CN1148867C - 自动跟踪太阳的光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动跟踪太阳的光伏发电系统，属于太阳能利用技术领域。该系统主要由太阳能电池阵列及其安装架、机械传动机构、跟踪控制电路、太阳光方位传感器、防风复位控制装置组成。太阳光方位传感器包括聚光透镜、细调光信号接收器和粗调光信号接收器，其中细调光信号接收器的受光端面由分布在底座端面内的四个方位的感光面构成，粗调光信号接收器的受光端面由布置于壳体周壁上四个方位的感光面构成，聚光透镜相对固定于壳体顶端，其光轴与细调光信号接收器的中心轴线重合。本发明实现了对太阳光的无盲区、高精度探测，提高了对太阳光方位的分辨力和太阳能电池的发电能力，而且具有较强的抗风能力，因此能够有效地提高光伏发电系统的性能价格比。

Description

自动跟踪太阳的光伏发电系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏发电系统，特别是一种自动跟踪太阳的光伏发电系统，属于太阳能利用技术领域。

背景技术

太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，取之不尽，用之不竭。充分利用太阳能既可以缓解能源危机，又可以减少常规能源带来的污染，保护人类赖以生存的生态环境，因此开发利用太阳能已成为世界各国可持续发展的重要战略决策。在众多的太阳能利用技术当中，太阳能光伏发电技术实现了直接将太阳能转化为电能，是一种最方便的利用方式，具有安全可靠、无噪声、无污染、可就地利用等优点，因而受到了世界各国的重视。预计到本世纪中叶，太阳能光伏发电将成为人类的基础能源之一。

现有的光伏发电系统一般是将太阳能电池固定安装，因不能始终正对太阳，故未充分利用太阳能电池的发电能力，所以价格居高不下，难以迅速推广和普及。为了降低光伏发电系统的成本，世界各国纷纷投入巨资以提高太阳能电池的发电能力。方法主要分为两种：一是提高太阳能电池的光电转换效率，二是通过自动跟踪技术使太阳能电池始终对准太阳。这两种方法均可以提高太阳能电池的发电能力，但是无论太阳能电池自身的光电转换效率有多高，通过跟踪装置都可以使其发电能力在原基础上再度提高，从而获得更多的电能。因此自动跟踪太阳的光伏发电系统的研究引起了世界各国的广泛重视，已经成为太阳能利用技术的研究热点之一。自二十世纪八十年代以来，世界各国先后研制出多种跟踪太阳的光伏发电系统，如弹簧齿轮机构、电子定时机构、计算机程序控制机构以及利用液体受热膨胀流动原理制成的简单跟踪系统等。在专利申请号为98244627.6、名称为“太阳能通信电池方阵自动跟踪太阳光装置”的专利中，公开了一种采用电子定时控制步进电机驱动太阳能电池阵列跟踪太阳的方法；在专利申请号为99221010.0、名称为“太阳能自动跟踪供电器”的专利中，公开了一种由太阳能电池板、感光电路、跟踪驱动电路、复位电路、逆变电路构成的发电系统。据申请人了解，上述现有技术虽然均有一定的应用价值，但是还存在着以下不足之处：①跟踪精度低；②故障率较高；③抗风能力差；④性能价格比不高。

发明内容

本发明的首要目的是：克服已有技术存在的主要不足之处，通过使用一种由聚光透镜、细调光信号接收器、粗调光信号接收器组成的太阳光方位传感器，提出一种跟踪精度高、稳定可靠、性能价格比较高的自动跟踪太阳的光伏发电系统。

