CN202160132U - 自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，属聚光光伏CPV领域，主要解决目前聚光光伏在精度、冷却与抗侯方面的瓶颈，使发电成本更低；本实用新型由五个系统组成：A、聚光发电采用固定聚光镜，步进电机带动太阳能电池片跟踪太阳光汇聚焦点的方式；B、控制跟踪采用授时系统校正后的电脑时间，再根据一定时间间隔手动测定的两个阳光汇聚焦点原始位置、模组参数、方向、位置运算出将来另一时刻阳光汇聚焦点的位置，在该时刻到来时发送指令给步进电机带动太阳能电池片运动到该位置；C、冷却产热采用循环的液态导热介质直接浸泡太阳能电池片方式进行冷却与产热；D、充放逆变先存储运行电量并将多余电量送往电网；E、自动清洁采用自动喷淋与雨刮方式。

Description

自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统

技术领域

本发明涉及一种聚光光伏发电系统，属聚光太阳能应用，聚光光伏领域，也就是Concentrating photovoltaics 或CPV 领域。

背景技术

聚光光伏是指将汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能的技术，CPV是聚光太阳能发电技术中最典型的代表。

晶硅电池和薄膜电池进行光电转换，分别是第一、第二代太阳能利用技术，两项均已得到了广泛应用，利用光学元件将太阳光汇聚后再进行利用的聚光太阳能发电技术，被认为是太阳能发电未来发展趋势的第三代技术。

聚光光伏以其极高的规模化潜力与巨大成本下降空间被认为是第三代光伏技术正迎来其爆发式增长期，但目前该技术面临的最大技术挑战是精度、冷却与成本。

聚光光伏系统须配有追日系统使汇聚的阳光始终照射在太阳能电池片上，聚光倍率越高，要求跟踪精度越高，跟踪误差也要越小，但是聚光光伏系统不仅要精确跟踪汇聚的太阳光，还要面对风、雨、云天气和自然环境的考验，并且随跟踪精度的提高成本上升很快，阻碍了聚光光伏的发展势头。

另一方面由于高倍聚光导致太阳能电池片局部温度较高，局部高温不仅会使太阳能电池片转换效率下降，还会降低太阳能电池片的使用寿命，也阻碍了聚光光伏的发展势头。

目前，太阳能控制跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式，一种是光电跟踪方式，另一种是根据视日运动轨迹跟踪，前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。

与本发明最相近的已知跟踪系统是《太阳追踪装置及其太阳能发电系统》申请号/专利号为200810095963.9的发明专利，但与本发明的具体内容是不同的，表现在：

1、200810095963.9发明专利的追踪方式是一种光电追踪方式，“太阳图像撷取单元为光电藕合元件或互补金属氧化物半导体，通过计算两太阳图像圆心差异数据预先致动该动力装置”，是一种闭环系统，计算太阳图像差异的一个用途是在受云层影响时能通过计算来继续跟踪；而本发明是一种视日运动轨迹跟踪，是一种开环的程控系统，电脑根据已校对好的标准日期时间、地理位置、模组参数、安装方向角度预先运算出某时刻聚光镜汇聚后阳光焦点的位置，在该时刻到来时指令控制电机将太阳能电池片运动到该位置。

2、200810095963.9的发明专利的追踪方式是“存储单元存储有一个太阳图像为第一太阳图像或预设太阳图像，间隔1秒后实测一个太阳图像为第二图像或实际太阳图像，通过比较两图像圆心相对位置差别进行跟踪”；而本发明的两个太阳焦点位置均为实测位置，通过两实测位置计算将来时刻位置。

3、200810095963.9的发明专利的追踪方式是“存储单元，存储有第一太阳图像，图像撷取单元，于特定时间间隔撷取太阳的第二太阳图像，其中该特定时间间隔为1秒”；而本发明为了减少视日运动轨迹误差要求间隔时间越长越好，东西向实测时间间隔要以小时为单位，南北向实测时间间隔要以天为单位，用分和秒以下的时间间隔用来计算视日运动轨迹所产生的误差将大到没有意义，时间间隔的不同也是因为200810095963.9的发明专利是光电追踪方式，而本发明是视日运动轨迹跟踪，跟踪方式不相同。

4、200810095963.9的发明专利的追踪方式是“调整太阳能面板朝向太阳以收集太阳能量”；而本发明收集太阳能量的方式是移动太阳能电池片跟踪阳光汇聚的焦点，并不要求太阳能电池片始终朝向太阳，而实际应用时除个别时刻外，本发明的太阳能电池片均没有垂直朝向太阳，这是因为两者跟踪目标不同。

5、200810095963.9的发明专利实际撷取的是第二太阳图像；而本发明实测的是两个阳光汇聚焦点位置，两者实测的对象不同。

6、200810095963.9的发明专利没有公开两太阳图像圆心差异数据具体怎样预先致动其动力装置；而本发明公开了根据两个实测的太阳光汇聚的焦点位置及日期时间计算下一个焦点位置的方法与具体算法。

与视日运动轨迹跟踪方式比较，光电跟踪方式的主要问题是会受云干扰，被云干扰后再次寻找跟踪需要消耗较大的能量与成本，而视日运动轨迹跟踪的成本在视日运动轨迹运算；本发明通过实测两太阳光汇聚的焦点位置计算下一焦点位置与电脑网络控制来降低整个控制跟踪系统的运算成本。

与已知太阳能跟踪系统技术的不同在于，已知太阳能跟踪系统是保持太阳能电池片随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池片，而本发明并不要求太阳能电池片随时正对太阳、太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池片，实际上除个别时刻外本发明的太阳能电池片均没有与太阳光的光线垂直。

与已知视日运动轨迹太阳能跟踪系统不同在于已知视日运动轨迹太阳能跟踪系统都是通过计算太阳的仰角与方位控制太阳能电池片的仰角跟踪与方位跟踪，而本发明运算太阳轨道求的是聚光镜汇聚阳光焦点的位置，并推动太阳能电池片跟踪该位置。

