CN219780074U - 一种追光光伏发电单元及光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种追光光伏发电单元及光伏发电系统，包括支架、设置在支架上可旋转的光伏板、以及驱动光伏板旋转的驱动装置，驱动装置包括分别设置在支架两侧盛有水的水箱、分别放置在水箱内的漂浮物、以及分别旋转连接在光伏板两端的2个连杆，所述连杆另一端连接漂浮物，所述两个水箱之间设置有能相互抽送水的水泵装置，水泵装置能使2个水箱之间形成水位差，光伏板在东西方向上倾斜角的变化主要通过水箱内的水位差实现，水箱内的水位差通过水泵实现，在控制与调节中只用调节水泵的水流量即可完成倾斜角随时间变换的程度，较为简单实现无级调节，相比使用电路或电机控制，此设计结构较为简单，成本较低，较容易实施。

Description

一种追光光伏发电单元及光伏发电系统

技术领域

本实用新型涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种追光光伏发电单元及光伏发电系统。

背景技术

合理高效的利用太阳能不仅取决于地理位置，还需要在不同地理位置合理布置光伏装置。第一，由于地球公转影响，在回归线内的经度方向上，太阳光线与地面的角度以年为单位呈周期性变化，即在回归线内的同一经度地区，南北方向上，地表接收的太阳光功率以年为单位发生周期变化；第二，由于地球自转影响，在回归线内的纬度方向上，太阳光线与地面的角度以天为单位呈周期性变化，即在回归线内的同一纬度地区，东西方向上，地表接收的太阳光功率以天为单位发生周期变化。

根据以上原理，结合我国的地理位置状况，现多数光伏板在南北方向上基本采用固定最佳倾角式安装，最佳倾斜角度一般为所在地纬度值，这只能确保以年为周期在南北方向(经度方向)上接收相对较高的太阳光功率，而在东西方向(纬度方向)上则一般与地面水平，这导致一天内仅正午时刻太阳光直射光伏板，没有充分利用太阳光，同时容易导致午时负荷叠加过高，不得不减少发电以保障电网安全运行。

目前部分厂家开展了追光支架研发和应用，主要在东西方向上进行追光设计，即在一天内变化东西方向(纬度方向)上光伏板与地面的角度，以保证光伏板处于较高接收太阳光功率的状态，但由于其自动控制系统结构较为复杂，稳定性低，投入与维护的成本较高，投资后回报慢且伴随不稳定，所以很少得到大规模应用。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种可进行追光、且结构较简单可靠、成本较低的追光光伏发电单元及光伏发电系统。

本实用新型为解决其技术问题而采用的技术方案是：

一种追光光伏发电单元，包括支架、设置在支架上可旋转的光伏板、以及驱动光伏板旋转的驱动装置，所述驱动装置包括分别设置在支架两侧盛有水的水箱、分别放置在水箱内的漂浮物、以及分别旋转连接在光伏板两端的2个连杆，所述连杆另一端连接漂浮物，所述两个水箱之间设置有能相互抽送水的水泵装置，所述水泵装置能使2个水箱之间形成水位差，所述水箱包括第一水箱和第二水箱，所述水泵装置将第一个水箱中的水持续、匀速抽向第二水箱中的工作时间为x小时，6≤x≤12，光伏板的长度为L，光伏板与水平面形成的倾斜角为α，1个水箱的水平截面平均面积为S，水泵装置朝着第二个水箱抽水的流量为

所述光伏板的旋转轴位于光伏板长度方向的等分面。

所述水泵装置能控制第一水箱与第二水箱的水位使两者发生水位差，以带动连杆控制光伏板的旋转。

所述水泵装置包括能把第二水箱的水抽进第一水箱的第一水泵、以及能把第一水箱的水抽进第二水箱的第二水泵。

所述光伏板与水泵装置的工作过程如下：

S1：所述光伏板的旋转轴沿南北方向，所述第一水箱位于东侧，第二水箱位于西侧。

S2：日出前：启动第二水泵，将位于东侧的第一水箱水位降至设计最低值，位于西侧的第二水箱水位升至设计最高值，使光伏板调至设计初始位置，此时光伏板一侧向第一水箱倾斜，倾斜角为α。

