一種屋頂聯動跟蹤光伏支架及光伏發電系統的制作方法

本發明屬于光伏發電設備技術領域，更具體地說，涉及一種安裝在廠房、建筑屋頂聯動跟蹤光伏支架，還涉及一種具有該支架的光伏發電系統。

背景技術：

分布式光伏發電系統是目前應用最為廣泛的光伏發電項目。根據國家《電力發展“十三五”》的規劃，到2020年分布式光伏發電量將達到60吉瓦，而截至2015年，分布式光伏發電量僅為6吉瓦，還有高達50多吉瓦的缺口。因此，要想達到這個目標，在接下來的幾年內，分布式光伏發電系統的年均新增裝機規模有可能超過10吉瓦。隨著國家土地政策的變化，地面建設光伏發電系統已受到限制，各類型建筑物屋頂被充分利用起來，但是建筑物屋頂的面積是固定的，如若能多發電使價值最大化，是當前分布式光伏發電系統能否快速順利發展所面臨的重要難題。

目前，人們不斷地創新，并提出了多種解決方法，經檢索，第一種方式是采用聯動式發電系統，例如中國專利申請號為201610154308.0，申請公布日為2016年3月18日的專利申請文件公開了一種聯動式光伏支架結構，主要由固定框架、設置在固定框架背部的安裝耳、旋轉軸、連接組件、連接桿和底座組成；旋轉軸轉動設置在安裝耳上，連接桿的一端固定連接旋轉軸，連接桿的另一端滑動設置在底座上，連接組件設置在旋轉軸的兩端；連接組件主要由設置在旋轉軸一端的公座組件和設置在旋轉軸另一端的母座組件組成；再如中國專利申請號為201610959298.8，申請公布日為2016年10月28日的專利申請文件公開了一種相互聯動的追蹤式光伏發電系統，該裝置包括主動式光伏電池板角度調整模塊、從動式光伏電池板角度調整模塊、太陽位置檢測模塊、反向機械聯動模塊、同向機械聯動模塊、可拆卸式連接模塊和支撐模塊；每一個主動式光伏電池板角度調整模塊、從動式光伏電池板角度調整模塊、太陽位置檢測模塊的底部都分別與一個支撐模塊相連；太陽位置檢測模塊、1-3個從動式光伏電池板角度調整模塊與主動式光伏電池板角度調整模塊相連；再如中國專利申請號為201110391073.4，申請公布日為2013年6月5日的專利申請文件公開了一種太陽能光伏板聯動裝置，包括固定支架，固定支架上設置有電動機，電動機的軸上設置有聯動機構，聯動機構通過絲桿和聯動桿連接聯動支架，聯動支架通過固定支座連接有太陽能光伏板，太陽能光伏板通過轉動軸與主軸聯動與電動機的軸相互連接；該跟蹤機構通過絲桿聯動機構進行調節光伏板南北方向的角度。

上述結構存在的不足之處是，不論是哪種發電系統結構，均重量大，而建筑屋頂承載能力有限，易造成建筑屋頂損壞，因此對建筑屋頂的要求很高，這樣一來，可以利用的建筑屋頂就很受限制；同時發電系統結構的迎風面面積過大，極容易引起過大風載，同樣易造成建筑屋頂損壞。

此外，用最大功率的組件去安裝光伏發電系統，例如若安裝265瓦的組件，200平方米的面積最多只能安裝總發電功率為5千瓦的組件，若換成290瓦的單晶組件，同樣面積功率可以提升10％～15％，但是建設投資中，組件成本占比是投資額中最大的，因而不是最佳方案。

技術實現要素：

1.要解決的問題

針對現有光伏發電系統功率低、風阻大以及安裝建筑結構條件限制的問題，本發明提供一種屋頂聯動跟蹤光伏支架，該光伏支架結構簡單，整個光伏支架結構可以實現緊貼屋頂平面，有效降低風阻；加之整個光伏支架結構自身重量輕，降低了對整體結構強度的要求，使用壽命長。

本發明又提供一種屋頂聯動跟蹤光伏發電系統，該光伏發電系統可以安裝在建筑物的屋頂上，安裝風阻小，對安裝建筑物的強度要求低，適用范圍廣，在相同發電效率的前提下，組件成本占比可以降低，提高本發明的光伏發電系統的市場競爭力。