如与本发明最相近的已知视日运动轨迹太阳能跟踪系统《按时间控制全自动跟踪太阳的方法及装置》申请号/专利号为200510043491.9的发明专利，与本发明的不同表现在以下几方面：

1、200510043491.9的发明专利“通过时间计算真太阳时、赤纬角，然后驱动器控制槽形抛物面聚光器进行仰角跟踪和方位跟踪，用以跟踪太阳的仰角与方位”；而本发明计算的是聚光镜汇聚阳光焦点位置，跟踪的是聚光镜汇聚的阳光焦点，两者跟踪目标不同。

2、200510043491.9发明专利的“方位跟踪驱动器设置在底座上，仰角跟踪驱动器固定在方位跟踪驱动器的输出轴上，槽形抛物面聚光太阳能接收器固定在仰角跟踪驱动器输出轴上，整个槽形抛物面聚光太阳能接收器俯仰旋转跟踪太阳的仰角与方位”；而本发明是聚光镜固定，移动太阳能电池片跟踪聚光镜汇聚阳光焦点，这使本发明跟踪负荷、跟踪功率与受环境影响都变小，成本也下降了。

3、200510043491.9的发明专利是“以单片机构成的万年历进行太阳方位与赤纬角计算与跟踪”；而本发明先以授时系统的标准时间对计算用时间进行校准，时间精度提高到分与秒，这使本发明的聚光倍数可以进一步提高，再次降低成本。

4、200510043491.9的发明专利没有公开通过万年历计算太阳方位与赤纬角及由此得出的聚光器仰角跟踪和方位跟踪计算方法与公式。

发明内容

为克服已知太阳能聚光光伏精度等方面的不足，本发明的目的是提供了一种自动跟踪太阳光焦点的太阳能聚光光伏发电系统。

本发明的目的是这样实现的，所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，包括聚光发电系统和控制跟踪系统；所述聚光发电系统包括聚光模组、模组框架、控制电机、传动机构和太阳能电池片，聚光模组包括聚光镜，所述控制跟踪系统包括授时系统、电脑、电脑网络、控制电机控制器和控制电机驱动器，其特点为装有聚光镜的聚光模组相对地面固定不动，模组框架镶嵌多个聚光镜，控制跟踪系统接受指令触使控制电机通过传动机构带动与之连接的太阳能电池跟踪聚光镜汇聚的太阳光焦点，达到每个聚光镜汇聚阳光的焦点能处于一个太阳能电池片上。

也即是说，在聚光发电结构方面，本发明采用固定聚光镜移动太阳能电池片跟踪聚光镜汇聚阳光焦点方式，来降低跟踪负荷与跟踪功率，提高了抗风能力与气候耐受性，节约了成本。

本发明的特征在于装有聚光镜的聚光模组相对地面固定不动，控制跟踪系统指令控制电机通过传动机构带动太阳能电池跟踪聚光镜汇聚的太阳光焦点。

所述的聚光镜是指能将阳光汇聚在一起的镜面，可以是菲涅尔透镜、凸透镜、反射式聚光镜或槽式聚光镜中的一种。

所述的聚光模组是由多个聚光镜排列成阵列并固定在模组框架中；调整各聚光镜的焦点，使各聚光镜焦点均位于同一焦平面上；每个聚光镜焦点对应一太阳能电池片；传动机构可带动模组内所有太阳能电池片跟踪聚光镜汇聚的太阳光焦点。

所述太阳能电池指能将太阳辐射直接转换成电能的器件，可以是砷化镓太阳能电池、单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池中的一种或两种的组合。

所述的控制电机为转子转速受输入信号控制，根据信号进行反应的电机，可以是步进电机、直线电机、减速电机、交直流电机的一种或两种的组合。

所述的传动机构能带动太阳能电池板运动的机械装置。所述的传动机构包括东西向滑轨，西北滑块，南北向螺杆，西滑块，东西向螺杆，西南滑块，散热板，东南滑块，南北向滑轨，模组西侧板和模组东侧板，控制电机包括东西向控制电机和南北向控制电机，模组框架采用模组方盒，模组方盒的模组上面板上镶嵌多个聚光镜；每个聚光镜汇聚阳光的焦点能对应在一个太阳能电池片上；在模组方盒内的各太阳能电池片固定在同一散热板上；散热板固定在东滑块与西滑块上；南北向螺杆中段螺接于西滑块中，南北向螺杆顺时针或逆时针旋转将使西滑块在南北向螺杆上向南或向北平移，由于南北向滑轨中段置于东滑块中，西滑块移动带动散热板及其上的太阳能电池片向南或向北平移从而使东滑块沿南北向滑轨向南或向北自由滑动；南北向螺杆北端置于西北滑块中，并只能在西北滑块中自由旋转；南北向螺杆南端置于西南滑块中，并可在滑块中自由旋转；南北向螺杆南端还与南北向控制电机的轴轴接，可与南北向控制电机的轴一并旋转；南北向控制电机固定在西南滑块上；当南北向控制电机顺时针或逆时针旋转时，与之轴接的南北向螺杆一并旋转，带动与南北向螺杆螺接的西滑块向南或向北平移，固定在西滑块上的散热板及固定在散热板上面的太阳能电池片就向南或向北平移；东西向螺杆的西端与东西向控制电机的轴轴接，可与东西向控制电机轴一并旋转；东西向控制电机固定在模组西侧板上；东西向螺杆的东端置于模组东侧板设有的东西向螺杆孔中，并只能在模组东侧板的东西向螺杆孔中自由旋转；东西向螺杆中段偏西部分置于西南滑块中，西南滑块可沿东西向螺杆向东或向西自由滑动或移动；东西向螺杆中段偏东部分螺接在东南滑块中，当东西向螺杆旋转时，可带动螺接在上面的东南滑块向东或向西平移；东西向滑轨的西端固定在模组西侧板上；东西向滑轨的东端固定在模组东侧板上；东西向滑轨中段偏西部分置于西北滑块中，西北滑块可沿东西向滑轨上向东或向西自由滑动；东西向滑轨中段偏东部分置于东北滑块中，东北滑块可沿东西向滑轨上向东或向西自由滑动；东西向控制电机的轴顺时针或逆时针旋转，可使与之轴连的东西向螺杆一并旋转，带动与东西向螺杆螺接的东南滑块沿东西向螺杆向东或向西平移，同时带动东南滑块上的南北向滑轨、南北向滑轨上的东滑块以及散热板向东或向西方向平移，固定在散热板上的太阳能电池片也一并向东或向西方向平移。

