CN2916511Y - 时间光伏太阳能收集器自动跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光伏太阳能收集器自动跟踪装置，其特征在于支柱16上铰连接日跟踪减速器9，其输出轴4与支座3连接，在电源与电机5之间设有时控开关，输出轴4上设有挡块6与行程开关7配合，支柱16上的横支架15一端铰接南北跟踪减速器12，丝杆14的一端与日跟踪减速器9铰接，在框架2的上下两端分别连接一个跟踪光电池17，光电池17的输出端分别与电机11相连，太阳光全部照射到光电池17上，光电池17发电使电机11转动，一直到太阳光垂直照射在光伏收集器1上，因为光电池17上有一段被光伏收集器1遮住的重叠部分a，此时跟踪光电池17所发电力微弱，不能驱动电机11。本实用新型的自动跟踪系统，不仅结构简单、成本低、跟踪能耗低，而且跟踪过程不必人工干预，在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常工作，有广阔的应用前景。

Description

时间光伏太阳能收集器自动跟踪装置

技术领域：

本实用新型涉及一种太阳能收集装置，特别涉及其中的对太阳自动跟踪的时间光伏自动跟踪装置。

背景技术：

世界各国都在积极研究开发可再生能源，尤其对太阳能光伏发电的开发利用发展最快。我国的光伏产业正在以每年30％以上的速度发展，但光电池的价格居高不下，同时太阳能分散性和方向性的特点使太阳能利用率不高，这使得价格和利用率成为了太阳能利用的主要问题，同时也阻碍了太阳能光伏产业的发展，因而各国科学工作者一直致力于提高光电池本身固有的发电效率以及利用聚光和跟踪提高光伏电池的利用效率。还有一些太阳能的收集装置，如太阳灶，也存在太阳能的利用率低的问题。若在太阳能收集装置中使用自动跟踪装置，使太阳光始终垂直照射在太阳能收集器，则接收到的太阳辐射将大大增加。可见，应用太阳自动跟踪系统可以有效提高太阳利用率。当前国际国内无论是小型发电设备或是规模的电站基本上都是平板固定式的光伏太阳能发电装置，未见有跟踪装置的实际应用，科学工作者也研究出一些跟踪装置，但都是停留在实验室，主要原因是因跟踪的增效和其跟踪装置成本的比值太低，或由于设计的装置不太可靠、结构复杂和跟踪电机功率大，能耗高，有些是因为有复杂的电路，在室外冬夏季恶劣的环境下工作时，其中的电子元器件极易损坏。针对上述问题进行广泛检索，尚未发现有理想的技术方案。

实用新型内容：

本实用新型的目的就是为克服已有太阳能收集器的跟踪装置存在的结构复杂、能耗高、对环境适应性差的缺点，提出的一种简单实用的自动跟踪装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下原理及技术方案：

一、采用的原理：根据地球相对于太阳年运动及日运动的不同特点，采用了对太阳能收集器的南北向和东西向两套自动跟踪装置。

1、太阳能收集器东西方向跟踪(日跟踪)是因为地球每天作匀速自转运动，所以用时控开关控制日跟踪直流电机和减速器加以限位开关的准确定位，控制太阳能收集器白天跟踪太阳夜晚自动返回的全自动跟踪，从而使太阳光在东西方向上垂直照射在太阳能收集器上，为此给日跟踪定义为“时间跟踪”。

2、有了东西方向准确跟踪的前提，南北方向的跟踪就可以利用光电池在串联方向被遮光发电微弱的特征，控制南北跟踪电机实现正反转，从而使太阳光在南北方向上垂直照射在太阳能收集器上，为此给南北跟踪的这种技术定义为“光伏跟踪”。