本发明进一步的目的是提出一种具有较强抗风能力的自动跟踪太阳的光伏发电系统，从而使该系统可以得到切实的推广普及。

为了达到上述首要目的，本发明的技术方案是：自动跟踪太阳的光伏发电系统，主要由太阳能电池阵列(101)及其安装架(117)、驱动太阳能电池阵列跟踪对准太阳的机械传动机构(106)、控制机械传动机构的跟踪控制电路(107)、向跟踪控制电路传送信号的太阳光方位传感器(009)组成，其中机械传动机构(106)由方位角驱动机构(031)和高度角驱动机构(032)组成；其特征在于：所述太阳光方位传感器(009)由聚光透镜(006)、细调光信号接收器、粗调光信号接收器、相互固连的壳体(005)和底座(008)组成，其中细调光信号接收器的受光端面(XOY面)由四个方位的感光面(001-004)构成，粗调光信号接收器的受光端面由布置于壳体(005)周壁上四个方位的感光面(001’-004’)构成，聚光透镜(006)相对固定于壳体(005)顶端，其光轴与细调光信号接收器的中心轴线(Z)重合。

本发明自动跟踪太阳的光伏发电系统的工作原理为：当太阳光方位传感器中聚光透镜的光斑偏离细调光信号接收器的中心位置很大，且不在细调光信号接收器的受光端面内，即太阳能电池阵列偏离正对太阳的位置很大时，布置于壳体上四个方位的粗调光信号接收器的感光面起作用，此时对应太阳方位的感光面会产生相应的信号，经跟踪控制电路将信号比较、放大、处理后，控制机械传动机构向相应方向运转，直至太阳光方位传感器中透镜的光斑进入细调光信号接收器在底座端面内的感光面。此时，无论光斑从哪个方位进入，细调光信号接收器对应方位的感光面都会产生不同的信号，经跟踪控制电路将细调光信号比较、放大、处理后，控制机械传动机构向相应方向运转，直至光斑位置居中，即太阳光传感器和太阳能电池阵列达到正对太阳位置。

为了达到进一步的目的，本发明自动跟踪太阳的光伏发电系统还含有当风力超过预定值时、通过跟踪控制电路的控制使太阳能电池阵列回到水平位置的防风复位控制装置。在自动跟踪太阳的光伏发电系统的工作过程中，当风力小于设定值时，防风复位控制装置的信号经跟踪控制电路处理后，控制安装架上的太阳能电池阵列稳定地随机械传动机构运动，自动跟踪太阳。当风力超过设定值时，防风复位控制装置的信号通过电缆传送到跟踪控制电路，该控制电路驱动机械传动装置动作，直至固定在上面的太阳能电池阵列回到受风力影响最小的水平位置，并停止跟踪一定时间，以保护太阳能电池阵列和机械驱动机构不会在风力的影响下坏掉。

通过以上介绍可以看出，本发明的优点在于：

1.通过巧妙地设置粗、细调光信号接收器，实现对太阳光的无盲区、高精度探测；

2.在太阳光方位传感器中采用透镜聚焦，加大了对太阳光的接收角度和强度，提高了对太阳光方位的分辨能力；

3.采用可靠的防风复位控制装置，充分发挥了跟踪控制电路的控制功能，增强了系统的抗风能力，保证了系统的工作安全；

4.由于实现了可靠的高精度跟踪，使得太阳能电池始终对准太阳，提高了太阳能电池的发电能力，因此能够有效地提高光伏发电系统的性能价格比。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例一的系统结构示意图。