在控制跟踪方式方面，本发明采用视日运动轨迹太阳能跟踪方式来克服云层对跟踪的干扰；实测两太阳光焦点推算将来时刻焦点的方法来减轻运算太阳光焦点运动轨迹的复杂性程度；采用授时系统校准后的标准时间进行计算来提高整个跟踪系统的跟踪精度的控制跟踪系统。

本发明所述的控制跟踪系统的电脑接受授时系统的标准时间校准电脑时间，再根据一定时间间隔手动测定的两个阳光汇聚焦点原始位置、日期、透镜与模组参数、安装方向角度、地理位置而运算出将来下一时刻阳光汇聚焦点的位置，并在该时刻到来时所述的控制跟踪系统能发送运行指令，通过电脑网络传送给控制电机控制器和控制电机驱动器到达控制电机，指令控制电机带动与之连接的太阳能电池片运动到太阳光焦点下一时刻所在的位置。

所述的控制电机控制器还可以是一种带存储运算单元的控制器，能将电脑发送过来的一系列运动指令存储在控制器内，根据时间发送控制电机运行信号，当电脑网络中断后仍可独立运行的控制器。

所述的授时系统为原子钟产生和保持的标准时间，通过各种手段和媒介将时间信号送达用户，这些手段可以是短波、长波、电话网、互联网、卫星、激光、红外线、无线电其中的一种或多种组合。

所述的电脑为利用电子学原理，根据一系列指令来对数据进行处理的机器，可以是计算机、单片机其中的一种或两种混合。

本发明的特征在于一台电脑通过网络可同时进行多个模组视日运动轨迹计算，同时指令多个分布在不同地点的控制电机运行。

在冷却产热方面，采用直接浸泡太阳能电池片的技术来解决局部高温与冷却问题，同时生产太阳热能。

本发明的特征在于太阳能电池直接浸泡于导热介质中，导热介质在散热板、透明盖板、密封件、管接头、耐热管、散热泵、散热器形成的密闭空间内循环，将太阳能电池产生的热能不断运送给储热器里的储热介质的冷却产热系统，所述的冷却产热系统包括另一耐热软管，透明盖板，密封件，导热介质，管接头，耐热软管，散热泵，散热器，储热器和储热介质，太阳能电池片固定在散热板上；太阳能电池片上方覆盖着透明盖板；散热板与透明盖板的边缘用密封件密封形成一中空的腔体，所有的太阳能电池片均位于该腔体内；腔体内充满导热介质，太阳能电池片直接浸泡在导热介质内；腔体通过管接头与耐热软管、散热泵以及散热器相连，并由散热器的另一头通过另一耐热软管连回腔体另一管接头形成回路；腔体、耐热软管与散热泵和散热器形成一整个的密闭空间，里面充满导热介质；散热泵带动导热介质在整个密闭空间内循环流动，将太阳能电池片产生的热能带到散热器，传给储热器内的储热介质。

所述的太阳能光伏冷却产热系统，其特征在于所述的导热介质为液态透明不导电的导热介质，可以是纯水、导热油、熔盐、散热液中的一种或多种混合体。

在清洁方面，采用自动雨刮喷淋系统来降低太阳能发电聚光镜清洁工作的劳动强度。

本发明的特征在于由雨刮器、喷淋头、雨刮泵、自动开关组成的自动清洁系统，自动清洁系统由雨刮器、喷淋头、雨刮泵、自动开关组成；雨刮器与喷淋头安装在模组面板上；喷淋头的水管与雨刮泵相连；可充电电池通过导线与自动开关相连，自动开关通过导线与雨刮器及雨刮泵相连。自动开关定时开启，启动雨刮泵将清洁水通过喷淋头喷向太阳能集热面板，同时刮器运行将灰尘刮走。

本发明所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，当控制电机采用步进电机，模组内南北向螺杆指向南北极，仰角等于模组地理纬度时，步进电机运行轨迹按下式计算：

下一时刻时使太阳能电池片运动到聚光镜汇聚的焦点东西向步进电机应该到达的步距角值：

其中，

表示当地地方时正午12时汇聚光斑落在太阳能电池片上东西向步进电机步距角值；

表示当地地方时13时汇聚光斑落在太阳能电池片上东西向步进电机步距角值；T表示当前时刻；

表示T时刻汇聚光斑落在太阳能电池片上东西向步进电机步距角值；

同时南北向步进电机应到达的步距角值：

；

其中：

；

公式中：

为T时刻步进电机应处的步距角值；

为太阳赤纬角； 

为春分点步距角值； 

为夏至点步距角值；n为一年中的天数，如春分n=81，夏至n=172.25天，秋分n=263.5天，冬至n=354.75天。

本发明所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，当控制电机采用步进电机，以春分日当地地方时正午12时汇聚光斑落在太阳能电池片上焦点位置为原点，下一时刻T阳光汇聚焦点距原点东西方向的垂直距离为：