S3：日出时或日出后：早晨的12-x/2时，启动第一水泵，将西侧的第二水箱按设计流量抽至东侧的第一水箱，第一水泵工作x小时，直至下午的12+x/2时，将西侧的第二水箱按设计流量逐渐降至最低水位，且光伏板调整到最终位置，此时光伏板另一侧向第二水箱倾斜，此时倾斜角为α。

S4：在晴天情况下，重复步骤S2、S3。

所述第一水泵与第二水泵分别连接有用以控制的水流流量和防止水流倒流的单向阀。

所述第一水箱与第二水箱之间连通有平衡管道，所述平衡管道上设置有电磁阀，电磁阀打开之后，能使平衡管道连通，使第一水箱与第二水箱的水位自动保持相等。

优选地，所述支架顶端安装有可旋转的轴承支架，所述轴承支架与支架通过旋转轴承连接，所述光伏板安装在轴承支架上。

一种光伏发电系统，包括若干个追光光伏发电单元，所有的追光光伏发电单元的光伏板呈阵列分布。

所述光伏板呈南北方向与东西方向上的阵列分布。

所述光伏板的旋转方向为东西方向，光伏板在南北方向上与水平面形成的角度为固定。

本实用新型的有益效果是：

本设计的光伏板在南北方向上的倾斜角以最佳倾斜角度为基准，主要在东西方向上进行追光设计。光伏板安装在轴承支架上，轴承支架在支架上的旋转方向为东西方向，通过水泵控制第一水箱与第二水箱内的水容量，以形成水位差，漂浮物在水箱内的高度不同，连杆分别在光伏板两端施加推力与拉力，光伏板随水位变化发生倾斜角的变化，使光伏板上表面时刻处于太阳光的直射状态下，实现追光。

光伏板在东西方向上倾斜角的变化主要通过水箱内的水位差实现，水箱内的水位差通过水泵实现，在控制与调节中只用调节水泵的水流量即可完成倾斜角随时间变换的程度，较为简单实现无级调节，相比使用电路或电机控制，此设计结构较为简单，成本较低，较容易实施。

为保证单元的安全可靠，第一水箱与第二水箱底部之间连通有平衡管道，管道上设置电磁阀，当风力较大超过设计值时，水泵装置停止工作，电磁阀打开，平衡管道为连通状态，即第一水箱与第二水箱为连通状态，两者的水位自动恢复为等高状态，光伏板处于水平位置，减少风力的影响，同时电磁自锁结构自动带电，防止光伏支架随意晃动。

附图说明

图1是追光光伏发电单元的结构示意图；

图2是追光光伏发电单元在正午时刻光伏板位置的结构示意图；

图3是追光光伏发电单元在早上某时刻光伏板位置的结构示意图；

图4是追光光伏发电单元在下午某时刻光伏板位置的结构示意图；

图5是光伏发电系统里光伏板的阵列分布示意图；

图6是常规固定最佳倾角式光伏板的布置示意图；

图7是固定布置与追光布置单日单板发电负荷曲线；

图8是某一确定面积固定布置与追光布置发电曲线。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部。

参照图1，本实用新型提出了一种追光光伏发电单元，包括支架2、设置在支架2上可旋转的光伏板10、以及驱动光伏板10旋转的驱动装置3，所述驱动装置3包括分别设置在支架2两侧盛有水的水箱31、分别放置在水箱31内的漂浮物32、以及分别旋转连接在光伏板10两端的2个连杆30，所述连杆30另一端连接漂浮物32，所述两个水箱31之间设置有能相互抽送水的水泵装置5，所述水泵装置5能使2个水箱31之间形成水位差，以带动连杆32控制光伏板10的旋转。

所述光伏板10的旋转轴位于光伏板10长度方向的等分面。

优选地，所述漂浮物32使用不锈钢球体，密度为ρ，其外径D、厚度δ的设计满足漂浮物32和连杆30的重力等于漂浮物32体积一半的水重力。因此，漂浮物32外径越大，厚度相应增加，其重量也就增加，直径可以设计为500mm。

进一步地，光伏板10的旋转长度为L，漂浮物32上下位移量为sinα×L，当α＝60°时，为漂浮物32最低位置时与水箱31底面距离为b，漂浮物32最低位置时连杆30顶端与水箱31顶面距离为f，漂浮物32最高位置时与水箱31顶部距离为e，连杆30长度为

