專利名稱：一種傘式單軸跟蹤光伏發電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能光伏發電裝置。
背景技術：
目前化石能源的逐漸枯竭以及環保呼聲的高漲，迫切需要人們開發清潔的可再生能源，太陽能發電便是人們青睞的可再生能源之一。傘式單軸跟蹤光伏發電系統通過跟蹤運動增強了太陽光輻射，提高了光伏電池板的光電轉換效率，節省了大量昂貴的光伏電池板。相對于那些普通光伏跟蹤系統而言，傘式單軸跟蹤光伏發電系統具有結構簡單，總體成本低，抗風性能好，而發電效率比普通單軸跟蹤類型高特點。
在現有的國內外跟蹤太陽能技術中，所設計的太陽能跟蹤裝置大多采用雙軸和單軸的方式實現時時追蹤太陽。但目前這些機械結構需要大量昂貴的鋼結構，導致推廣使用其難度大。發明內容
本發明的目的是克服目前太陽能跟蹤光伏發電系統需要大量昂貴的鋼結構，提出一種傘式單軸跟蹤光伏發電系統。本發明能夠增強太陽光利用效率，提高光伏電池板發電量，抗風性能提高，同時節省大量昂貴的鋼結構，降低發電成本。
本發明通過一維跟蹤太陽光輻射角度，提高太陽能電池板的轉化效率。
本發明包括控制器、傘式單軸跟蹤機械結構和光伏電池板組。
所述的控制器每天按時自動啟動并控制電機隨太陽光線自動運行，安裝在一個全封閉的不銹鋼的控制箱體內，控制箱體安裝在傘式單軸跟蹤機械結構的中空六方形鋼管的承載立柱頂面。控制器控制傘式單軸跟蹤機械結構在水平面內的運轉，跟蹤太陽。
所述的傘式單軸跟蹤機械結構由機械支撐部分和機械傳動部分組成。機械支撐部分由承載立柱、固定在承載立柱上的焊接桁架，以及斜支撐角鋼組成。承載立柱為一個中空六方形鋼管。所述的斜支撐角鋼安裝在焊接桁架頂面，其上安裝有光伏電池板組。所述的機械傳動部分為一套安裝在所述的傘式單軸跟蹤光伏發電系統底部的復合減速器，所述的復合減速器提供所述的單軸跟蹤機械結構的傳動旋轉動力。
所述的復合減速器由蝸輪蝸桿減速器、諧波減速器和由控制器控制的步進電機組成。復合減速器提供所述的傘式單軸跟蹤機械結構的傳動旋轉動力。復合減速器中的蝸輪蝸桿減速器上安裝所述的機械支撐部分。復合減速器的步進電機、諧波減速器和蝸輪蝸桿減速器依次順序安裝連接，步進電機的輸出軸和諧波減速器的輸出軸機械連接，諧波減速器的輸出軸和蝸輪蝸桿的蝸桿機械連接；所述的蝸輪蝸桿減速器上安裝有所述的機械支撐部分；步進電機諧波減速器和蝸輪蝸桿減速器依次順序連接安裝，蝸輪蝸桿減速器的蝸輪和機械支撐部分的六方形管鋼管承載立柱連接。
本發明通過由蝸輪蝸桿減速器、諧波減速器和由控制器控制的步進電機組成的復合減速器控制傘式單軸跟蹤機械結構回轉并隨太陽在天空角度變化而變化。所述的傘式單軸跟蹤機械結構的機械傳動部分中還設有一個角度傳感器來輔助控制器控制角度變化，角度傳感器內裝有轉動齒輪，角度傳感器依靠所述的轉動齒輪傳動，所述的轉動齒輪和機械傳動部分的復合減速器連接在一起并隨之同速轉動，此角度傳感器和機械傳動部分同步運動。角度傳感器外部為一個不銹鋼殼，角度傳感器內部安裝有限位開關，實現限位功能。角度傳感器具有實時向控制器發送機械傳動部分的旋轉角度檢測數據。這樣角度傳感器在檢測角度的同時，也能很好地保護整個跟蹤系統。
角度傳感器采集旋轉編碼器反饋的傘式單軸跟蹤機械結構回轉的位置信號，通過外電路將位置信號傳送給控制器，控制器利用該信號對光伏電池板組的位置進行閉環控制。
控制器控制所述的機械傳動部分運動，使光伏電池板組的安裝面和太陽光最接近。控制器外接三套電路系統，和復合減速器、角度傳感器及限位開關連接，接收來自復合減速器、角度傳感器及限位開關的信號。