公式中

为T时刻焦点位置与原点东西方向的垂直距离；

为透镜焦距，m为距当地地方时正午时的分钟数；

下一时刻T阳光汇聚焦点距原点南北方向的垂直距离为：

公式中：

为阳光焦点距原点南北方向垂直的距离；

为透镜焦距；n为一年中的天数；则步进电机在下一时刻T触使太阳能电池片需向南运行到距主焦点垂直距离

的位置上。

综上所述本发明的优点如下：本发明采用固定聚光镜跟踪焦点来提高跟踪精度及对抗风、雨、云天气和恶劣自然环境的能力，同时大大降低跟踪负载，降低了整个聚光光伏发电成本。

本发明应用由授时系统中获得的准确到毫秒的标准时间进行运算，可使跟踪精度提高到微米级；

采用电脑网络进行控制信号传输，可使一台电脑同时控制许多的聚光模组，进一步降低了聚光太阳能控制跟踪系统的成本。

本发明采用直接浸泡太阳能电池片的技术来解决局部高温与冷却问题，同时生产太阳热能。

采用自动雨刮喷淋系统来降低太阳能发电聚光镜清洁工作的劳动强度。

因而本发明通过一系列综合系统方案较好地解决了太阳能聚光光伏系统在精度、冷却与成本方面的不足。

附图说明

图1为本发明聚光发电系统结构示意图。

图2为本发明聚光发电系统结构仰视图，也就是图1的仰视图。

图3为本发明控制跟踪系统流程图。

图4为本发明冷却产热系统结构示意图。

图5为本发明冷却产热系统结构局部放大图，也就是图4的局部放大图。

图6为本发明充放逆变系统结构示意图。

图7为本发明自动清洁系统结构示意图。

图1中，1模组方盒，2模组上面板，3东西向滑轨，4西北滑块，5南北向螺杆，6西滑块，7东西向控制电机，8东西向螺杆，9西南滑块，10南北向控制电机，11聚光镜，12聚光镜汇聚阳光，13太阳能电池片，14散热板，15东南滑块，16南北向滑轨， 19模组西侧板，20模组东侧板。

图2为图1的仰视图，图2中，1模组方盒，2模组上面板，3东西向滑轨，4西北滑块，5南北向螺杆，6西滑块，7东西向控制电机，8东西向螺杆，9西南滑块，10南北向控制电机，11聚光镜，14散热板，15东南滑块，16南北向滑轨，17东滑块，18东北滑块，19模组西侧板，20模组东侧板。

图3中，201授时系统、202电脑、203电脑网络、204控制电机控制器、205控制电机驱动器、206控制电机。

图4中，13太阳能电池片，14散热板，301另一耐热软管，302透明盖板，303密封件，304导热介质，305管接头，306耐热软管，307散热泵，308散热器，309储热器，310储热介质，312图5放大区域。

图5为图4的局部放大图，图5中，13太阳能电池片，14散热板，302透明盖板，303密封件，304导热介质，305管接头，306耐热软管，311为另一侧密封件。

图6中，13太阳能电池片，14散热板，401导线，402充放电控制器，403可充电电池，404逆变器，405电网。

图7中，2模组面板，501雨刮器，502喷淋头，503雨刮泵，504自动开关，505导线，506可充电电池，507水管。

具体实施方式

本发明所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，由下列结构，A、聚光发电系统如图1与图2；B、控制跟踪系统如图3；C、冷却产热系统如图4与图5；D、充放逆变系统如图6；E、自动清洁系统如图7五个子系统组成。

A、本发明聚光发电系统结构示意图如附图1与图2所示，图2为图1的仰视图，聚光发电系统包括聚光模组、模组框架、传动机构和太阳能电池片，聚光模组包括聚光镜，也是本发明使用聚光镜——菲尼尔透镜与步进电机的聚光发电系统结构示意图。

聚光模组包括聚光镜，模组框架可采用模组方盒1，模组方盒1的模组上面板2镶嵌九个聚光镜11，聚光镜可采用菲尼尔透镜，对应九个太阳能电池片13，太阳能电池片可采用砷化镓太阳能电池片，一套传动控制机构同时控制九个太阳能电池片，可节约成本。

传动机构包括东西向滑轨，西北滑块，南北向螺杆，西滑块，东西向控制电机，东西向螺杆，西南滑块，南北向控制电机，散热板，东南滑块，南北向滑轨，模组西侧板和模组东侧板。

砷化镓太阳能电池片、散热板、所有滑轨、所有螺杆轨、所有步进电机均处于模组方盒中，使机械运动部分可免受环境灰尘影响。

在本发明中某一根螺杆和与之一根相平行的滑轨组成一个方向的运动轨道，东西向螺杆与东西向滑轨承载着南北向螺杆与南北向滑轨，散热板安装在构成十字形滑轨上的滑块上，使散热板可在滑块上进行东西与南北方向平移，东西向螺杆或南北向螺杆顺时针与逆时针旋转可控制滑块精确东西向或南北向移动。

步进电机是根据指令信号进行运动的，运动距离可控，与螺杆配合后可使运动精度可达到微米级。

所述的聚光镜为能将阳光汇聚在一起的镜面，也就是菲涅尔透镜、凸透镜、反射式聚光镜、槽式聚光镜或其中的一种。

所述的太阳能电池片为能将太阳辐射直接转换成电能的器件，采用砷化镓太阳能电池片、单晶硅太阳能电池片、多晶硅太阳能电池片或其中的一种。

根据光学原理：过焦点的与主轴垂直的平面叫焦平面；与主光轴成一定夹角的平行光束，将汇集于焦平面上的副焦点；太阳光为准平行光，太阳时角与高度角的变化将使不动的聚光镜汇聚的阳光焦点在焦平面上移动，所以在焦平面上移动太阳能电池片就能跟踪太阳光汇聚的焦点光斑，也就是控制电机带动太阳能电池片在焦平面上移动就能跟踪太阳光焦点。

模组方盒1为一中空方盒，模组方盒1的模组上面板2上镶嵌多个聚光镜11，可以1-100个，当然也可视需要而定，可以多于100个，本实例为9个；每个聚光镜汇聚阳光12的焦点能对应一个太阳能电池片13，即位于太阳能电池片13上；在模组方盒1内的各太阳能电池片13固定在同一散热板14上。