参照图1，所述水箱31包括第一水箱310与第二水箱311，所述水箱31连接有水泵装置5，所述水泵装置5能控制第一水箱310与第二水箱311的水位以使两者发生水位差。

参照图1，所述水泵装置5包括能把第二水箱311的水抽进第一水箱310的第一水泵51、以及能把第一水箱310的水抽进第二水箱311的第二水泵52。

参照图1，所述第一水泵51与第二水泵52分别连接有用以控制的水流流量和防止水流倒流的单向阀50。

进一步地，光伏板10水平位置时，漂浮物32与水箱31内壁的距离为a，漂浮物32东西向位移为L/2，水箱31水平截面为正方形，因此，水箱31边长为A＝2×a+D+L/2，截面面积S＝(2×a+D+L/2)²，水箱31高度为第一水泵51单日工作x小时，抽水总量为/>则流量q＝Q/x，

优选地，所述支架2顶端安装有可旋转的轴承支架11，所述光伏板10安装在轴承支架11上，所述轴承支架11与支架2通过旋转轴承连接，连杆30一端与轴承支架11旋转连接。

优选地，用以安装光伏板10的轴承支架11旋转长度为L，轴承支架11越长，会导致连杆30长度相应增加，水箱31高度也相应增加，光伏板10的支架2也增高，使得投资相应增加；轴承支架11越小，漂浮物32上下位移越小，调节控制难度增加，所以需要根据场地情况选择轴承支架11长度，可设计在400至500mm范围。

一种追光光伏发电单元的可选主要参数设计见表1。

表1-追光光伏发电单元主要参数设计

参照图1，所述第一水箱310与第二水箱311之间连通有平衡管道，所述平衡管道上设置有电磁阀4，电磁阀4打开之后，能使平衡管道连通，使第一水箱310与第二水箱311的水位自动保持相等。

进一步地，当风力较大超过设计值时，水泵装置5停止工作，电磁阀4打开，平衡管道为连通状态，即第一水箱310与第二水箱311为连通状态，两者的水位自动恢复为等高状态，光伏板10处于水平位置，减少风力的影响，同时电磁自锁结构自动带电，防止光伏板随意晃动。

优选地，光伏板10与地面的夹角上午初始位置和下午最终位置设定为60°，角度大于60°会导致可用面积安装光伏板10数量减少，装机规模也就减少；角度小于60°时，光线直射光伏板10的时间缩短，降低了太阳能的利用。进一步地，所述光伏板10的最大倾斜角α也可根据实际情况控制在在45°—75°范围内。

参照图5，一种光伏发电系统，包括若干个追光光伏发电单元，所述若干个追光光伏发电单元的光伏板10呈阵列分布。

所述光伏板10呈南北方向与东西方向上的阵列分布，所述的光伏板10的旋转方向为东西方向，光伏板10在南北方向上与水平面形成的角度为固定。

优选地，南北方向的每个光伏板10之间的间距小于东西方向上每个光伏板10之间的间距。由于南北方向上光伏板10为固定设置，所以在南北方向上可设置的光伏板10可适当密集些，而东西方向上光伏板10需要旋转，且水箱31占用部分空间，所以东西方向上的每个光伏板10之间可适当宽松，也便于后期维护。

本设计的光伏板10在南北方向上的倾斜角以最佳倾斜角度为基准，主要在东西方向上进行追光设计。光伏板10安装在轴承支架11上，轴承支架11在支架2上的旋转方向为东西方向，通过水泵控制第一水箱310与第二水箱311内的水容量，以形成水位差，漂浮物32在水箱31内的高度不同，连杆30分别在光伏板10两端施加推力与拉力，光伏板10随水位变化发生倾斜角α的变化，使光伏板10上表面时刻处于太阳光的直射状态下，实现追光。

本追光光伏发电单元的一种可选工作过程如下：

参照图2，05：00-日出：启动第二水泵52，将位于东侧的第一水箱310水位降至设计最低值，西侧的第二水箱311水位升至设计最高值，使光伏板10调至设计早上初始位置，此时倾斜角α为60°，迎接日出；

参照图3和图4，08:00-17:00：启动第一水泵51，将西侧的第二水箱311按设计流量抽至东侧的第一水箱310，约10个小时，将西侧的第二水箱311按设计流量逐渐降至最低水位，17:00时光伏板10调整到下午最终位置，此时倾斜角α也为60°，