二、采用的技术方案：一种时间光伏太阳能收集器自动跟踪装置，它由支柱(16)、框架支座(3)及其连接的光伏收集器(1)组成，其特征在于支柱(16)上联接一个铰链(10)，铰链(10)的另一端连接一个日跟踪减速器(9)，日跟踪减速器(9)中的输出轴(4)与框架支座(3)连接，连接方式可以采用常规的轴孔连接，并以螺钉紧固，这样在安装时可以调整光伏收集器(1)的角度，日跟踪减速器(9)上所联的电机(5)由单独的电源(或充电电瓶)供电，在电源与电机(5)之间联有一个时间控制开关(T)以及与其相配合的设在日跟踪减速器(9)箱体上的一对行程开关(7)、(7a)，所述的时间控制开关(T)是成熟的公知产品，输出轴(4)上联有一挡块(6)，它与行程开关(7)、(7a)形成定位配合。时间控制开关(T)的功能及型号将在实施例中说明。

可以在上述日跟踪装置的基础上，增加一套南北跟踪装置，它是在支柱(16)上设置一个横支架(15)，横支架(15)一端铰接一个南北跟踪减速器(12)，南北跟踪减速器(12)中设有一蜗杆(14b)与电机(11)相连，蜗杆(14b)与设在南北跟踪减速器(12)内的蜗轮(14a)啮合，蜗轮(14a)中心设有螺孔，它与一丝杆(14)连接配合，丝杆(14)的一端与日跟踪减速器(9)的箱体铰接，在框架支座(3)的上下两端分别连接一个跟踪光电池17，每个跟踪光电池17的输出端分别与电机(11)对应相连，每个跟踪光电池17靠近光伏收集器(1)的一端分别设有一段与光伏收集器(1)的端部重叠部分(a)。其原理是当太阳光与光伏收集器(1)倾斜时，太阳光可以全部照射到跟踪光电池17上，跟踪光电池17发电使电机11转动，一直到太阳光垂直照射在光伏收集器(1)和跟踪光电池17上，因为跟踪光电池17上有一段被光伏收集器(1)遮住的重叠部分a(约3-5mm)，跟踪光电池17发电效率极低，此时的电力不足以驱动电机(11)，因此驱动电机(11)停转，光伏收集器(1)始终保持与太阳光垂直。

本实用新型的优点在于：不仅结构简单、成本低、跟踪能耗低，而且跟踪过程不必人工干预，在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常作，有广阔的应用前景。跟踪范围广(170度)，跟踪时间长(11小时20分钟)；南北跟踪结构的巧妙设计，使其应用不受纬度的限制。

为了更加详细地说明本实用新型，下列附图提供了本实用新型的一个实施例。

附图说明：

图1是本实用新型的主视图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图2的D-D剖视图；

图4是图1的B-B向视图；

图5是时间控制开关T所连接的日跟踪电气原理图；

图6是图1的C-C剖视图；

图7是图6的E-E剖视图；

图8是南北方向跟踪的原理图。

具体实施方式：

实施例：本实用新型的整体情况如图1所示，它包括：

(一)、日跟踪部分：如图1所示，在支柱16上端连接一个铰链10，铰链10的另一端连接在日跟踪减速器9的箱体底部，日跟踪减速器9中设置的输出轴4的两端分别插入支座3的连接孔中并用螺钉固定，以便在安装时调整收集器1的角度，支座3与框架2相连，光伏太阳能收集器1安装在框架2上。光伏太阳能收集器1包括太阳能电池板、太阳灶等收集太阳光的装置。

日跟踪减速器9的具体结构如图1、图2、图3所示，日跟踪减速器9的箱体下部设有蜗杆4b，蜗杆4b上连接一个蜗轮4d，蜗杆4b和蜗轮4a啮合，蜗轮4a与输出轴4连接并带动输出轴4转动；蜗杆4b上的蜗轮4d则与蜗杆4e啮合，如图3所示，蜗杆4e的一端与设置在日跟踪减速器9箱体上的电机5相连。

如图1所示，在输出轴4上连接一个挡块6，它与设在日跟踪减速器9的箱体上的行程开关7、7a配合，具体结构如图4所示，输出轴4上连接一个挡块6，当经过白天全天跟踪后，挡块6碰触行程开关7a时，日跟踪减速器9的电机5停止正转随后反转，经过夜间自动返回后，挡块6碰触行程开关7时，光伏太阳能收集器回到早晨的位置，根据时控开关设置的开关时间，又开始下一天循环。