散热板14固定在东滑块17与西滑块6上。

南北向螺杆5中段螺接于西滑块6中，南北向螺杆5顺时针或逆时针旋转将使西滑块6在南北向螺杆5上向南或向北平移。

南北向滑轨16中段置于东滑块17中，东滑块17可沿南北向滑轨16向南或向北自由滑动。

南北向螺杆5北端置于西北滑块4中，并只能在西北滑块4中自由旋转。

南北向螺杆5南端置于西南滑块9中，并可在滑块中自由旋转。

南北向螺杆5南端还与南北向控制电机10的轴轴接，可与南北向控制电机10的轴一并旋转。

南北向控制电机10固定在西南滑块9上，南北向控制电机10转动带动南北向螺杆5转动。

当南北向控制电机10顺时针或逆时针旋转时，与之轴接的南北向螺杆5一并旋转，带动与南北向螺杆5螺接的西滑块6向南或向北平移，固定在西滑块6上的散热板14及固定在散热板14上面的太阳能电池片13就向南或向北平移。

东西向螺杆8的西端与东西向控制电机7的轴轴接，可与东西向控制电机7轴一并旋转。

东西向控制电机7固定在模组方盒1内的模组西侧板19上。

东西向螺杆8的东端置于模组方盒1内的模组东侧板20上设有的东西向螺杆孔中，并只能在模组东侧板20的东西向螺杆孔中自由旋转。

东西向螺杆8中段偏西部分置于西南滑块9中或螺接西南滑块9中，西南滑块9可沿东西向螺杆8向东或向西自由滑动。

东西向螺杆8中段偏东部分螺接在东南滑块15中，当东西向螺杆8旋转时，可带动螺接在上面的东南滑块15向东或向西平移。

东西向滑轨3的西端固定在模组西侧板19上。

东西向滑轨3的东端固定在模组东侧板20上。

东西向滑轨3中段偏西部分置于西北滑块4中，西北滑块4可沿东西向滑轨3向东或向西自由滑动。

东西向滑轨3中段偏东部分置于东北滑块18中，东北滑块18可沿东西向滑轨3向东或向西自由滑动。

东西向控制电机7的轴顺时针或逆时针旋转，可使与之轴连的东西向螺杆8一并旋转，带动与东西向螺杆8螺接的东南滑块15沿东西向螺杆8向东或向西平移，同时带动东南滑块15上的南北向滑轨16、和南北向滑轨16上的东滑块17、以及固定在东滑块17上的散热板14向东或向西方向平移，固定在散热板14上的太阳能电池片13也一并向东或向西方向平移。

本发明聚光发电系统的具体工作方式如下：

模组方盒1为一中空方盒，模组上面板2上镶嵌多个聚光镜11；每个聚光镜汇聚阳光12的焦点相对应的一个太阳能电池片13；在模组方盒1内的各太阳能电池片13固定在同一散热板14上；散热板14固定在东滑块17与西滑块6上；南北向螺杆5中段螺接于西滑块6中，南北向螺杆5顺时针或逆时针旋转将使西滑块6在南北向螺杆5上向南或向北平移，由于南北向滑轨16中段置于东滑块17中，西滑块6移动带动散热板14及其上的太阳能电池片13向南或向北平移从而使东滑块17沿南北向滑轨16向南或向北自由滑动；南北向螺杆5北端置于西北滑块4中，并只能在西北滑块4中自由旋转；南北向螺杆5南端置于西南滑块9中，并可在滑块中自由旋转；南北向螺杆5南端还与南北向控制电机10的轴轴接，可与南北向控制电机10的轴一并旋转；南北向控制电机10固定在西南滑块9上；当南北向控制电机10顺时针或逆时针旋转时，与之轴接的南北向螺杆5一并旋转，带动与南北向螺杆5螺接的西滑块6向南或向北平移，固定在西滑块6上的散热板14及固定在散热板14上面的太阳能电池片13就向南或向北平移；东西向螺杆8的西端与东西向控制电机7的轴轴接，可与东西向控制电机7轴一并旋转；东西向控制电机7固定在模组西侧板19上；东西向螺杆8的东端置于模组东侧板20设有的东西向螺杆孔中，并只能在模组东侧板20的东西向螺杆孔中自由旋转；东西向螺杆8中段偏西部分置于西南滑块9中，西南滑块9可沿东西向螺杆8向东或向西自由滑动或移动；东西向螺杆8中段偏东部分螺接在东南滑块15中，当东西向螺杆8旋转时，可带动螺接在上面的东南滑块15向东或向西平移；东西向滑轨3的西端固定在模组西侧板19上；东西向滑轨3的东端固定在模组东侧板20上；东西向滑轨3中段偏西部分置于西北滑块4中，西北滑块4可沿东西向滑轨3上向东或向西自由滑动；东西向滑轨3中段偏东部分置于东北滑块18中，东北滑块18可沿东西向滑轨3上向东或向西自由滑动；东西向控制电机7的轴顺时针或逆时针旋转，可使与之轴连的东西向螺杆8一并旋转，带动与东西向螺杆8螺接的东南滑块15沿东西向螺杆8向东或向西平移，同时带动东南滑块15上的南北向滑轨16、和南北向滑轨16上的东滑块17、以及散热板14向东或向西方向平移，固定在散热板14上的太阳能电池片13也一并向东或向西方向平移。

B、控制跟踪系统如图3所示：

图3中，201授时系统、202电脑、203电脑网络、204控制电机控制器、205控制电机驱动器、206控制电机。

电脑202通过授时系统201校准标准时间，再根据一定时间间隔手动测定的两个阳光汇聚焦点原始位置、日期、透镜与模组参数、安装方向角度、地理位置运算出将来另一时刻，阳光汇聚焦点的位置，在该时刻到来时发送指令通过电脑网络203传送给控制电机控制器204与控制电机驱动器205，使控制电机206运行，带动太阳能电池片运动到计算好的位置。

所述的控制电机控制器还可以是一种带存储运算单元的控制器，能将电脑发送过来的一系列运动指令存储在控制器内，根据时间发送控制电机运行信号，当电脑网络中断后仍可独立运行控制器。

所述的授时系统为原子钟产生和保持的标准时间，通过各种手段和媒介将时间信号送达用户，这些手段可以是短波、长波、电话网、互联网、卫星、激光、红外线、无线电其中的一种或多种组合。

