水箱的地面半径为r，则太阳能电池板自西向东需要进水体积为V体，计算公式如下：
V体＝πr2H (12)
式中：H为出水口到虹吸装置内管的高度。
浮球上升的线速度为υ，计算公式为：
Figure BDA0003172363830000042
恒流进水装置的流量Q的计算公式：
Figure BDA0003172363830000051
由薄壁孔口自由出流(图2)理论计算公式：
薄壁：l<3d
小孔口：d<H0/10
Figure BDA0003172363830000052
Figure BDA0003172363830000053
式中：CC为收缩系数，取值为0.62-0.63；CV为流速系数，取值为0.97-0.98； AC为孔口收缩断面面积；A为孔口面积，H0为挡板到孔口中心的高度。
根据流量Q的大小来确定H0与A取值大小。
本发明采用一种南北方向少数固定转动角度的基于流量调节的单轴机械追日装置，通过溢流恒压与孔口出流装置，保证水箱进水口的流量恒定，使得水箱中浮球随着水位的增加带动太阳能电池板东西方向转动；水箱中装有液位传感器，针对特殊气候条件下，光伏水泵未能连续工作，此时通过液位传感器判断液位，通过PLC控制电磁阀开闭，使得水箱水位迅速到达预定位置，电磁阀关闭，通过恒流控制器继续工作，完成机械追日，有效避免了电磁阀的经常性关闭缩短其使用寿命。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用采用水的浮力作用实现太阳能电池板的追日效果，在水箱中设有浮球驱动装置、虹吸排水装置、恒流进水装置，利用多个装置的结合，随着水箱中水位的不断变化完成太阳能电池板的由东到西、由西到东的循环转动，始终保持与太阳垂直，不需要借助额外动力设施与监测装置，提高太阳能的利用率，增加光伏水泵的提水量。
2.本发明装置中的水箱进水口配置恒流进水装置，在阳光充足，光伏水泵持续工作的情况下，可以保证进入水箱中的流量不会随着支管的压力变化而改变，水箱中的水位增长速率恒定，从而保证浮球以恒定速度推动太阳能电池板，实现太阳能电池板以恒定角速度进行转动，从而实现追日效果；由于水箱进水口设有PLC反馈控制调节装置，在天气异常，光伏水泵未能持续工作情况下，通过液位传感器检测水位，并通过PLC控制电磁阀的开闭，使得水箱中水位迅速达到指定位置，继续完成机械追日；当水箱的水位到达一定高度时，虹吸排水装置开始把水箱中的水通过出水口的支管排入到蓄水池中，既能保证水箱中的水位自动变化，从而带动太阳能电池板恢复初始位置，又能通过重力作用把水箱中水排入蓄水池中，不浪费水资源。
3.本发明是建立在光伏水泵提水系统的基础上进行改装而来，系统通过太阳能电池板直接带动光伏水泵工作，并免蓄电池，只需要额外增加水箱中的浮球驱动装置、虹吸排水转置、恒流进水装置、PLC反馈调节控制装置，不管对现有固定式光伏提水系统的改装还是进行该发明的批量生产，操作简单，结构稳定，维护成本低。
4.本发明可以实现多个太阳能电池板的机械追日装置的同时工作(图8)，通过在增加安装恒流进水装置、PLC反馈控制调节装置、虹吸泄水装置，其余机械追日装置只需把水箱通过管道连通，即可实现多个装置共同工作的场景，保证装置实现上述功能情况下，大大减少装置成本，结构简单，便于推广。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图
图2为恒流进水装置剖面放大示意图
图3为虹吸泄水装置剖面放大示意图
图4为太阳能电池板旋转角度与浮球高度变化几何示意图
图5为辐照强度随时间变化曲线图
图6为光伏水泵瞬时流量随时间关系曲线图
图7为水箱水位随时间变化关系曲线图
图8为多个机械追日装置整体示意图
图中标号代表：1太阳能电池板，2光伏支架，3浮球驱动装置，31浮球， 32钢杆，4水箱，5恒流进水装置，51进水孔口，52恒压溢流桶，53恒压滴头，54挡板，55泄水孔，56溢流槽，57泄水槽，58泄水支管，6虹吸泄水装置，61外壳，62三通，63内管，64直角弯管，65虹吸泄水支管，7PLC反馈控制调节装置，71PLC，72电磁阀，73液位传感器，8控制柜，9电线，10蓄水池，11光伏水泵，12输水管网，121灌溉主管，122第一输水支管， 123第二输水支管，13连通管道。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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1-4，本发明公开了一种利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置，由太阳能电池板1、光伏支架2、浮球驱动装置3、水箱4、恒流进水装置5、虹吸泄水装置6、PLC反馈控制调节装置7、控制柜8、电线9、蓄水池 10、光伏水泵11、输水管网12组成。