由于地球的自转运动是每天24小时匀速转动，因此用时控开关T配合限位的行程开关7、7a就能较准确地控制减速器9的电机5带动太阳能收集器1白天跟踪太阳，夜晚自动返回的全自动日跟踪。直流电机5的电源可由为发电机配置的24V充电电瓶直接供给，自动跟踪的控制由预先设定好的时控开关T进行控制。因设计的发电单元的日跟踪角为170°，经计算白天跟踪时间合计11小时20分钟，既可从早晨6:20到下午17:40，夜间自动返回时间为18:40到6:00。

为了防止时控开关T或电机5的转速误差而使跟踪装置产生对太阳的跟踪累积误差，同时防止因某个部件的故障对设备造成损坏，所以设计了如图4的限位装置，限位角度调整为-85°到+85°，这两个位置分别是早晨6:20跟踪起点和下午17:40跟踪终点的位置。

时控开关T以及相关的行程开关7与电机5组成的控制电路如图5所示：

时控开关的第一路连线m接行程开关7a后，再连接到电机5的一端(控制电机正转白天跟踪)：早晨6:20开-下午17:50关(虽然时控开关设定在17:50关，而实际上在17:40挡块6就碰到行程开关7a而使这一天的跟踪停止，这就实现了自动跟踪的每天准确定位，防止有误差值累计到下一天)

时控开关的第二路连线n接行程开关7后，再连接到电机5的一端(控制电机反转夜晚返回)：下午18:40开-早晨6:10关(虽然时控开关设定在6:10关，而实际上在6:00挡块6就碰到行程开关7而使返回停止，使太阳能收集器1准确地停在早晨起始跟踪的位置，等到6:20第一路开关n又接通电机5正转开始了新的一天的循环跟踪)。

时控开关T是成熟产品，价格很便宜，如上海卓一电子有限公司的ZYT02型时控开关，其有多组开关时间，可用于提高跟踪精度使用，在设计传动系统时，使日跟踪转轴的转速稍快于地球的自转运动，利用这多余的在跟踪时间内设定多次等待，能使自动跟踪装置更能准确的跟踪太阳。

(二)、南北跟踪部分：如图1所示，在支柱16上还连接一个横支架15，它的右端铰接一个南北跟踪减速器12，南北跟踪减速器12内有一丝杆14与减速器12内的蜗轮配合，丝杆14的上端与日跟踪减速器9的箱体上的铰链8联接，在框架2的上下两端分别连接一个跟踪光电池17、17a，每个跟踪光电池的输出端分别与电机11对应相连(即跟踪光电池17的正、负极连电机11的正、负极，跟踪光电池17a的正、负极连电机11的负、正极)，每个跟踪光电池靠近光伏收集器1的一端分别设有一段与光伏收集器1的重叠部分a。

南北跟踪减速器12的具体结构如图6、图7所示，减速器12箱体上设有对称的铰接轴孔12a，它与横支架15上的轴13铰接，减速器12内设有蜗轮14a，它的端部与轴承连接配合，蜗轮14a的中心设有螺孔，螺孔与丝杆14配合连接。减速器12的下部设有一个蜗杆14b，它与电机11连接配合，蜗杆14b与蜗轮14a啮合。当电机11转动时，可以带动蜗轮14a转动，从而带动丝杆14产生轴向位移，如图1所示，通过铰链8、10，最终达到调整收集器1的仰角(南北方向)的目的。

要达到自动调整收集器1的仰角(南北方向)的目的，如图1所示，还必须在框架(2)的上下两端分别连接一个跟踪光电池17、17a，每个跟踪光电池的输出端分别与电机11对应相连(即跟踪光电池17的正、负极连电机11的正、负极，跟踪光电池17a的正、负极连电机11的负、正极)，每个跟踪光电池17靠近光伏收集器1的一端分别设有一段与光伏收集器1的重叠部分a。其原理如图8所示，自动控制有两种设计：