所述的电脑为利用电子学原理根据一系列指令来对数据进行处理的机器，是计算机、单片机其中的一种或两种组合。

因太阳运动是可预测的，控制跟踪系统事先根据标准时间计算出聚光镜汇聚阳光焦点光斑位置，指令控制电机带动太阳能电池片跟踪太阳光焦点。

使用电脑网络进行传送控制指令的优势在于一台电脑通过网络可同时计算多个聚光镜汇聚阳光焦点光斑位置和控制众多分布在不同地点的控制器与控制电机。

本发明控制跟踪系统的具体工作方式如下：

本发明所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，其控制跟踪系统流程图如附图3所示。

图3中，201授时系统、202电脑、203电脑网络、204控制电机控制器、205控制电机驱动器、206控制电机。

以控制电机采用步进电机为例：

电脑202接受授时系统201的标准时间校准电脑时间，再根据之前一定时间间隔手动测定的两个阳光汇聚焦点原始位置、日期、时间、透镜与模组参数、安装方向角度、模组地理位置进行运算，得出将来另时刻太阳光汇聚焦点的位置，在该时刻到来时发送指令，通过电脑网络203传送给步进电机控制器204和步进电机驱动器205到达步进电机206，驱动步进电机206带动太阳能电池片运行到计算好的位置。

例如：先在水平面上立一垂直立杆，测量中午前后几个小时内的影长变化，当影子最短时即为当地地方时正午12时，此时立杆的影子指向为正南北向，标志该方向，并使南北向滑轨对正南与正北；也可利用地图或全球卫星定位设备查出当地地理位置经度与纬度值，计算当地地方时正午12时的世界时，在该世界时到达时垂直立杆影子指向就是当地的正南与正北方向；在当地地方时正午12时调整模组对正太阳，并使模组水平倾角等于模组所在地理位置的纬度，在北半球抬高模组北侧使模组向南倾斜，在南半球抬高模组南侧向北倾斜。

在当地地方时正午12时手动运行东西向与南北向两步进电机平移散热板使阳光汇聚的焦点光斑准确落在对应的砷化镓太阳能电池片上，九个菲涅尔透镜汇聚的阳光焦点光斑分别落在九个砷化镓太阳能电池片上，记下此时东西向步进电机的步距角作为东西向第一原始位置。

一小时后也就是当地地方时13时正太阳由东向西运动，菲涅尔透镜汇聚的阳光焦点也在焦平面上慢慢向东移动，手动运行东西与南北两步进电机平移散热板使阳光汇聚的焦点光斑再次准确落在对应的砷化镓太阳能电池片上，再次记下东西向步进电机的步距角作为东西向第二原始位置。

根据东西向步进电机当地地方时12时与当地地方时13时两个步距角值代入以下公式就可求出下一时刻时使太阳能电池片运动到聚光镜汇聚的焦点东西向步进电机应该到达的步距角值：

其中，

表示当地地方时正午12时汇聚光斑落在太阳能电池片上东西向步进电机步距角值；

表示当地地方时13时汇聚光斑落在太阳能电池片上东西向步进电机步距角值；T表示当前时刻；

表示T时刻汇聚光斑落在太阳能电池片上东西向步进电机步距角值。

在电脑中输入两原始位置步距角值，通过以上公式就可计算出下一时刻使菲尼尔透镜汇聚的太阳光焦点落在太阳能电池片上，步进电机应处的步距角，在该时刻到达时自动发出步进指令通过网络、步进电机控制器与步进电机驱动器给步进电机，使步进电机运动到上述步距角。

如：通过互联网卫星地图得知，模组的地理位置是东经118° 0'0.00"E，北纬24°30'0.00"N；由模组地理经度与经度120° 0'0.00"E差2°，也就是与东8区的北京时间差8分钟，得出模组地方时12时正的北京时间为12时08分。

在水平面立一垂直立杆，当北京时为12时08分时立杆影子指向正北，将模组南北向滑轨对正正北，台高模组北侧使模组与水平面的夹角等于纬度值24°30'。

在电脑步进电机驱动软件中，手动驱动东西向步进电机调整太阳能电池板位置，当北京时间12时08分时，使菲涅尔透镜汇聚阳光的焦点刚好落在太阳能电池上，记下此时电脑软件中步进电机的步距角为0。

一小时后也就是北京时间13时08分，再次在电脑步进电机驱动软件中，手动驱动东西向步进电机调整太阳能电池板位置，使菲涅尔透镜汇聚阳光的焦点刚好落在太阳能电池上，记下此时电脑软件中步进电机的步距角为2000。

通过以上公式可计算出每天使菲涅尔透镜汇聚太阳光焦点落在太阳能电池上，东西向步进电机应处的步距角是：

北京时间9时08分东西向步进电机步距角值等于-7464。

北京时间10时08分东西向步进电机步距角值等于-4309。

北京时间11时08分东西向步进电机步距角值等于-2000。

北京时间12时08分东西向步进电机步距角值等于0。

北京时间13时08分东西向步进电机步距角值等于2000。

北京时间14时08分东西向步进电机步距角值等于4309。

北京时间15时08分东西向步进电机步距角值等于7464。

电脑可在以上时刻到达时自动发出步进指令通过网络、步进电机控制器与步进电机驱动器给步进电机，使步进电机运动到上述步距角。

另一种方法是以菲涅尔透镜的焦距进行计算，例如以当地地方时正午12时汇聚光斑落在太阳能电池片上焦点位置为原点，任一时刻T阳光汇聚焦点距原点在东西方向的垂直距离：

公式中

为T时刻焦点位置与原点东西方向的垂直距离；

为透镜焦距，m为距当地地方时正午时的分钟数。

例如：12时08分太阳能电池片刚好处于菲尼尔透镜主焦点上，透镜的焦距为100毫米，则13时08分太阳能电池片需向东运行到距主焦点垂直距离为26.8毫米的位置上。

将电脑计算结果转换为步进电机控制指令，通过电脑网络传送到步进电机控制器，再转换为步进电机控制脉冲信号传给步进电机驱动器，步进电机驱动器驱动步进电机将太阳能电池片移动到该位置。