图2是图1实施例一的太阳光方位传感器结构示意图，其中图2(b)、图2(c)分别是图2(a)的B-B和A-A截面图。

图3是图1实施例一的细调光信号传感器部分结构示意图。

图4是图1实施例一的太阳光方位传感器的光信号接收器上的像斑位置示意图。

图5是图1实施例一的跟踪控制电路原理图。

图6是图1中太阳能电池阵列的局部结构放大图。

图7是本发明实施例二的系统结构示意图。

图8是图7实施例二的防风复位控制装置的放大结构示意图。

图9是本发明实施例三的系统结构示意图。

图10是图9实施例三的太阳光方位传感器结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本发明实施例一的系统结构如图1所示，该自动跟踪太阳的光伏发电系统由聚光透镜阵列100、太阳能电池阵列101及其安装架117、蓄电池102、充放电控制器103、用电器115、支架104、逆变器105、驱动太阳能电池阵列跟踪对准太阳的机械传动机构106、控制机械传动机构的跟踪控制电路107、向跟踪控制电路传送信号的太阳光方位传感器009、散热器109(参见图6)、防尘罩116以及防风复位控制装置110组成。太阳能电池阵列101和聚光透镜阵列100均固定于安装架117上。机械传动机构106由方位角(东西方向)驱动机构031和叠加其上的高度角(南北方向)驱动机构032组成，此两驱动机构分别由受控于跟踪控制电路107的电机驱动。详细的机械传动机构结构以及跟踪控制电路的原理在申请人此前申请的专利99228399“全自动跟踪太阳的采光装置”等文件中已有描述，在此不再赘述。

首先需要说明的是，本实施例的太阳光方位传感器(009)具体结构如图2所示，其中的光信号接收器由粗调光信号接收器和细调光信号接收器组成，在立体空间按四个方位布置。.粗调光信号接收器的受光端面由感光面001’-004’组成，布置于壳体005的周壁上；细调光信号接收器的受光端面由感光面001-004组成，分布于太阳光方位传感器的底座008上。

光信号接收器可以由光纤(石英光纤、玻璃光纤、聚合物光纤等)或光敏元件(光伏电池、光敏二极管、光敏三极管等)组成。本实施例选用光纤来制作太阳光方位传感器，光纤的一端分别固定在感光面001-004、001’-004’上，另一端分别与跟踪控制电路中的对应光敏元件耦合。

细调光信号接收器部分的具体结构及作用原理如图3和图4所示，由聚光透镜006、壳体005、底座008以及分布在底座端面XOY面内的四方位感光面001-004组成。底座008与壳体005固连，聚光透镜006相对固定于壳体005顶端，其光轴Z与细调光信号接收器的中心轴线重合。聚光透镜对太阳光的收集作用加大了对太阳光的接收范围和强度，提高了对太阳光的分辨力。

如图4所示，当透镜006的像斑位于细调光信号接收器中心位置时，如图4(b)所示，表明太阳光传感器和太阳能电池阵列已经正对太阳；当像斑偏离中心位置时，如图4(a)、图4(c)所示，两个对应方向的感光面就会产生不同的信号，跟踪控制电路将信号比较、放大、处理后，控制机械传动机构向相应方向运转，直至像斑位置居中。

上述采用光纤制作的太阳光方位传感器，可以通过将粗调、细调光信号接收器相结合的方式实现精确跟踪太阳。一种方法是将接收同一方向太阳光的感光面的信号耦合到一个输出端(如感光面001与001’可耦合到一个输出端)，成为一个输出信号，经光敏元件转换成电信号后，传送到跟踪控制电路，控制机械传动机构向相应方向运转，跟踪并对准太阳。另一种方法是通过跟踪控制电路进行处理，当细调光信号接收器接收到光信号时，粗调光信号接收器不起作用，只有在细调光信号接收器接收不到光信号时，粗调光信号接收器才起作用。如图5所示，该电路由信号接收转换电路、放大处理电路、逻辑控制电路(LOGIC)和电机控制电路组成。粗调光信号接收器的感光面001’-004’和细调光信号接收器的感光面001-004分别耦合到一个对应的输出端，经信号接收转换电路、放大处理电路后成为数字信号S001’-S004’和S001-S004。其中S001-S002在控制流程中优先于S001’-S002’，S003-S004在控制流程中优先于S003’-S004’。例如，细调光信号接收器的感光面001和粗调光信号接收器的感光面001’均接收来自同一方向的光信号(不妨将方向设为东)，002和002’均接收来自对应方向的光信号(对应方向为西)，当001和002中的任意一个感光面对应的数字信号S001、S002为高电平时，或非门IC5均输出低电平，这样S001’就被与门IC6屏蔽，只有信号S001起作用；当001、002均为低电平时，或非门IC5输出高电平，S001’经与门IC6和或门IC8后形成一个输出信号，通过电机控制电路使机械传动机构向相应方向运转，跟踪并对准太阳。由于有了粗调光信号接收器，因此扩大了太阳光方位传感器探测范围。