光伏板10在东西方向上倾斜角α的变化主要通过水箱31内的水位差实现，水箱31内的水位差通过水泵实现，在控制与调节中只用调节水泵的水流量即可完成倾斜角α随时间变换的程度，较为简单实现无级调节，相比使用电路或电机控制，此设计结构较为简单，成本较低，较容易实施。

进一步地，以回归线内某地夏至日为例，参照图7，当天最大日照功率假定为1300W/m2，日出时间为07:00时、日落时间为19:00时，在无云的天气条件下，固定布置光伏板单日发电曲线呈正弦状，日出07:00时发电功率为0W，中午13:00时发电功率为1300W，19:00发电功率为0W；而追光光伏板单日发电两头呈正弦状、中间呈直线稳定状，日出07:00时发电功率为1126W，09:00时达到稳定负荷1300W，持续到下午17:00时开始下降负荷，19:00时发电功率为1126W，固定布置单日平均负荷约为826W，而追光布置单日平均负荷约为1280W，发电效率提高了54.9％。

同样，以某一确定面积为例，参照图6，采用固定式布置可以布置8列17排的某一型号光伏板；参照图5，采用追光式布置可以布置5排17列的同型号光伏板，参照图8，追光式布置相对于固定式布置总装机容量减少了37.5％，而追光式布置相对于固定式布置单日发电量仅减少了3.18％，

综上，从运行负荷比较可知，追光式布置与固定式布置的单板发电量相比提高了54.9％，在一确定区域内，追光式布置相比固定式布置的总装机容量减少了37.5％，但其发电量确仅减少了3.18％，总投资仅为固定布置的65.6％。以1000m2的某小分布式光伏为例，作经济性比较，参照表2，固定式布置年利润0.0267万元、投资回收期为8.5年、财务内部收益率为13％，而追光式布置的年利润为0.6044万元、投资回收期为5.76年、财务内部收益率为392％。

表2-固定式布置与追光式布置经济性比较

通过以上设计与分析可知，本光伏发电系统在自动控制方面比较简易，投资成本低，维护简单，发电效率提高了54.9％，项目总投资大幅下降，经济性明显提高。同时，若大量项目采用追光式光伏发电系统，可以降低电网在中午时段的消峰压力，提高社会资源利用效率。

Claims (8)

1.一种柔性追光光伏发电单元，其特征在于，包括支架(2)、设置在支架(2)上可旋转的光伏板(10)、以及驱动光伏板(10)旋转的驱动装置(3)，所述驱动装置(3)包括分别设置在支架(2)两侧盛有水的2个水箱(31)、分别放置在水箱(31)内的漂浮物(32)、以及分别旋转连接在光伏板(10)两端的2个连杆(30)，所述连杆(30)另一端连接所述漂浮物(32)，两个水箱(31)之间设置有能相互抽送水的水泵装置(5)，所述水泵装置(5)能使2个水箱(31)之间形成水位差。

2.根据权利要求1所述的一种柔性追光光伏发电单元，其特征在于，所述光伏板(10)的旋转轴位于光伏板(10)长度方向的等分面。

3.根据权利要求2所述的一种柔性追光光伏发电单元，其特征在于，所述水箱(31)包括第一水箱(310)与第二水箱(311)，所述水泵装置(5)能控制第一水箱(310)与第二水箱(311)的水位使两者发生水位差以带动连杆(30)控制光伏板(10)的旋转。

4.根据权利要求3所述的一种柔性追光光伏发电单元，其特征在于，所述水泵装置(5)包括能把第二水箱(311)的水抽进第一水箱(310)的第一水泵(51)、以及能把第一水箱(310)的水抽进第二水箱(311)的第二水泵(52)。

5.根据权利要求4所述的一种柔性追光光伏发电单元，其特征在于，所述第一水泵(51)与第二水泵(52)分别连接有用以控制的水流流量和防止水流倒流的单向阀(50)。

6.一种光伏发电系统，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的若干个柔性追光光伏发电单元，所有的柔性追光光伏发电单元的光伏板(10)呈阵列分布。

7.根据权利要求6所述的一种光伏发电系统，其特征在于，所述光伏板(10)呈南北方向与东西方向上的阵列分布。

8.根据权利要求6所述的一种光伏发电系统，其特征在于，所述光伏板(10)的旋转方向为东西方向，光伏板(10)在南北方向上与水平面形成的角度为固定。