光伏電池板組安裝在機械部分頂部的斜支撐角鋼上。光伏電池板組和斜支撐角鋼均按照一定角度朝南傾斜安裝，光伏電池板的安裝面是南北方向的多排層次結構，整個多排層次結構的頂面在同一水平面內，每排之間間隔一定間距，保證電池板受太陽光線照射時互相不遮擋。
本發明的光伏發電特性效率在相同條件下比太陽光伏固定式支架發電系統效率可以提高30%，但機械成本只比固定式發電系統每瓦提高I元左右，由于采取電池板安裝面南北方向成多排層次結構，整個多排層次結構頂面在一個水平面內的設計，使本發明的抗風性能比起傳統的結構提高2-3倍。
圖I是本發明的總體結構圖2是本發明的總體仰視圖3是本發明的控制器工作原理圖4是本發明太陽跟蹤不意圖，圖4a為跟蹤如的不意圖，圖4b為跟蹤結束后的不意圖5是單軸跟蹤式發電系統結構剖面示意圖6是地平坐標系中太陽的位置圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
圖I是本發明傘式單軸跟蹤光伏發電系統總體結構圖。如圖I所示，本發明傘式單軸跟蹤光伏發電系統包括控制器I、單軸跟蹤機械結構2和光伏電池板組3。控制器I控制所述的傘式單軸跟蹤光伏發電系統的運行。控制器I安裝在一個不銹鋼的控制箱內，該控制箱安裝在傘式單軸跟蹤光伏發電系統的中空六方形鋼管的承載立柱的頂面。所述的單軸跟蹤機械結構2由機械傳動部分2-1和機械支撐部分2-2組成。機械傳動部分2-1由步進電機2-1-3，諧波減速器2-1-2和蝸輪蝸桿減速器2-1-1組成。步進電機2_1_3的輸出軸和諧波減速器2-1-2的輸出軸機械連接，諧波減速器2-1-2的輸出軸和蝸輪蝸桿2-1-1的蝸桿機械連接；所述的蝸輪蝸桿減速器2-1-1上安裝有所述的機械支撐部分2-2 ;步進電機2-1-3、諧波減速器2-1-2和蝸輪蝸桿減速器2-1-1依次順序連接安裝，蝸輪蝸桿減速器 2-1-1的蝸輪和機械支撐部分2-2的六方形管鋼管承載立柱連接。
機械支撐部分2-2由承載立柱2-2-1和承載立柱2_2_1上固定的焊接桁架、以及斜支撐角鋼組成。承載立柱2-2-1為一個中空六方形鋼管。所述的斜支撐角鋼安裝在焊接桁架頂面，其上安裝有光伏電池板組3。光伏電池板組3和斜支撐角鋼均按照一定角度朝南傾斜安裝，光伏電池板的安裝面為南北方向的多排層次結構，所述的多排層次結構的頂面在同一水平面內，每排之間有間距。由于整個傘式單軸跟蹤光伏發電系統的單軸跟蹤機械結構的外形如同雨傘一樣由中間支撐，其余邊緣懸空，故稱作傘式單軸跟蹤光伏發電系統。 承載立柱2-2-1為中空六方形鋼管，支撐本發明傘式單軸跟蹤光伏發電系統載荷。控制器 I懸掛在承載立柱的頂面，承載立柱2-2-1頂部安裝有水平面內旋轉工作鋼結構2-2-2，水平面內旋轉工作鋼結構2-2-2實現本發明傘式單軸跟蹤光伏發電系統的水平旋轉自由度。
圖2是本發明的仰視圖，承載立柱2-2-1的底部是機械傳動部分2-1。
圖3是單軸跟蹤集成控制器I的工作流程圖。
圖4為太陽光與單軸跟蹤機械結構2在機械傳動部分2-1的作用下與光伏電池板組3的安裝面由不垂直到實現最接近垂直的過程示意圖，其中圖4a表示傘式單軸跟蹤光伏發電系統由偏移角Θ超過閾值開始跟蹤運轉，直到圖4b和光伏電池板組3的安裝面最接近垂直，閾值小于一定值為止。
圖5所示為復合減速器機械結構外形。角度傳感器安裝在蝸輪蝸桿減速器的蝸輪的頂部鋼板上面。整個傘式單軸跟蹤機械結構分兩層，為底層和頂層兩層的平面桁架空間搭接結構。六方鋼管在蝸輪的上面通過螺栓和蝸輪的頂部鋼板連接，六方鋼管的各個鋼管側面和機械支撐底層的桁架螺栓連接，所有的頂層桁架連接電池板并用角鋼和螺栓與鋼管側面的機械支撐的底層桁架空間連接。