所述太阳能电池板1左下方设有水箱4，所述水箱4内设有浮球驱动装置 3和液位传感器73。
所述光伏水泵11安装在的蓄水池10内，其出水口与输水管网12连接；所述输水管网12包括灌溉主管121、第一输水支管122、第二输水支管123，所述灌溉主管121的一端连接光伏水泵11，所述第一输水支管122与恒流进水装置5的进水口连接，所述恒流进水装置5的出水口和泄水口分别与水箱4 和蓄水池10连接；所述第二输水支管123与水箱4连接，其中间安装有电磁阀72；所述水箱4的出水口通过虹吸泄水装置6与蓄水池10连接。
所述浮球驱动装置3由浮球31、钢杆32组成，所述钢杆32的一端与太阳能电池板1的左边缘中心连接，另一端与浮球31连接。
所述液位传感器73、电磁阀72分别通过导线9与安装在光伏支架2上控制柜8内的PLC反馈控制调节装置7连接。
所述恒流进水装置5包括恒压溢流桶52，所述恒压溢流桶52被挡板54 分成溢流槽56与泄水槽57两部分，所述溢流槽56的桶壁靠下处设有进水孔口51，所述泄水槽57的底部设有泄水孔55，所述第一输水支管122的出水口处安装有恒流滴头53且位于溢流槽56的上方，所述泄水孔55通过泄水支管58与蓄水池10连接。
所述虹吸泄水装置6包括外壳与内管管道，所述外壳61前端封闭，末端连接直径相同的三通62，在外壳中套入内径较小的内管63，内管前端与外壳前端留有一定间隙，一端连接直角弯管64，另一端连接内管63末端，另一端连接水箱4的出水口，通过内丝套筒与出水口的外丝连接，直角弯管64与三通62末端封死，三通62中间出水口在固定在水箱中；当水箱4中的水位升高时，虹吸装置的外壳61与内壳63的间隙会与水箱4中的水位保持一致，当水位高于内管63的高度时，水流从内管63流出，在外壳61前端与内管63 的间隙形成负压，产生虹吸效应，水箱中的水通过虹吸装置6利用虹吸泄水支管65到蓄水池10中。
所述光伏支架2由两根横梁和北高南低的两根立柱组成，所述横梁与立柱活动铰接，所述两根立柱下方为正方形框架结构，所述横梁与太阳能电池板1连接。太阳能电池板1可以在东西方向完成一定角度的自由旋转，在太阳能电池板1的东半边，由钢杆32与之固定连接，为浮球驱动装置3提供动力支撑点。
本发明为浮力驱动的机械动力装置，水箱是实现太阳能电池板自动转动的动力核心；所述的水箱为上端开口圆柱型，在外侧面底部留有出水口与虹吸泄水装置相连，底面直径大于浮球尺寸，高度取决于浮球上升高度(图4)。，。
恒流进水装置5的进水孔口51与位置在水箱的上部，避免在底部随着水箱中水位的提高对压进水口的恒流进水装置产生影响。
虹吸排水装置6运用了虹吸原理改装的一种倒虹吸装置，安装在水箱的外侧面底部，与水箱的出水口连接，在通过虹吸装置把水箱中水排到最小后，实现虹吸装置内部的气压与外界一致，继而开始新一轮的进出水循环以及太阳能电池板1的往返转动。
所述浮球驱动装置主要通过水箱中水的浮力带动浮球31在水箱4中上下运动，通过钢杆32，改变力的作用方向，带动太阳能电池板1以恒定角速度进行由东到西旋转，实现太阳能电池板的追日效果。
所述PLC反馈控制调节装置7由PLC 71、电磁阀72、液位传感器73组成，从灌溉主管121引出第二输水支管123，在第二输水支管123中装有电磁阀 72，液位传感器73装配在水箱中，用于检测水箱4液位高低，液位信息传至 PLC71，用于判断液位是否符合预定液位高低，控制电磁阀的开闭；PLC反馈控制调节7主要用于当存在特殊天气情况导致水泵未能连续工作，水箱4中的液位未能按照预期变化情况下，能够通过电磁阀74迅速调整水箱4水位，实现特殊天气类型下机械追日的连续性。
水箱上安装虹吸装置6，当太阳落山时，光伏水泵11不能供水，水箱4 中水位到达最大，虹吸装置排空水箱中的水，完成一天的逐日过程，第二天日出时循环往复。所述的虹吸装置包括外壳与内管管道，外壳61前端封闭，末端连接直径相同的三通62，在外壳中套入内径较小的内管63，内管前端与外壳前端留有一定间隙，一端连接直角弯管64，另一端连接内管63末端，另一端连接水箱4的出水口，通过内丝套筒与出水口的外丝连接，直角弯管64与三通62末端封死，三通62中间出水口在固定在水箱中；当水箱4中的水位升高时，虹吸装置的外壳61与内壳63的间隙会与水箱4中的水位保持一致，当水位高于内管63的高度时，水流从内管63流出，在外壳61前端与内管63的间隙形成负压，产生虹吸效应，水箱中的水通过虹吸装置6利用虹吸泄水支管65到蓄水池10中。