其次，风是任何一种太阳能光伏发电系统必须考虑的影响因素之一，没有防风措施或防风机构设计不合理均有可能影响跟踪精度，甚至有可能破坏机械传动机构或太阳能电池阵列。事实上，许多跟踪太阳的光伏发电系统就是因为抗风能力差而难以达到实用化。本实施例采用由风力传感器111组成的防风复位控制装置110来解决这一问题。风力传感器111安装在底座上，其信号输出端接跟踪控制电路107的信号输入端。当风力达到一定的速度(如8级风)时，风力传感器111送出信号到跟踪控制电路107，系统停止跟踪，机械驱动机构106驱动安装架117转到水平位置，此时聚光透镜阵列和太阳能电池阵列受风力影响最小。当风力减小到一定程度(如8级以下时)，系统恢复正常跟踪。

最后值得一提的是，聚光透镜阵列100固定安装在太阳能电池阵列101的上方，这样可以提高对太阳能电池的辐射强度，能够产生更多的电能(此方案也可以直接用聚光太阳能电池模块取代)。但另一方面太阳光会聚后产生的热量会降低光电转换效率，甚至损坏太阳能电池，因此必须采取适当的散热措施。如图6所示，本实施例将太阳能电池101固连于散热性能极佳的散热器109上。为了进一步降低太阳能电池的温度，还可在太阳能电池101的上方安装红外吸热玻璃112或反热玻璃113。防尘罩116的作用是阻挡灰尘等杂物，以免影响太阳能电池的发电能力。

实施例二：

本实施例的基本结构及工作原理与实施例一雷同，其主要区别在于高度角驱动机构和防风复位控制装置。

如图7所示，安装架117通过轴承035与高度角驱动机构032相连，轴承035将安装架117分为面积和重量不同的两个部分118和119，其中118的面积和重量均大于119的面积和重量。高度角驱动机构032中包括出轴036、卷轮037、钢缆038和定滑轮039，所述卷轮037与出轴036固连，定滑轮039轴与高度角驱动032固连，钢缆038卷绕于卷轮037上，并通过防风复位控制装置110和定滑轮039与安装架117相连。

防风复位控制装置110的具体结构如图8所示，由框架020、弹簧021、微动开关023和025、拨片024和028、滑杆026、挡板027组成。所述框架020通过钢缆038与卷轮036相连；弹簧021的一端固定在框架020上，另一端通过滑杆026与绕过定滑轮039的钢缆038相连；拨片024和028与弹簧固连。当风力小于8级时，防风复位控制装置中的弹簧伸缩变形范围不大，只起传递动力的作用，即将卷轮上的动力传递到安装架上，带动太阳能电池阵列在高度角方向跟踪太阳。由于安装架的重心与轴承035的中心并不重合，这样就使得安装架始终有一个偏转的趋势，并通过钢缆对弹簧产生一定的拉力，此时两个微动开关处于常开状态。当风力大于8级时，若风力由A向吹动安装架逆时针旋转，弹簧所受拉力变大，产生拉伸，带动拨片024压住微动开关023，微动开关023通过电缆将信号传送到跟踪控制电路，由机械传动机构将框架117转到水平位置并停止跟踪10分钟，以保护太阳能电池阵列和机械驱动机构不会在风力的影响下坏掉；同理，若风力由B向吹动安装架顺时针旋转，则弹簧所受拉力变小，产生收缩，拨片028压住微动开关025，跟踪控制电路接收到微动开关025送来的信号后，控制机械传动机构将框架117转到水平位置并停止跟踪10分钟，以保护有关部件不会在风力的影响下坏掉。过10分钟后再检测风力是否已小于8级，若小于8级则恢复到正常跟踪状态，否则仍然保持在水平位置。在滑杆026的两端各有一片挡板027，使弹簧只能在两块挡板限定的行程范围内运动，以防止弹簧突然收缩产生的回弹力或过度拉伸对限位开关023、025造成损坏。