圖6是地平坐標系中太陽的高度角和方位角，本發明所實現的是方位角跟蹤。
如圖3所示，控制器I的控制過程如下
控制器I具有自動計算太陽方位角和發出控制指令的功能。控制器I將角度傳感器檢測得到的傘式單軸跟蹤光伏發電系統轉動的角度數據與根據時間計算得到的太陽位置角度作差值比較，如差值大于設定的閾值，控制器I便控制步進電機向閾值減小方向轉動，否則就停止驅動步進電機運轉。限位開關安裝在角度傳感器內部，一旦角度傳感器運轉到極限位置時撞擊觸發此限位開關，控制器I便停止步進電機運轉。
控制器I發出并傳遞轉動指令信號給復合減速器的步進電機2-1-3，步進電機 2-1-3轉動帶動諧波減速器2-1-2 —級減速旋轉，諧波減速器2-1-2帶動蝸輪蝸桿減速器 2-1-1 二級減速旋轉。由于，蝸輪蝸桿減速器2-1-1的蝸輪和機械支撐部分2-2的六方形管鋼管承載立柱連接，所以機械部分2也跟著旋轉運動，使光伏電池板組3的安裝面在水平面內作旋轉運動。
單軸跟蹤機械傳動機構2有一個自由度，即水平面內轉動自由度。通過步進電機2-1-3帶動諧波減速器2-1-2 —級變速，渦輪蝸桿減速器2-1-1 二級減速旋轉，為機械傳動部分2-1轉動部件提供旋轉的動力。單軸跟蹤機械傳動機構2能夠提供較大轉動力矩,并實現其傳動的自鎖，以防止在大風和自重情況下機械部分滑動。
本發明工作原理和工作過程如下
( I)如圖4所示，控制器I中的時間模塊每天按時啟動，根據天文公式，計算本發明單軸光伏發電系統在天球坐標下的太陽光角度，然后經過坐標變換為地平坐標系下的太陽光角度，即安裝地的太陽位置，通過角度傳感器檢測光伏電池板組當前所處的位置，并與控制器I計算出的太陽位置相比較，二者的差值為角Θ。當角Θ大于控制器設定的閥值時， 控制器I啟動電機，使光伏電池板組3向太陽光入射方向旋轉,直到太陽光垂直于光伏電池板組3的表面，如圖4b所示。當角Θ小于控制器設定的閥值時，I控制器就發出指令停止運動。同時，本發明單軸跟蹤發電系統還在角度傳感器中設置了限位開關，一旦單軸跟蹤式發電系統轉動到此位置撞擊了限位開關，控制器I的控制運轉就立刻停止所有運轉控制。
(2)當控制器I軟件發生故障，步進電機2-1-3失去控制時，本發明傘式單軸跟蹤裝置啟動后難以再通過控制器I的控制指令使其停止運行，所述的單軸跟蹤機械結構2和太陽能光伏電池板組3將面臨損壞的危險。為防止該現象的出現，在旋轉工作鋼結構2-1 的角度傳感器中安裝了限位開關，如圖5所示。當太陽光伏電池板轉動超過極限位置后，傘式單軸跟蹤傳動機構將觸發限位開關，使控制器中由限位開關控制的繼電器動作，切斷控制器的驅動電源，保護整個傘式單軸跟蹤裝置安全。
如圖1所示，光伏電池板組3安裝的傾斜角度是根據安裝當地的緯度來決定的，并且是固定不變的。如圖5所示，傳動系統邊緣安裝了角度傳感器2-1-4，角度傳感器2-1-4 和單軸跟蹤光伏發電系統同步運動。角度傳感器2-1-4和限位開關可保護整個單軸跟蹤式光伏發電系統。
角度傳感器采用了適當精度的旋轉編碼器來反饋旋轉軸的位置信號，利用該信號對光伏電池板組的 位置進行閉環控制，提高控制的精度。
控制器必須能夠承受短時大風引起的風載荷，能夠在冬季霜雪等天氣條件下順利地啟動和運轉，因此機械傳動部分2-1必須具有提供較大轉動力矩的能力。