设计方案一：当太阳光L与光伏收集器1的法线p在南北垂面的夹角大于+1.5°时，跟踪用光电池17a(其+、-极直接和电机11的正转连接，使南北跟踪电机正转)表面就能全部受阳光照射，光电池17a发电使电机11正转，电机11以及减速器就带动光伏收集器1顺时针转动，转动后当α角＜1.5°时，跟踪用光电池17a的串联方向内侧边表面的阳光就被光伏电池组件边框遮挡，利用光电池在串联方向表面的阳光只要一部分被遮挡不能发电的特征(因为电流很小，不会产生因“热岛效应”而损坏电池，实用新型者已多次做过实验)，此时电机停止转动。

当太阳光与光伏电池组件的法线在南北垂面的夹角小于-1.5°时，跟踪用光电池17(其+、-极直接和电机的反转连接，使南北跟踪电机反转)表面就能全部受阳光照射，光电池17发电使电机反转，电机以及减速器就带动光伏收集器1逆时针转动，转动后当α角＞-1.5°时，跟踪用光电池17的内侧边表面的阳光就被光伏收集器1边框遮挡(即重叠部分a)，电机停止转动。

以上的自动控制使光伏收集器1的法线与太阳光线在南北方向始终保持在-1.5°--+1.5°范围内的夹角，这样就实现了南北方向的自动跟踪。

在全年太阳和地球运动的变化中，太阳高低角的变化量约47°，所以南北跟踪角的变化范围也仅有47°，即使连续多天阴天下雨或太阳光较弱，使跟踪光电池发的电不能带动跟踪电机，南北方向的角度误差仍然很小，例如在太阳高低角变化较快的3月1日到3月10日的10天之间，如果连续下雨或阴天造成发电设备无法进行南北方向的跟踪，南北方向的跟踪误差也只有3°左右，与0°入射角时发电量的差值不到千分之二。

设计方案二：和以上原理相似，也是利用光电池在串联方向遮光不发电的原理，但只需要更小块的跟踪电池，南北跟踪电机不是由跟踪光电池发的电驱动，而是由发电系统本身的充电电瓶提供电源，当南北跟踪角β超出了设定的允差范围如1.5°时，跟踪光电池发电驱动继电器，而由继电器接通跟踪电机的正转或反转电路。对于多台发电单元组成的发电系统或规模太阳能电站的设计，利用该方案更经济、可靠。

Claims (2)

1、一种时间光伏太阳能收集器自动跟踪装置，它由支柱(16)、框架(2)、支座(3)以及连接于框架(2)上的太阳能收集器(1)组成，其特征在于支柱(16)上联接一个铰链(10)，铰链(10)的另一端连接一个日跟踪减速器(9)，日跟踪减速器(9)中的输出轴(4)与支座(3)连接，日跟踪减速器(9)上所联的电机(5)与电源之间联有一个时间控制开关(T)以及与时间控制开关(T)相配合的设在日跟踪减速器(9)箱体上的一对行程开关(7)、(7a)，输出轴(4)上联有一挡块(6)，它与行程开关(7)、(7a)形成定位配合。

2、根据权利要求1所述的自动跟踪装置，其特征在于支柱(16)上设置一个横支架(15)，横支架(15)一端铰接一个南北跟踪减速器(12)，南北跟踪减速器(12)中设有一蜗杆(14b)与电机(11)相连，蜗杆(14b)与设在南北跟踪减速器(12)内的蜗轮(14a)啮合，蜗轮(14a)中心设有螺孔，它与一丝杆(14)连接配合，丝杆(14)的一端与联于日跟踪减速器(9)箱体上的铰链(8)联接，在框架(2)的上下两端分别连接一个跟踪光电池(17)、(17a)，每个跟踪光电池的输出端分别与电机(11)对应相连，每个跟踪光电池靠近光伏收集器(1)的一端分别设有一段与光伏收集器(1)的重叠部分(a)。