2.技術方案

為了解決上述問題，本發明所采用的技術方案如下：

一種屋頂聯動跟蹤光伏支架，包括驅動機構、導軌和組件單元，所述導軌鋪設于屋頂上且固定；所述組件單元跨設在相鄰的兩根導軌上，其包括組件框架、滑移部和連桿，滑移部置于導軌內，連桿一端與滑移部鉸接，另一端與組件框架鉸接；所述驅動機構施力于組件單元的滑移部，在光伏支架使用狀態下，推動連桿撐起或躺放組件框架。

作為本發明的進一步改進，所述驅動機構包括減速機鏈輪、曳引纜繩和傳動鏈，傳動鏈繞設在減速機鏈輪上，減速機鏈輪帶動傳動鏈作往復運動，在傳動鏈的兩端分別連接有兩根曳引纜繩，兩根曳引纜繩各配接一個配重，用于保持傳動鏈和曳引纜繩的自動補償張緊力；曳引纜繩穿設于導軌內且串聯滑移部，曳引纜繩牽引滑移部沿導軌往復移動，然后由連桿推動組件框架轉動，組件單元可以形成陣列式的排列，陣列最外邊前后兩排組件框架也能保持同其他排組件框架一樣角度同步轉動。

作為本發明的進一步改進，所述滑移部為滑塊，滑塊包括套接部及與套接部一體成型的連接部，套接部與導軌相配合，連接部上開設有安裝孔，連接部伸出導軌；轉軸穿設于安裝孔內，兩端套接連桿，滑塊的滑動摩擦力小，多個滑塊便于同時移動，有利于實現組件單元的同步轉動。

作為本發明的進一步改進，所述導軌由方形鋼管制作而成，方形鋼管上開設有槽口，安裝時，槽口垂直朝下，方形鋼管內壁光滑，滑塊由方形鋼管的端口裝入管內，滑塊的連接部伸出導軌且與連桿鉸接。

作為本發明的進一步改進，該光伏支架還包括限位器，所述限位器設置于導軌內，相鄰兩限位器分別位于一個組件單元的滑塊行程的兩端，一方面當滑塊在導軌內滑動時，通過限位器的限位作用，使得組件單元不會發生移位，避免相鄰兩排組件單元發生干涉；另一方面通過調節限位器的位置，調整組件框架與屋頂的高度差。

作為本發明的進一步改進，所述驅動機構還包括曳引器，曳引纜繩通過曳引器與滑塊鎖緊連接，并在導軌內將各滑塊串聯，通過曳引纜繩的牽引作用，實現組件單元的多個滑塊同時移動，保證了整個支架的組件單元聯動；此外，曳引器使牽引力分布在各滑塊上，避免了因某個組件框架轉動的角度誤差而引起累積誤差的連鎖反應，消除整個組件單元陣列跟蹤失步現象。

作為本發明的進一步改進，該光伏支架還包括轉角輪，所述轉角輪設置在屋檐的轉角處或導軌的端部，曳引纜繩沿著轉角輪轉過屋檐或導軌端部與傳動鏈連接，避免曳引纜繩與屋檐或導軌產生摩擦，損壞曳引纜繩，延長曳引纜繩的使用壽命；還可根據屋面層數或高低起伏的復雜程度，可多用幾組轉角輪導向連接，滿足復雜屋面需要。

作為本發明的進一步改進，該光伏支架還包括光伏控制器和防水配電箱，所述光伏控制器、驅動機構設置于防水配電箱內，防水配電箱安裝在地面或墻壁上，光伏控制器控制減速機鏈輪動作，驅動機構的減速機鏈輪以及光伏控制器不受惡劣氣候環境影響，其可靠性得到最大限度的提升，也方便了日常檢修工作。

作為本發明的進一步改進，該光伏支架還包括風速傳感器，所述風速傳感器安裝在屋頂上，風速傳感器與光伏控制器電氣連接，風速傳感器實時測定風速，并將風速測量值輸入光伏控制器，當風速超過臨界值時，光伏控制器控制減速機鏈輪動作，組件單元躺放下來緊貼在屋頂上，迎風面減小，風阻減小，降低了對支架強度的要求。