本發明在單軸跟蹤方式下，光伏電池板組3沿水平自由度旋轉運動，如圖1所示。 單軸跟蹤式光伏發電系統通過計算太陽入射光與光伏陣列平面的夾角關系來確定跟蹤角度。本發明采用了高度角隨當地緯度固定傾斜，而跟蹤方位角的單軸方式，如圖6所示。
如此，每間隔一定時間段對本發明光伏發電系統進行一個自由度的跟蹤運動，實現水平旋轉跟蹤方式，實現任意太陽位置追蹤運動。
權利要求
1.一種傘式單軸跟蹤光伏發電系統，其特征在于，所述的單軸跟蹤光伏發電系統包括控制器(I)、傘式單軸跟蹤機械結構(2)和光伏電池板組(3);所述的控制器(I)安裝在控制箱內，所述的控制箱安裝在傘式單軸跟蹤光伏發電系統的承載立柱(2-2-1)的頂面上；所述的控制器(I)控制所述的傘式單軸跟蹤機械結構(2)在水平面內的運轉，跟蹤太陽；所述的單軸跟蹤機械結構(2)由機械傳動部分(2-1)和機械支撐部分(2-2)組成；所述的機械傳動部分(2-1)為一套安裝在所述的傘式單軸跟蹤光伏發電系統底部的復合減速器，所述的復合減速器提供所述的單軸跟蹤機械結構的傳動旋轉動力；所述的機械支撐部分(2-2)由承載立柱(2-2-1)、固定在承載立柱(2-2-1)上的焊接桁架，以及斜支撐角鋼組成；所述的斜支撐角鋼安裝在焊接桁架頂面，其上安裝有光伏電池板組(3 )。
2.根據權利要求I所述的傘式單軸跟蹤光伏發電系統，其特征在于所述的復合減速器由蝸輪蝸桿減速器(2-1-1)、諧波減速器(2-1-2)和步進電機(2-1-3)組成；步進電機(2-1-3)的輸出軸和諧波減速器(2-1-1)的輸出軸機械連接，諧波減速器(2-1-2)的速度輸出軸和蝸輪蝸桿(2-1-1)的蝸桿機械連接；所述的蝸輪蝸桿減速器(2-1-1)上安裝有所述的機械支撐部分(2-2);步進電機(2-1-3)、諧波減速器(2-1-1)和蝸輪蝸桿減速器(2-1-1)依次順序連接安裝，蝸輪蝸桿減速器(2-1-1)的蝸輪和機械支撐部分(2-2)的承載立柱(2-2-1)連接。
3.根據權利要求I所述的傘式單軸跟蹤光伏發電系統，其特征在于所述的機械傳動部分(2-1)中設有角度傳感器(2-1-4)，角度傳感器(2-1-4)安裝在轉動齒輪上，所述的角度傳感器內裝有轉動齒輪，并依靠所述的轉動齒輪傳動；角度傳感器(2-1-4)和所述的單軸跟蹤光伏發電系統同步運動；所述的轉動齒輪和復合減速器連接在一起；角度傳感器內部安裝有限位開關。
4.根據權利要求I所述的傘式單軸跟蹤光伏發電系統，其特征在于所述的光伏電池板組和斜支撐角鋼朝南傾斜安裝，光伏電池板的安裝面為南北方向的多排層次結構，所述的多排層次結構的頂面在同一水平面內，每排之間有間距。
全文摘要
一種傘式單軸跟蹤光伏發電系統，包括控制器(1)、單軸跟蹤機械結構(2)和光伏電池板組(3)。控制器(1)安裝在承載立柱(2-2-1)頂面的控制箱內。控制器(1)控制所述的傘式單軸跟蹤機械結構在水平面內的運轉，跟蹤太陽。單軸跟蹤機械結構(2)由機械傳動部分(2-1)和機械支撐部分(2-2)組成；機械傳動部分(2-1)為一套安裝在所述的傘式單軸跟蹤光伏發電系統底部的復合減速器，復合減速器提供所述的單軸跟蹤機械結構的傳動旋轉動力；機械支撐部分(2-2)由承載立柱(2-2-1)、固定在承載立柱(2-2-1)上的焊接桁架，以及斜支撐角鋼組成；所述的斜支撐角鋼安裝在焊接桁架頂面，其上安裝有光伏電池板組(3)。
文檔編號H02N6/00GK102981515SQ201210515009
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者李衛軍, 金玉嶺, 姚寶龍, 孫豐軍, 張巖峻, 許洪華 申請人:北京科諾偉業科技有限公司