CN116069069B

CN116069069B - 半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法

Info

Publication number: CN116069069B
Application number: CN202310200839.9A
Authority: CN
Inventors: 査正峰; 陈许; 何伟; 罗成龙; 江清阳; 魏继忠; 陈炯光; 马瑞; 杨卫忠
Original assignee: Weineng Smart Energy Co ltd
Current assignee: Weineng Smart Energy Co ltd
Priority date: 2023-03-06
Filing date: 2023-03-06
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2043-03-06
Also published as: CN116069069A

Abstract

本发明涉及光伏支架角度调节技术领域，具体是半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法，首先调整光伏板的位置状态，接着测算安装地的经纬度、当天的日期序号，安装地当天的日出日落时间，计算安装地当前时刻的太阳高度角和太阳方位角，进而调整光伏板的位置，本发明能够保持太阳光束长时间垂直照射早光伏板的光接收面上，提高太阳能的利用率。

Description

半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法

技术领域

本发明涉及光伏支架角度调节技术领域，具体是半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法。

背景技术

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转化为电能的一种技术。

作为可再生能源的重要组成部分，光伏发电由于其安全可靠、建设周期短以及资源分布不受地域限制等优点，具有十分广阔的应用前景。光伏发电利用光伏发电板接收光照，现有光伏发电板一般是根据所处地域光照情况将其固定安装在支架上的，安装后角度不可调节。但是由于地球自转的原因，一天中不同时刻太阳所处的位置是不同的，而要使得光伏发电板太阳能利用率最高应确保发电板始终与光照方向垂直。现有发电板由于其安装角度固定，因此不能始终最大程度地接收光照，其太阳能利用率亟待提高，因此亟待解决。

发明内容

为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法。本发明能够保持太阳光束长时间垂直照射早光伏板的光接收面上，提高太阳能的利用率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

半球面全向光伏支架的跟踪角度调节方法，包括以下操作步骤：

S1、将装置中光伏板调整至初始状态：即将光伏板的光接收面调整至与安装地地平面平行状态，并同时使装置处于正南朝向；

S2、使用经纬仪测算装置安装地的经纬度，并计算当天日期序号；

S3、计算安装地在当天的日出日落时间；

S4、测量安装地当前时刻与安装地在当天的日出日落时间的关系；

S5、若当前时刻位于安装地当天日出和日落时间之间，则计算安装地当前时刻的太阳高度角和太阳方位角；若当前时刻位于安装地当天日出和日落时间之外，则重复步骤S4，直至当前时刻位于安装地当天日出和日落时间之间；

S6、根据计算出的太阳高度角和太阳方位角，使用控制终端调整光接收面的俯仰角和转角，使光接收面与太阳光束彼此垂直。

作为本发明再进一步的方案：所述装置包括底座，所述底座上布置有绕铅垂轴转动的旋转座，所述旋转座上形成有斜面；安装有光伏板的楔形基座绕定轴旋转布置在斜面上，且楔形基座的楔形面与斜面彼此平行，所述定轴与所述楔形面彼此垂直，所述楔形面与光伏板形成的接收面彼此相交，且所述楔形基座布置在光伏板的中心位置处；所述铅垂轴和所述定轴彼此相交设置；所述底座上布置驱动旋转座转动的第二驱动组件，所述旋转座上布置有驱动楔形基座转动的第一驱动组件。

作为本发明再进一步的方案：所述第一驱动组件包括与定轴同轴设置的第一轴承，所述第一轴承的外圈固接在旋转座上，所述第一轴承的内圈固接在楔形面上；第一轴承的内圈上同轴固接有第一齿圈，第一齿圈上传动啮合有第一齿轮，且第一齿轮与第一齿圈彼此偏心布置；第一驱动电机固定安装在旋转座上，且第一驱动电机的输出轴与第一齿轮同轴固接；所述旋转座的斜面处凹设有第一驱动腔，所述第一驱动腔内固接有与斜面平行设置的斜板，所述第一轴承的外圈固接在斜板上；所述第一驱动电机通过第一固定杆固定安装在第一驱动腔的内部，且斜板上开设有供第一驱动电机输出轴穿行的通孔。

作为本发明再进一步的方案：所述第二驱动组件包括与铅垂轴同轴设置的第二轴承，所述第二轴承的外圈固接在底座上，所述第二轴承的内圈固接在旋转座的底部；第二轴承的内圈上同轴固接有第二齿圈，第二齿圈上传动啮合有第二齿轮，且第二齿轮与第二齿圈彼此偏心布置；第二驱动电机固定安装在底座上，且第二驱动电机的输出轴与第二齿轮同轴固接；所述底座包括支撑杆以及同轴固接在支撑杆顶部的套管，所述第二轴承的外圈固接在套管的顶部，第二驱动电机通过第二固定杆固定安装在套管的管腔内；所述旋转座的底部安装有水平板，所述第二轴承的内圈固接在水平板的下板面上。