同理例如：北半球在春分日当地地方时正午12时手动运行东西与南北两步进电机平移散热板使阳光汇聚的焦点光斑准确落在对应的砷化镓太阳能电池片上，记下此时南北向步进电机的步距角作为南北向第一原始位置；太阳每天由南向北运动，菲涅尔透镜汇聚的阳光焦点也在焦平面上慢慢由北向南移动，到夏至日当地地方时正午12时，手动运行东西与南北两步进电机移动散热板使阳光汇聚的焦点光斑再次准确落在对应的砷化镓太阳能电池片上，再次记下南北向步进电机的步距角作为南北向第二位置，根据以下公式就可运算任一时刻T，使菲涅尔透镜汇聚的焦点落在太阳能电池片上南北向步进电机应处的步距角值：

；

其中

公式中：

为T时刻步进电机应处的步距角值；

为太阳赤纬角； 

为春分点步距角值； 

为夏至点步距角值；n为一年中的天数，如春分n=81，夏至n=172.25天，秋分n=263.5天，冬至n=354.75天。

如：通过电脑步进电机驱动软件，

手动测得春分时刻南北向步进电机步距角值为0。

手动测得夏至时刻南北向步进电机步距角值为3238。

由上式可计算出：

秋分时刻南北向步进电机步距角值为0。

冬至时刻南北向步进电机步距角值为-3238。

电脑可在以上时刻到达时自动发出步进指令通过网络、步进电机控制器与步进电机驱动器给步进电机，使步进电机运动到上述步距角。

另一种方法是用菲涅尔透镜的焦距进行计算，例如：以春分日当地地方时正午12时汇聚光斑落在太阳能电池片上焦点位置为原点，任一时刻T阳光汇聚焦点距原点南北方向的垂直距离为：

公式中：

为阳光焦点距原点南北方向的垂直距离；

为透镜焦距；n为一年中的天数，如春分n=81，夏至n=172.25天，秋分n=263.5天，冬至n=354.75天。

如：春分时刻太阳能电池片刚好处于菲尼尔透镜主焦点上，透镜的焦距为100毫米，则夏至时刻太阳能电池片需向南运行到距主焦点垂直距离为43.4毫米的位置上。

手动运行两个步进电机获得两个步进电机原始位置的步距角、再根据日期、时间、透镜规格、焦距、模组方向角度、地理位置数值，通过电脑就可计算出任一日期时间使菲涅尔透镜汇聚的太阳光焦点落在太阳能电池片上步进电机应处的步距角，电脑根据已校准的时间发送步距角指令给步进电机控制器，控制器将指令变为步进电机驱动器可识别的脉冲信号，驱动步进电机运行到该步距角。

同理不论固定的模组安装的角度与方向如何，手动运行两个步进电机获得两个步进电机原始位置的步距角、再根据日期、时间、透镜规格、焦距、模组方向角度、地理位置数值，通过电脑就可计算出任一日期时间使菲涅尔透镜汇聚的焦点落在太阳能电池片上步进电机应处的步距角；电脑根据已校准的时间发送步距角指令给步进电机控制器，控制器将指令变为步进电机驱动器可识别的脉冲信号，驱动步进电机运行到该步距角，太阳能电池片就能精确跟踪太阳光汇聚的焦点，因此当模组安装在建筑物表面成为建筑的一部分时仍可进行焦点跟踪与发电。

所述的步进电机控制器还可以是一种带存储运算单元的步进电机控制器，能将电脑发送过来的一系列运动指令存储在控制器内，根据时间发送步进电机运行信号，当电脑网络中断后仍可独立运行。

C、冷却产热系统如图4与图5所示：

图4中，13太阳能电池片，14散热板，301另一耐热软管，302透明盖板，303密封件，304导热介质，305管接头，306耐热软管，307散热泵，308散热器，309储热器，310储热介质，312图5放大区域。

图5为图4的局部放大图，图5中，13太阳能电池片，14散热板，302透明盖板，303密封件，304导热介质，305管接头，306耐热软管，311为另一侧密封件。

太阳能电池片13固定在散热板14上；太阳能电池片13上方覆盖着透明盖板302；散热板14与透明盖板302的边缘用密封件303密封形成一中空的腔体，所有的太阳能电池片13均位于该腔体内；腔体内充满导热介质304，太阳能电池片13直接浸泡在导热介质304内；腔体通过管接头305与耐热软管306与散热泵307和散热器308相连，并由散热器308的另一头通过另一耐热软管301连回腔体另一管接头形成回路；腔体、耐热软管与散热泵307和散热器308形成一整个的密闭空间，里面充满导热介质304；散热泵307带动导热介质在整个密闭空间内循环流动，将太阳能电池片13产生的热能带到散热器308，传给储热器309内的储热介质310。

所述的导热介质304为液态透明不导电介质，可以是纯水、导热油、熔盐、散热液中的一种或多种混合体。

用液态导热介质304直接浸泡太阳能电池片进行冷却的方法能较好地解决聚光镜汇聚阳光形成的局部高温，防止局部高温烧坏太阳能电池片，同时又能将太阳能电池片生产热能收集、转移、并存储起来。

D、充放逆变系统如图6所示：

图6中，13太阳能电池片，14散热板，401导线，402充放电控制器，403可充电电池，404逆变器，405电网。

九个太阳能电池片13共同固定在散热板14上，太阳能电池片13产生的电能经导线401串并后送至充放电控制器402对可充电电池403充电、可充电电池403提供电源给聚光发电系统A与控制跟踪系统B使用，并将多余的电能送到逆变器404，逆变后输送到电网405。

可充电电池403可保障聚光发电系统A与控制跟踪系统B用电的稳定可靠，充放电控制器402可保护可充电电池403长寿运行，逆变器404及时将多余电能逆变后送往电网405。

E、自动清洁系统如图7所示：

图7中，2模组面板，501雨刮器，502喷淋头，503雨刮泵，504自动开关，505导线，506可充电电池，507水管。

雨刮器501与喷淋头502安装在模组面板2上；喷淋头502的水管与雨刮泵503相连；可充电电池506通过导线505与自动开关504相连，自动开关504通过导线505与雨刮器501与雨刮泵503相连。