作為本發明的進一步改進，該光伏支架還包括固定橫桿，所述固定橫桿由槽鋼制作而成，固定橫桿鋪設在屋頂的受力結構上，導軌按設計間距要求鋪設在固定橫桿上。

本發明的另一目的是提供一種聯動跟蹤屋頂光伏發電系統，該系統包括太陽能電池組件和光伏支架，所述光伏支架為上述的光伏支架，太陽能電池組件設置于光伏支架的組件框架內。

3.有益效果

相比于現有技術，本發明的有益效果為：

(1)本發明的屋頂聯動跟蹤光伏支架采用躲風設計思路及仿生學理論，本發明通過將風速傳感器或天氣預報，當風速達到預警值時，光伏控制器控制減速機鏈輪動作，在一分鐘內，自動躺放在屋頂上，不會增加建筑物的風阻，確保自身及建筑物的安全，避免災害造成的損失，進一步降低了對整體結構強度的要求，使用壽命長；

(2)本發明的屋頂聯動跟蹤光伏支架采用的導軌既可以承載全部組件單元的重量，也可以作為推動組件單元轉動的滑行道，導軌的整體結構強度高、質量輕，減輕了屋頂的載重量，在不增加過多投資，減輕自身重量的情況下，解決了提高發電效率的問題，同時也解決了許多載荷有限的廠房屋頂(尤其彩鋼瓦屋頂)建設光伏發電系統的困境；

(3)本發明的屋頂聯動跟蹤光伏支架采用曳引纜繩來牽引組件單元，不論各組件單元存在間距差和高低差，可以通過曳引器調節曳引纜繩的距離差，或者通過調節限位器在導軌上的位置調節高度差，保證了每個組件單元同一角度同步轉動，實現支架的聯動；

(4)本發明的屋頂聯動跟蹤光伏支架采用滑塊和連桿，以動態三角形形式作用于各組件框架的兩端，運行時更為平穩，不會產生顫抖現象，使跟蹤太陽的精度更高，使用壽命也更長；

(5)本發明的屋頂聯動跟蹤光伏支架采用傳動鏈帶動曳引纜繩運轉，并設有配重調節張緊，可以避免直接用曳引纜繩因老化變形、磨損造成摩擦力下降和打滑的困擾，由于曳引纜繩配有配重，能自動補償曳引纜繩的張緊度，能大幅度減輕減速機鏈輪的壓軸力，運轉也平穩，傳動比更恒定，更省力，使電機的自身耗能更低，其結構簡單也輕便，易于安裝；

(6)本發明的屋頂聯動跟蹤光伏支架驅動機構安裝在地面或者墻壁上防水配電箱里，不受惡劣氣候環境影響，其可靠性得到最大限度的提升，也方便了日常檢修工作；

(7)本發明的屋頂聯動跟蹤光伏支架采用由方形鋼管制作而成的導軌，曳引纜繩在其空間內運行，不受風吹雨打更加安全可靠，再多余的空間用于敷設電線電纜；

(8)本發明結構簡單，設計合理，易于制造。

附圖說明

圖1為本發明屋頂聯動跟蹤光伏支架實施例1的結構示意圖；

圖2為圖1的a部放大圖；

圖3為本發明屋頂聯動跟蹤光伏支架實施例1的安裝示意圖；

圖4為本發明屋頂聯動跟蹤光伏支架實施例2的結構示意圖；

圖5為圖4的b部放大圖。

圖中：1、固定橫桿；2、導軌；3、曳引纜繩；4、減速機鏈輪；5、傳動鏈；6、組件框架；7、配重；8、滑塊；9、連桿；10、限位器；11、轉角輪；12、曳引器；13、三角支撐架；14、太陽能電池組件；15、防水配電箱。

具體實施方式

下文對本發明的示例性實施例的詳細描述參考了附圖，該附圖形成描述的一部分，在該附圖中作為示例示出了本發明可實施的示例性實施例。盡管這些示例性實施例被充分詳細地描述以使得本領域技術人員能夠實施本發明，但應當理解可實現其他實施例且可在不脫離本發明的精神和范圍的情況下對本發明作各種改變。下文對本發明的實施例的更詳細的描述并不用于限制所要求的本發明的范圍，而僅僅為了進行舉例說明且不限制對本發明的特點和特征的描述，以提出執行本發明的最佳方式，并足以使得本領域技術人員能夠實施本發明。因此，本發明的范圍僅由所附權利要求來限定。