作为本发明再进一步的方案：所述楔形基座上布置有光伏支架，所述光伏支架包括主梁和檀条，各主梁和各檀条彼此垂直设置以构成网状支撑面，网状支撑面上布置所述光伏板；所述楔形基座为直角梯形块，所述直角梯形块的斜面构成所述楔形面，所述光伏板形成的光接收面与所述直角梯形块的底面彼此平行；所述楔形面与水平面之间的夹角为30-60度。

作为本发明再进一步的方案：步骤S6具体如下：

S61、设定光伏板的光接收面与地平面的夹角为俯仰角Φ ₁，俯仰角Φ ₁由设定在光伏支架上的俯仰角度传感器测得具体数据；

S62、将计算所得到的太阳高度角输入控制终端，控制终端通过Φ ₁与太阳高度角的互余原则，计算出对应的Φ ₁；控制终端发出信号，控制第一驱动电机引导光伏板转动，直至俯仰角度传感器的俯仰角Φ ₁测量值与控制终端的俯仰角Φ ₁计算值相同，此时光伏板上的光接收面的俯仰角即调整完成；

S63、设定光伏板的光接收面的朝向与正北方向之间的顺时针夹角为转角Φ ₂，转角Φ ₂由设定在旋转座上的转角角度传感器测得具体数据；

S64、将计算所得到的太阳方位角输入控制终端，控制终端通过Φ ₂与太阳方位角的等同原则，计算出对应的Φ ₂；控制终端发出信号，控制第二驱动电机引导光伏板转动，直至转角角度传感器的转角角Φ ₂测量值与控制终端的转角Φ ₂计算值相同，此时光伏板上光接收面的转角即调整完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过计算太阳高度角和太阳方位角，在根据对应的换算原则，就可以通过控制终端准确的实施调整光接收面的俯仰角和转角，使光接收面与太阳光束彼此垂直，进而能够保持太阳光束长时间垂直照射早光伏板的光接收面上，提高太阳能的利用率。

2、在光伏支架的质量和光伏板的质量都分布均匀的情况下，两者的重心位于对应几何形状的中心处；并且楔形基座就布置在这个中心处，进而使得楔形基座受力均匀的同时，光伏支架和光伏板不会发生因重心偏移而在调节的过程中晃动，增大整个装置运行的稳定性。这样即使在风大的环境中转动光伏板，光伏板也会保持一个较为稳定的状态。

3、第一驱动组件和第二驱动组件的核心部件是轴承、齿圈和齿轮。采用轴承作为回转件，轴承的内圈和外圈彼此紧密配合，在转动的过程中不会产生径向和轴向的晃动，能够提高楔形基座和旋转座以及旋转座和底座之间配合的稳定性，避免在光伏板转动的过程中使旋转座或者楔形基座产生的振动与光伏板的振动形成共振现象，进而加大光伏板的振动，导致光伏板弯折损坏。

4、在齿轮与齿圈的配合过程中，两者之间不存在配合缓冲余量，传动比恒定且两者之间的配合误差极小，进而能够精准控制转动的角度，确保光伏板的转角和俯仰角准确无误。齿轮与齿圈在传动配合的过程中，由于恒定的传动比和极小的配合误差，使两者在转动的过程中配合稳定，产生的振动较小，提高整个装置运行的稳定性。

5、光伏支架形成的网状支撑面，能够在满足支撑强度的同时，又减轻整体质量，进而降低第一轴承和第二轴承的磨损，降低装置发生故障的概率。

6、本发明采用直角梯形块作为楔形基座，将直角梯形块的斜面用作楔形面，并将光伏板固定在直角梯形块的底面处，进而可以使光伏板与地平面保持平行，同时在转动的时候，也可以与地平面彼此垂直，扩大了光伏板的俯仰角变化范围，进而可以拓宽使用的地域范围。