参阅图8，基于上述装置机械追日原理，实现多个太阳能电池板1同时追日时，把多个太阳能电池板1下的水箱4底部通过连通管道连接13，只需一套光伏水泵提水，在第一套太阳能电池板1下水箱4加装恒流进水装置5、虹吸泄水装置6以及PLC反馈控制调节装置7，其余的太阳能电池板下只需放一个水桶4和浮球驱动装置3即可，通过第一套追日装置下水箱4的恒流进水装置5注水，由于每套装置下的水箱4之间相互连通，各个水箱4中会形成等压面，保证了每个水箱中的液位以相同的变化速率上升，带动水箱中的浮球实现太阳能电池板1的自动向西转动，达到每个水箱4中液位达到一定水位后，通过水箱的虹吸泄水装置6开始释放所有水箱中所有水量，完成自西向东，恢复原始状态；当出现特殊天气情况，光伏水泵11未能持续工作，液位传感器73检测到对应时间点水箱4水位未能达到指定高度，通过PLC71打开电磁阀72，等到光伏水泵11开始工作时，通过第二输水支管123使得各个水箱4中水位迅速达到指定水位，后续通过第一输水支管122和恒流进水装置5完成后续机械追日。通过上述装置，可以实现多个太阳能电池板1的的机械追日，相比单个追日装置，大大降低投入成本，便于推广。
本发明中，太阳能电池板1的旋转角速度主要取决于水箱4中的浮球31 的上升高度范围以及水箱4的进水速度，这和水箱4的尺寸大小、恒流进水装置5的流量大小以及虹吸装置6的内管63的高度有关。
本发明的实施例中，太阳能板电池尺寸为1640mmX982mmX40mm(长* 宽*厚)，额定功率为260W；浮球的直径为250mm，钢杆长度为800mm，材质均为不锈钢；圆柱水箱底面直径为300mm，高度为800mm；虹吸装置由外壳由外径25mm，壁厚2mm，高700mm，内管由外径10mm，壁厚1mm，高为700mm；输水管网外径为35mm，壁厚2mm，以上管道材质均为PV塑料。光伏水泵型号为：额定功率为130W；试验地点为陕西杨凌西北农林科技大学水力大厅(东经108°4'27.95"，北纬34°16'56.24")，根据当地的经纬度确定得到太阳自东向西转动角度随时间的变化如图5所示，辐照强度与瞬时流量随着时间变化趋势如图5、图6所示，水箱中浮球高度与随时间变化曲线如图7 所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置，其特征在于：由太阳能电池板(1)、光伏支架(2)、浮球驱动装置(3)、水箱(4)、恒流进水装置(5)、虹吸泄水装置(6)、PLC反馈控制调节装置(7)、控制柜(8)、电线(9)、蓄水池(10)、光伏水泵(11)、输水管网(12)组成；
所述太阳能电池板(1)的左下方设有水箱(4)，所述水箱(4)内设有浮球驱动装置(3)和液位传感器(73)；
所述光伏水泵(11)安装在的蓄水池(10)内，其出水口与输水管网(12)连接；所述输水管网(12)包括灌溉主管(121)、第一输水支管(122)、第二输水支管(123)，所述灌溉主管(121)的一端连接光伏水泵(11)，所述第一输水支管(122)与恒流进水装置(5)的进水口连接，所述恒流进水装置(5)的出水口和泄水口分别与水箱(4)和蓄水池(10)连接；所述第二输水支管(123)与水箱(4)连接，其中间安装有电磁阀(72)；所述水箱(4)的出水口通过虹吸泄水装置(6)与蓄水池(10)连接；
所述浮球驱动装置(3)由浮球(31)、钢杆(32)组成，所述钢杆(32)的一端与太阳能电池板(1)的左边缘中心连接，另一端与浮球(31)连接；
所述液位传感器(73)、电磁阀(72)分别通过导线(9)与安装在光伏支架(2)上控制柜(8)内的PLC反馈控制调节装置(7)连接。
2.根据权利要求1所述的利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置，其特征在于，所述恒流进水装置(5)包括恒压溢流桶(52)，所述恒压溢流桶(52)被挡板(54)分成溢流槽(56)与泄水槽(57)两部分，所述溢流槽(56)的桶壁靠下处设有进水孔口(51)，所述泄水槽(57)的底部设有泄水孔(55)，所述第一输水支管(122)的出水口处安装有恒流滴头(53)且位于溢流槽(56)的上方。
3.根据权利要求1所述的利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置，其特征在于，所述虹吸泄水装置(6)包括外壳与内管管道，所述外壳(61)前端封闭，末端连接直径相同的三通(62)，在外壳中套入内径较小的内管(63)，内管前端与外壳前端留有一定间隙，一端连接直角弯管(64)，另一端连接内管(63)末端，另一端连接水箱(4)的出水口，所述直角弯管(64)的另一端通过虹吸泄水支管(65)与蓄水池(10)连接。
4.根据权利要求1所述的利用水箱水位调节光伏板倾角的追日装置，其特征在于，所述光伏支架(2)由两根横梁和北高南低的两根立柱组成，所述横梁与立柱活动铰接，所述两根立柱下方为正方形框架结构，所述横梁与太阳能电池板(1)连接。
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