下文對本發明的詳細描述和示例實施例可結合附圖來更好地理解，其中本發明的元件和特征由附圖標記標識。

實施例1

如圖1所示的是在彩鋼瓦屋頂安裝的聯動跟蹤式光伏支架實例。這里的彩鋼瓦是采用彩色涂層鋼板，經輥壓冷彎成各種波型的壓型板，適用于工業與民用建筑、倉庫、特種建筑、大跨度鋼結構房屋的屋頂，目前常用的彩鋼瓦有角弛型彩鋼瓦、180度咬合彩鋼瓦、360度咬合彩鋼瓦，該結構的屋頂承載能力受限，但是彩鋼瓦的使用面積很大，屋頂得不到有效利用，而現有技術的光伏支架質量均較大，需要通過大量的受力承載計算，即使在彩鋼瓦屋頂做出一些結構調整，其承載能力仍然無法安裝現有技術的光伏支架，更不用說安裝光伏發電系統了。

發明人首先用螺栓將固定橫桿1在所有屋架主梁上方的多個檁條上固定，用于承載聯動跟蹤式光伏支架結構，按照設計間距(按照太陽能電池板的尺寸進行設計)，將兩根或兩根以上的導軌2平行鋪設并固定在固定橫桿1上。固定橫桿1可以采用輕質的金屬板材或其他的高強度硬質材料等等，這樣增大了屋頂的受力面積，單位面積的承載力提高。

為了使得光伏發電系統的發電效率達到最大，充分利用彩鋼瓦屋頂上部空間，在圖3中，整個彩鋼瓦屋頂安裝有本發明的光伏支架，本實施例的組件框架6可以隨太陽轉動，因此組件單元需要由驅動機構提供動力，同時發明人發現需要解決多個組件單元的同步轉動問題，這也是目前光伏領域的一個技術難題。本發明的組件單元包括組件框架6、滑塊8和連桿9，本實施例中組件框架6按設計間距躺放導軌2上，組件框架6兩邊各連接連桿9的一端，連桿9的另一端連接滑塊8，滑塊8和連桿9以動態三角形形式作用于組件框架6的兩端，相比現有的同步纜繩，同步纜繩為柔性，轉動過程中極容易顫抖，而連桿9剛性強，滑塊8移動更為精確，因此運行時更為平穩，不會產生顫抖現象，使跟蹤太陽的精度更高，使用壽命也更長。

考慮到滑塊8在導軌2內極容易產生滑動，且為了避免相鄰兩排組件單元發生干涉，在滑塊8的行程起始端和終點端均設有限位器10，這里的限位器10不僅起到限位作用，防止組件單元發生移位，而且通過調節限位器10的位置，便于調整組件框架6與屋頂的高度差。

此外，如圖3所示，對于目前的彩鋼瓦屋頂，長度長，寬度大，驅動機構的功率設計滿足單個屋頂的需求，驅動機構設置在導軌2長度方向的任意一側，可以安裝在墻壁上，也可以安裝在地面上，驅動機構包括減速機鏈輪4、曳引纜繩3、傳動鏈5和曳引器12，傳動鏈5繞設在減速機鏈輪4上，減速機鏈輪4帶動傳動鏈5作往復運動，在傳動鏈5的兩端分別連接有兩根曳引纜繩3，兩根曳引纜繩3各配接一個配重7，用于保持傳動鏈5和曳引纜繩3的自動補償張緊力；曳引纜繩3穿設于導軌2內且通過曳引器12與滑塊8鎖緊連接，并在導軌2內將各滑塊8串聯，通過曳引纜繩3的牽引作用，實現組件單元的多個滑塊8同時移動，保證了整個支架的組件單元聯動。

值得說明的是，驅動機構的曳引器12使牽引力分布在各滑塊8上，避免了因某個組件框架6轉動的角度誤差而引起累積誤差的連鎖反應，消除整個組件單元陣列跟蹤失步現象；組件單元可以形成陣列式的排列，陣列最外邊前后兩排組件框架6也能保持同其他排組件框架6一樣角度同步轉動。

在圖2中可以看出，導軌2由方形鋼管制作而成，方形鋼管上開設有槽口，安裝時，槽口垂直朝下；滑塊8包括套接部及與套接部一體成型的連接部，套接部與導軌2相配合，連接部上開設有安裝孔，滑塊8由方形鋼管的端口裝入管內，連接部伸出導軌2；轉軸穿設于安裝孔內，兩端套接連桿9。中空的導軌2既可以承載全部組件單元的重量，也可以作為推動組件單元轉動的滑行道，導軌2的整體結構強度高、質量輕，屋頂的載重小，特別適合彩鋼瓦屋頂；另外，由于方形鋼管內壁光滑，滑塊8所受的滑動摩擦力小，多個滑塊8便于同時移動，有利于實現多個組件單元的同步轉動。