附图说明

图1为本发明的操作步骤示意图。

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为本发明中整体结构的侧视结构示意图。

图4为本发明中光伏支架的拆分结构示意图。

图5为本发明中楔形基座的结构示意图。

图6为本发明旋转座和底座内部的结构示意图。

图7为本发明中第一驱动组件的拆分结构示意图。

图8为本发明中第二驱动组件的拆分结构示意图。

图中：

10、底座；11、支撑杆；12、套管；20、楔形基座；21、楔形面；22、光伏支架；221、主梁；222、檀条；23、光伏板；231、光接收面；30、旋转座；31、斜面；32、斜板；33、水平板；40、第一驱动组件；41、第一轴承；42、第一齿圈；43、第一齿轮；44、第一驱动电机；45、第一固定杆；50、第二驱动组件；51、第二轴承；52、第二齿圈；53、第二齿轮；54、第二驱动电机；55、第二固定杆。

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1～8，本发明的装置主要包括底座10、楔形基座20、旋转座30、第一驱动组件40和第二驱动组件50。

底座10包括固定在地面上的支撑杆11，支撑杆11的底部通过膨胀螺钉与地面进行固定连接。支撑杆11是一根沿竖直方向布置的圆柱状的杆体结构，其杆长需要根据实际的情况进行设定。

在支撑杆11的顶部同轴布置有套管12，套管12为中空的管状结构。在套管12的上下两端面处均同轴布置有向外翻折的折边以构成法兰结构。套管12底部的法兰结构可以通过焊接的方式与支撑杆11固接在一起；也可以在法兰上沿着圆周方向均匀的打上通孔，然后在支撑杆11的顶部对应位置处也打上对应的通孔，采用螺栓和螺母进行固定。

旋转座30整体是一个中空的套筒结构，套筒的内部构成第一驱动腔，并且套筒与套管12同轴布置。

在旋转座30的底部位于第一驱动腔内同轴布置有一个水平板33，并且水平板33与旋转座30之间焊接在一起。旋转座30和底座10之间通过一组第二驱动组件50进行传动配合。

第二驱动组件50包括与支撑杆11同轴安装的第二轴承51。第二轴承51的内圈与水平板33的底面彼此固接在一起。第二轴承51的外圈上沿着周向开设有通孔，接着采用螺栓螺母配合的方式将该外圈固接在套管12顶部的法兰处。在第二轴承51的内圈上同轴固接与一组第二齿圈52。可以采用焊接的方式，也可以采用热胀冷缩的方式将该内圈和第二齿圈52固接在一起。在套管12的管腔内部通过第二固定杆55固定安装有一个第二电机54，并且第二电机54的输出轴沿竖直方向布置。在第二电机54的输出轴上同轴布置有一个第二齿轮53，并且第二齿轮53与第二齿圈52啮合传动；另外第二齿轮53与第二齿圈52偏心布置，进而可以在第二电机54的驱动下，带动旋转座30转动，以调节光伏板23的转角。

在旋转座30的顶部斜切，以形成一个斜面31。在第一驱动腔内布置有与斜面31平行设置的斜板32，斜板32可采用焊接的方式固定在第一驱动腔内。

在旋转座30上还布置驱动光伏板23转动的第一驱动组件40。第一驱动组件40包括端面与旋转座30的斜面31彼此平行布置的第一轴承41。第一轴承41的外圈与斜板32固定在一起，采用的固定方式与第二轴承51外圈的固定方式相同。第一轴承41的内圈与楔形基座20的楔形面21彼此固接在一起，采用的固接方式与第一轴承41外圈的固定方式相同。此时在第一轴承41的作用下，楔形面21、斜面31和斜板32的板面彼此平行。第一轴承41的内圈同轴固接有第一齿圈42。在第一驱动腔的内部通过第一固定杆45固定安装有第一电机44，第一电机44的输出轴与第一轴承41的轴线彼此平行。在第一电机44的输出轴上同轴固接有第一齿轮43，第一齿轮43与第一齿圈42彼此啮合传动，进而使楔形基座20在第一电机44的驱动下绕第一轴承41的轴线转动，以调整光伏板23的俯仰角。第二轴承51和第一轴承41可以采用深沟球轴承，其他种类的轴承也可以，轴承能够承受轴向力和径向力即可。

楔形基座20可以采用直角梯形块结构，也可以采用直角三棱柱结构。各结构的斜面31构成对应的楔形面21。楔形面21的倾斜角度一般在30-60度之间，具体的角度可以根据实际的情况进行选择。在楔形基座20上还布置有光伏支架22，光伏支架22主要是由主梁221和檀条222构成。楔形基座20作为光伏支架22的中点，各个主梁221沿着横向和竖向依次布置，构成一个较大的支撑范围；然后将各个檀条222依次布置在主梁221形成的支撑结构上，进而可以构成一个网状支撑面，各个光伏板23依次布置在网状支撑面上，进而可以构成一个完成的光接收面231。由于光伏板23均为平板结构，因此形成的光接收面231其实就是光伏板23的板面。