自动开关504，定期开启，接通雨刮泵503与雨刮器501电源，清洁水由喷淋头502喷向模组面板2，同时雨刮器501往复运动刮净模组面板与聚光镜上灰尘。

聚光镜上的灰尘将使太阳能发电量减少，而聚光镜长期使用在室外高尘环境中极易覆盖灰尘，及时清洗灰尘是聚光光伏发电必不可少的工作，本发明的自动清洁系统能自动清洗灰尘，减少清洗工作的劳动强度。

当本发明使用反射式聚光镜时，聚光镜位于太阳能电池片下面相对地面保持不动，电池片位于聚光镜上面，电机螺杆滑轨带动太阳能电池片跟踪反射式聚光镜汇聚的太阳光焦点，运行原理相同。

Claims (8)

1.一种自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，包括聚光发电系统和控制跟踪系统；所述聚光发电系统包括聚光模组、模组框架、控制电机、传动机构和太阳能电池片，聚光模组包括聚光镜，所述控制跟踪系统包括授时系统、电脑、电脑网络、控制电机控制器和控制电机驱动器，其特征在于装有聚光镜的聚光模组相对地面固定不动，模组框架镶嵌多个聚光镜，控制跟踪系统接受指令触使控制电机通过传动机构带动与之连接的太阳能电池跟踪聚光镜汇聚的太阳光焦点，达到每个聚光镜汇聚阳光的焦点能处于一个太阳能电池片（13）上。

2.根据权利要求1所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，其特征在于所述的聚光镜采用菲涅尔透镜、凸透镜、反射式聚光镜或槽式聚光镜。

3.根据权利要求1所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，其特征在于所述的聚光模组是由多个聚光镜排列成阵列并固定在模组框架中，所述的各聚光镜的焦点均位于同一焦平面上；每个聚光镜对应设置一太阳能电池片。

4.根据权利要求1所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，其特征在于所述太阳能电池采用砷化镓太阳能电池、单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池中的一种或两种的组合。

5.根据权利要求1所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，其特征在于所述的控制电机采用步进电机、直线电机、减速电机、交直流电机的一种或两种的组合。

6.根据权利要求1所述的太阳能聚光光伏发电系统，其特征在于所述的传动机构包括东西向滑轨，西北滑块，南北向螺杆，西滑块，东西向螺杆，西南滑块，散热板，东南滑块，南北向滑轨，模组西侧板和模组东侧板，控制电机包括东西向控制电机和南北向控制电机，模组框架采用模组方盒（1），模组方盒（1）的模组上面板（2）上镶嵌多个聚光镜（11）；每个聚光镜汇聚阳光（12）的焦点能对应在一个太阳能电池片（13）上；在模组方盒（1）内的各太阳能电池片（13）固定在同一散热板（14）上；散热板（14）固定在东滑块（17）与西滑块（6）上；南北向螺杆（5）中段螺接于西滑块（6）中，南北向滑轨（16）中段置于东滑块（17）中；南北向螺杆（5）北端置于西北滑块（4）中，并只能在西北滑块（4）中自由旋转；南北向螺杆（5）南端置于西南滑块（9）中，并能在滑块中自由旋转；南北向螺杆（5）南端与南北向控制电机（10）的轴轴接，与南北向控制电机（10）的轴一并旋转；南北向控制电机（10）固定在西南滑块（9）上；东西向螺杆（8）的西端与东西向控制电机（7）的轴轴接，能与东西向控制电机（7）轴一并旋转；东西向控制电机（7）固定在模组西侧板（19）上；东西向螺杆（8）的东端置于模组东侧板（20）设有的东西向螺杆孔中，并只能在模组东侧板（20）的东西向螺杆孔中自由旋转；东西向螺杆（8）中段偏西部分置于西南滑块（9）中，西南滑块（9）能沿东西向螺杆（8）向东或向西自由滑动或移动；东西向螺杆（8）中段偏东部分螺接在东南滑块（15）中；东西向滑轨（3）的西端固定在模组西侧板（19）上；东西向滑轨（3）的东端固定在模组东侧板（20）上；东西向滑轨（3）中段偏西部分置于西北滑块（4）中，西北滑块（4）能沿东西向滑轨（3）上向东或向西自由滑动；东西向滑轨（3）中段偏东部分置于东北滑块（18）中，东北滑块（18）能沿东西向滑轨（3）上向东或向西自由滑动。

7.根据权利要求6所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，其特征在于还包括冷却产热系统，冷却产热系统包括另一耐热软管，透明盖板，密封件，导热介质，管接头，耐热软管，散热泵，散热器，储热器和储热介质，太阳能电池片（13）固定在散热板（14）上；太阳能电池片（13）上方覆盖着透明盖板（302）；散热板（14）与透明盖板（302）的边缘用密封件（303）密封形成一中空的腔体，所有的太阳能电池片（13）均位于该腔体内；腔体内充满导热介质（304），太阳能电池片（13）直接浸泡在导热介质（304）内；腔体通过管接头（305）与耐热软管（306）、散热泵（307）以及散热器（308）相连，并由散热器（308）的另一头通过另一耐热软管（301）连回腔体另一管接头形成回路；腔体、耐热软管与散热泵（307）和散热器（308）形成一整个的密闭空间，里面充满导热介质（304）；散热泵（307）带动导热介质在整个密闭空间内循环流动，将太阳能电池片（13）产生的热能带到散热器（308），传给储热器（309）内的储热介质（310）。

8.根据权利要求7所述的自动跟踪焦点式太阳能聚光光伏发电系统，其特征在于还包括自动清洁系统，自动清洁系统由雨刮器、喷淋头、雨刮泵、自动开关组成；雨刮器（501）与喷淋头（502）安装在模组面板（2）上；喷淋头（502）的水管与雨刮泵（503）相连；可充电电池（506）通过导线（505）与自动开关（504）相连，自动开关（504）通过导线（505）与雨刮器（501）及雨刮泵（503）相连。

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