從圖1中還可以看出，為了減小曳引纜繩3與屋檐產生摩擦，損壞曳引纜繩3，延長曳引纜繩3的使用壽命轉角輪11設置在屋檐的轉角處，曳引纜繩3沿著轉角輪11轉過屋檐與傳動鏈5連接；還可根據屋面層數或高低起伏的復雜程度，可多用幾組轉角輪11導向連接，滿足復雜屋面需要。

本實施例的光伏支架的光伏控制器設置于防水配電箱15內，防水配電箱15安裝在地面或墻壁上。驅動機構的減速機鏈輪4以及光伏控制器內具有大量的電元器件，安裝在防水配電箱15內，不受惡劣氣候環境影響，其可靠性得到最大限度的提升，也方便了日常檢修工作。同時發明人通過巧妙地設計，將驅動機構整體設置在墻面或地面上，也減輕了本發明光伏支架的質量，運行穩定，不會造成彩鋼瓦屋頂的振動，這是目前的聯動跟蹤光伏支架無法實現的。

本實施例的風速傳感器安裝在防水配電箱15一側，風速傳感器(圖中未標注)與光伏控制器(圖中未標注)電氣連接，風速傳感器實時測定風速，并將風速測量值輸入光伏控制器，當風速超過臨界值時，光伏控制器控制減速機鏈輪4動作，組件單元躺放下來緊貼在屋頂上，迎風面減小，風阻減小，進一步降低了對光伏支架強度的要求。

此外，也可以將最近幾天的實時天氣預報輸入到光伏控制器上，當風速達到預警值時，或者是檢測到其強度對結構有風險時，在一分鐘內，自動躺放在彩鋼瓦上，不會增加建筑物的風阻。

在本實施例的基礎上，將太陽能電池組件14設置于光伏支架的組件框架6內，即可得到一種屋頂聯動跟蹤光伏發電系統。太陽能電池組件14隨著太陽轉動，將光能轉化為電能，實現太陽能的高效發電。在相同發電效率前提下，本發明的光伏發電系統所使用的太陽能電池板采為目前常用的，同樣達到單晶組件的效率。

實施例2

如圖4所示是本發明在高層建筑屋頂聯動跟蹤式光伏支架結構示意圖。這里的高層建筑屋頂由混凝土澆注而成，在屋頂上鋪設有防水層，一般單個屋頂長度小、寬度窄，從而面積較小，此外，高層建筑屋頂存在高低參差不齊，因此，需要將相鄰的高層建筑屋頂利用起來，或規避高低參差不齊帶來的不利影響，這是目前公開的聯動跟蹤式光伏支架無法解決的技術難題。

本實施例的技術措施是，充分利用建筑物的女兒墻作防風屏障，整個光伏支架低于女兒墻的高度，將三角支撐架13擱置在防水層上，按照設計間距(按照太陽能電池板的尺寸進行設計)，將兩根或兩根以上的導軌2固定在三角支撐架13上。

本實施例的屋頂的聯動跟蹤式光伏支架，在結構上與實施例1結構類似。不同之處在于，曳引纜繩3經轉角輪11轉過屋檐引領到與之相鄰錯層屋頂的其他導軌2內，并與驅動機構相聯，驅動機構安裝在導軌2的中間部位，傳動鏈5的兩端連接曳引纜繩3，在曳引纜繩3配置一個配重7，配重7由屋頂的側面懸掛。

如圖5所示，本實施例的風速傳感器安裝在屋頂上，風速傳感器與光伏控制器電氣連接，風速傳感器實時測定風速，并將風速測量值輸入光伏控制器，也可以將最近幾天的天氣預報輸入到光伏控制器上，當風速達到預警值時，或者是檢測到其強度對結構有風險時，光伏控制器控制減速機鏈輪4動作，在一分鐘內組件單元躺放下來，組件單元所在的平面低于女兒墻，風阻大大減小，進一步降低了對光伏支架強度的要求。

本實施例的屋頂聯動跟蹤式光伏支架可重復無損拆遷安裝，為租賃房頂經營發電系統的投資方減少投資風險，適用于所有建筑屋頂結構的建筑物上建設光伏發電系統。

以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構并不局限于此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬于本發明的保護范圍。