在使用本装置时，需要先将光伏板23的调整为初始状态：光伏板23的光接收面231调整至与安装地地平面平行状态，并同时使装置处于正南朝向。这个步骤是在装置第一次使用的过程中出现的。如果装置已经使用了很多次了就不用调节至初始状态了。

当光伏板23调整好了之后，使用经纬仪测量安装地的地理维度γ。查看安装地当前时刻t。计算当天是当前年度的第多少天，从当前年度的1月1日起算。

从百度网上的数据查询安装地当天的日出日落时间，并判断安装地当前时刻t与安装地当天的日出日落时间的关系。若是t处于安装地当天的日出日落时间之间，这说明此时有阳光照射，可以调节光伏板23位置，以接收阳光；若是t处于安装地当天的日出日落时间之外，则说明目前还没有出太阳，不需要调整光伏板23，继续等待，直到出太阳。

确认好上述数据之后，使用现有技术中的相应计算公式计算安装地的太阳赤纬角δ和安装地当前时刻的太阳时角ω。

当太阳出来后，使用计算公式计算太阳高度角和太阳方位角。太阳高度角是指对地球上的某个地点太阳光入射方向和地平面的夹角。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与安装地经线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。太阳方位角以目标物正北方向为零，顺时针方向逐渐变大，其取值范围是0-360°。因此太阳方位角一般是以目标物的北方向为起始方向，以太阳光的入射方向为终止方向，按顺时针方向所测量的角度。

当太阳高度角和太阳方位角都计算完成后，接着设定光伏板23的光接收面231与地平面的夹角为俯仰角Φ ₁，俯仰角Φ ₁由设定在光伏支架22上的俯仰角度传感器测得具体数据，俯仰角度传感器可以实时测得光接收面231与地平面之间的俯仰角Φ ₁，并将数据传送到控制终端。

设定光伏板23的光接收面231的朝向与正北方向之间的顺时针夹角为转角Φ ₂，转角Φ ₂由设定在旋转座30上的转角角度传感器测得具体数据。转角角度传感器可以实时测得光接收面231的转角Φ ₂，并将数据传送到控制终端。

将计算所得到的太阳高度角输入控制终端，控制终端通过Φ ₁与太阳高度角的互余原则，计算出对应的Φ ₁；控制终端发出信号，控制第一驱动电机44引导光伏板23转动，直至俯仰角度传感器的俯仰角Φ ₁测量值与控制终端的俯仰角Φ ₁计算值相同，此时光伏板23上光接收面231的俯仰角即调整完成。

将计算所得到的太阳方位角输入控制终端，控制终端通过Φ ₂与太阳方位角的等同原则，计算出对应的Φ ₂；控制终端发出信号，控制第二驱动电机54引导光伏板23转动，直至转角角度传感器的转角角Φ ₂测量值与控制终端的转角Φ ₂计算值相同，此时光伏板23上光接收面231的转角即调整完成。

先计算第一驱动电机44的具体驱动情况，再计算第二驱动电机54的，因为调节俯仰角的同时也会产生相应的转角，但是在调节转角时不会对俯仰角产生影响。

控制终端与传感器配合使用，控制终端对传感器传送的实时信息进行处理，及时的调整驱动电机作出相应的动作，进而使光接收面231随着这太阳的运动而作出跟随动作，进而保持太阳光束长时间垂直照射早光伏板23的光接收面231上，提高太阳能的利用率。

具体实施例如下：

选定的安装地为：南京。地理维度γ：31.935782度，地理经度：118.646146度。

日期：2023年2月13日，2023年的第44天。

当前时刻t为：15:40。当天的日出日落时间为：6:50-17:49。

将上述数据带入对应的计算公式，计算结果如下：

南京此时的太阳时角ω=55度。南京此时的赤纬角δ=-10.7432度。

此时的太阳高度角H为：23.8度，则俯仰角Φ ₁为66.2度。

此时的太阳方位角A为：144.8度，则转角Φ ₂为144.8度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。关于算法的精准度以及对应参数的获得，均与天文台发布的数据进行对比过，并且参照对比的结果进行了验证和修定，这样最好任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