实施例三：

本实施例如图9所示，与实施例一的结构也基本相同，其不同之处有二点：

一是采用普通的太阳能电池组件，而不是采用聚光透镜和聚光型太阳能电池，如图9所示。另外还在太阳能电池阵列的表面覆盖了一层钢化防护玻璃114。

二是太阳光方位传感器的光信号接收器采用光敏元件，而不是光纤。如图10所示，细调光信号接收器和粗调光信号探测器均选用参数对称性能较好的光伏电池组成。

除以上实施例外，将上述几个实施例所述的太阳光方位传感器、防风复位控制装置、机械传动机构、太阳能电池阵列等不同的技术特征排列组合后产生的技术方案，仍属本专利申请要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种自动跟踪太阳的光伏发电系统，主要由太阳能电池阵列(101)及其安装架(117)、驱动太阳能电池阵列跟踪对准太阳的机械传动机构(106)、控制机械传动机构的跟踪控制电路(107)、向跟踪控制电路传送信号的太阳光方位传感器(009)组成，其中机械传动机构(106)由方位角驱动机构(031)和高度角驱动机构(032)组成；其特征在于：所述太阳光方位传感器(009)由聚光透镜(006)、细调光信号接收器、粗调光信号接收器、相互固连的壳体(005)和底座(008)组成，其中细调光信号接收器的受光端面由分布在底座端面内的四个方位的感光面(001-004)构成，粗调光信号接收器的受光端面由布置于壳体(005)周壁上四个方位的感光面(001’-004’)构成，聚光透镜(006)相对固定于壳体(005)顶端，其光轴与细调光信号接收器的中心轴线(Z)重合。

2.根据权利要求1的自动跟踪太阳的光伏发电系统，其特征在于：还含有当风力超过预定值时、通过跟踪控制电路(107)的控制使太阳能电池阵列(101)回到水平位置的防风复位控制装置(110)。

3.根据权利要求2所述的自动跟踪太阳的光伏发电系统，其特征在于：所述防风复位控制装置(110)由风力传感器(111)组成，所述风力传感器(111)的信号输出端接跟踪控制电路(107)的信号输入端。

4、根据权利要求2所述的自动跟踪太阳的光伏发电系统，其特征在于：安装架(117)通过轴承(035)与高度角驱动机构(032)相连，所述安装架(117)的重心与轴承(035)的中心分离，所述高度角驱动机构(032)还包括出轴(036)、卷轮(037)、钢缆(038)和定滑轮(039)，所述卷轮(037)与出轴(036)固连，定滑轮(039)轴与高度角驱动机构(032)固连，钢缆(038)卷绕于卷轮(037)上，并通过防风复位控制装置(110)和定滑轮(039)与安装架(117)相连，所述防风复位控制装置(110)由框架(020)、弹簧(021)、微动开关(023、025)、拨片(024、028)、滑杆(026)、挡板(027)组成，所述框架(020)通过钢缆(038)与卷轮(037)相连；所述弹簧(021)的一端固定在框架(020)上，另一端通过滑杆(026)与绕过定滑轮(039)的钢缆(038)相连；拨片(024、028)与弹簧(021)固连。

5.根据权利要求1或2所述的自动跟踪太阳的光伏发电系统，其特征在于：还含有聚光透镜阵列(100)，所述聚光透镜阵列(100)固定安装在太阳能电池阵列(101)的上方。

6.根据权利要求5所述的自动跟踪太阳的光伏发电系统，其特征在于：所述太阳能电池阵列(101)固连于散热器(109)上。

7.根据权利要求6所述的自动跟踪太阳的光伏发电系统，其特征在于：所述太阳能电池阵列(101)的上方装有红外吸热玻璃(112)或反热玻璃(113)。

8.根据权利要求1或2的自动跟踪太阳的光伏发电系统，其特征在于：所述太阳光方位传感器(009)中的光信号接收器由光纤或光敏元件组成。

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