S3、计算安装地在当天的日出日落时间；

S6、根据计算出的太阳高度角和太阳方位角，使用控制终端调整光接收面的俯仰角和转角，使光接收面与太阳光束彼此垂直；

所述装置包括底座（10），所述底座（10）上布置有绕铅垂轴转动的旋转座（30），所述旋转座（30）上形成有斜面（31）；安装有光伏板（23）的楔形基座（20）绕定轴旋转布置在斜面（31）上，且楔形基座（20）的楔形面（21）与斜面（31）彼此平行，所述定轴与所述楔形面（21）彼此垂直，所述楔形面（21）与光伏板（23）形成的接收面（231）彼此相交，且所述楔形基座（20）布置在光伏板（23）的中心位置处；所述铅垂轴和所述定轴彼此相交设置；所述底座（10）上布置驱动旋转座（30）转动的第二驱动组件（50），所述旋转座（30）上布置有驱动楔形基座（20）转动的第一驱动组件（40）。

2.根据权利要求1所述的半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法，其特征在于，所述第一驱动组件（40）包括与定轴同轴设置的第一轴承（41），所述第一轴承（41）的外圈固接在旋转座（30）上，所述第一轴承（41）的内圈固接在楔形面（21）上；第一轴承（41）的内圈上同轴固接有第一齿圈（42），第一齿圈（42）上传动啮合有第一齿轮（43），且第一齿轮（43）与第一齿圈（42）彼此偏心布置；第一驱动电机（44）固定安装在旋转座（30）上，且第一驱动电机（44）的输出轴与第一齿轮（43）同轴固接；所述旋转座（30）的斜面（31）处凹设有第一驱动腔，所述第一驱动腔内固接有与斜面（31）平行设置的斜板（32），所述第一轴承（41）的外圈固接在斜板（32）上；所述第一驱动电机（44）通过第一固定杆（45）固定安装在第一驱动腔的内部，且斜板（32）上开设有供第一驱动电机（44）输出轴穿行的通孔。

3.根据权利要求2所述的半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法，其特征在于，所述第二驱动组件（50）包括与铅垂轴同轴设置的第二轴承（51），所述第二轴承（51）的外圈固接在底座（10）上，所述第二轴承（51）的内圈固接在旋转座（30）的底部；第二轴承（51）的内圈上同轴固接有第二齿圈（52），第二齿圈（52）上传动啮合有第二齿轮（53），且第二齿轮（53）与第二齿圈（52）彼此偏心布置；第二驱动电机（54）固定安装在底座（10）上，且第二驱动电机（54）的输出轴与第二齿轮（53）同轴固接；所述底座（10）包括支撑杆（11）以及同轴固接在支撑杆（11）顶部的套管（12），所述第二轴承（51）的外圈固接在套管（12）的顶部，第二驱动电机（54）通过第二固定杆（55）固定安装在套管（12）的管腔内；所述旋转座（30）的底部安装有水平板（33），所述第二轴承（51）的内圈固接在水平板（33）的下板面上。

4.根据权利要求3所述的半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法，其特征在于，所述楔形基座（20）上布置有光伏支架（22），所述光伏支架（22）包括主梁（221）和檀条（222），各主梁（221）和各檀条（222）彼此垂直设置以构成网状支撑面，网状支撑面上布置所述光伏板（23）；所述楔形基座（20）为直角梯形块，所述直角梯形块的斜面（31）构成所述楔形面（21），所述光伏板（23）形成的光接收面（231）与所述直角梯形块的底面彼此平行；所述楔形面（21）与水平面之间的夹角为30-60度。

5.根据权利要求4所述的半球面全向光伏跟踪支架的角度调节方法，其特征在于，步骤S6具体如下：

S61、设定光伏板（23）的光接收面（231）与地平面的夹角为俯仰角Φ ₁，俯仰角Φ ₁由设定在光伏支架（22）上的俯仰角度传感器测得具体数据；

S62、将计算所得到的太阳高度角输入控制终端，控制终端通过Φ ₁与太阳高度角的互余原则，计算出对应的Φ ₁；控制终端发出信号，控制第一驱动电机（44）引导光伏板（23）转动，直至俯仰角度传感器的俯仰角Φ ₁测量值与控制终端的俯仰角Φ ₁计算值相同，此时光伏板（23）上的光接收面（231）的俯仰角即调整完成；

S63、设定光伏板（23）的光接收面（231）的朝向与正北方向之间的顺时针夹角为转角Φ ₂，转角Φ ₂由设定在旋转座（30）上的转角角度传感器测得具体数据；

S64、将计算所得到的太阳方位角输入控制终端，控制终端通过Φ ₂与太阳方位角的等同原则，计算出对应的Φ ₂；控制终端发出信号，控制第二驱动电机（54）引导光伏板（23）转动，直至转角角度传感器的转角角Φ ₂测量值与控制终端的转角Φ ₂计算值相同，此时光伏板（23）上光接收面（231）的转角即调整完成。