一種太陽追蹤系統的製作方法

2023-05-11 20:01:06 2

本發明屬於太陽追蹤領域，具體涉及一種太陽追蹤系統。

背景技術：

太陽能是地球分布最廣的可再生能源，針對太陽能的光伏發電、光熱利用等光能利用裝置目前已廣泛得到應用。為最大程度提高光伏、光熱裝置接收太陽光照的效率，通常採用追蹤太陽方位角和(或)俯仰角(高度角)的追蹤系統。提供一種簡單、廉價、可靠的太陽追蹤系統具有重要意義。

授權公告號為cn203708178u的專利公開了一種雙軸聯動的定日發電裝置，包括使用電機和渦輪蝸杆減速裝置驅動的可沿水平方向旋轉的方位角支架，以及位於方位角支架上的俯仰角支架，俯仰角支架連接有電機和螺杆結構用於驅動俯仰角支架沿南北方向的轉向發生變化，從而實現同時追蹤太陽方位角和俯仰角的雙軸追蹤目的。

現有的太陽追蹤裝置，電機通常是按照自動控制裝置的指令進行點動式調節，調節不能連續進行；追日過程往往需要電機頻繁啟動，而每次電機啟動均需要克服較大的靜態轉矩，且由於一套電機及減速裝置往往對應多個光伏裝置，造成每次電機啟動時的機械應力較為集中；風力較大時，光伏組件、光熱元件受到風力影響，風力傳遞至渦輪蝸杆減速機構上，容易導致減速機構故障。以上因素導致現有的追日裝置製造成本高、追蹤精度較低、可靠性較差。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種太陽追蹤系統，從而解決現有技術中太陽追蹤系統存在的可靠性低、追蹤精度低、造價高昂的問題。

為實現上述目的，本發明的太陽追蹤系統的技術方案是：

一種太陽追蹤系統，包括用於支撐光能利用裝置的支撐架，還包括供支撐架鉸接的基座，支撐架上於鉸接軸線的至少一側設有浮在液面中並在沉浮時驅動支撐架繞鉸接軸線擺動的浮筒，太陽追蹤系統還包括用於浮筒和外部液面實現液體交換的液體泵，液體泵調節浮筒的重力和浮力變化使支撐架的轉向追蹤太陽的位置變化。

本發明的太陽追蹤系統，改變浮筒內的液體量，浮筒受到的浮力和重力自動平衡，浮筒沒入液體中的深度發生改變，進而帶動支撐架的位置改變，實現對太陽位置變化的追蹤；該太陽追蹤系統結構簡單、運行可靠性好，可通過浮筒內的液量控制實現較高精度的太陽追蹤。

本發明的太陽追蹤系統，還包括為浮筒提供所述液面的外部液箱。外部液箱的體積通常較浮筒大，外部液箱須保證浮筒在一定範圍內的位置變動不受限，浮筒浮於外部液箱內的液體中。

優選的，外部液箱設有蓋板，浮筒通過連接杆與所述支撐架鉸接，蓋板上設有供連接杆穿過的開口，連接杆與開口之間具有間隙以供連接杆在開口內隨支撐架的擺動進行位置調整。為減少外部液箱中的流體蒸發、避免受外界浮塵的汙染，進一步優選的，所述開口與連接杆之間還設有柔性密封機構。柔性密封結構可選擇如密封毛刷等機構。

基座可以設於固定物上，或設於水面浮體上。外部液箱也可以為水面，浮筒浮於水面上，形成水面光伏。

針對水上光伏的情形，所述浮筒設於水面上，所述基座設於水面浮體上或固定物上，浮筒為柱體結構，柱體結構的軸向一端與支撐架連接；浮筒外套設有與水面浮體或固定物連接的浮筒限定圈，浮筒限定圈的內徑略大於浮筒的外徑以使浮筒在浮筒限定圈內對應於支撐架的擺動而擺動。

支撐架上位於鉸接軸線的兩側均設有浮筒，兩側浮筒之間通過雙向計量泵和連接管連接，以供兩側浮筒內的水量相互交換。

所述水面浮體為封閉框體結構，所述支撐架設置在水面浮體形成的封閉框體內。

本發明的太陽追蹤系統在運行時，改變浮筒內的液量，浮筒的重力和所受的浮力自動平衡，進而自動調整浮筒沒入液面中部分的深度，直至浮筒所受的力達到平衡狀態。通過浮筒的沉浮，帶動支撐架圍繞基座鉸接處轉動，進而實現支撐架轉動。

通常，支撐架的重心通常布置於支撐架和基座間的鉸接處，在不受外力的情況下，支撐架及其上支撐物處於平衡狀態，當浮筒在液面中的沒入深度處於穩定狀態下，支撐架和浮筒之間的相互作用力很小。只考慮浮筒受重力和浮力、浮筒內外的液體相同、忽略浮筒筒身重量的情況下，浮筒內外的液體液位相同。或者說，改變浮筒沒入液體中的深度，外部液箱內液體的液位基本維持不變。浮筒沒入外部液箱中的深度和浮筒內的液量相關。

浮筒的橫截面尺寸選擇對於支撐架轉向過程中的阻尼特性有直接影響。浮筒的橫截面面積越大，所需要的液體改變量越大，相應地，系統的阻尼越大。由於支撐架上的支撐物會受到外力影響，特別是很容易受到風力影響。當支撐架受到風力作用時，通過改變浮筒沒入液體中的深度變化，可以比較好地減小或避免風力對於裝置的破壞作用。合適的浮筒橫截面的選擇，有助於在較小的風力情況下，支撐架轉向位置基本不發生改變；當風力較大時，支撐架適當地擺動，能夠有效消解風力的破壞作用。

浮筒的上升和下降可通過雙向計量泵進行控制。浮筒和外部液箱間經雙向計量泵連接。雙向計量泵從外部液箱向浮筒內注入流體時，浮筒的重力上升，浮筒下沉，浮筒受到的浮力上升，進而帶動支撐架相應轉動。雙向計量泵將浮筒內的流體排出至外部液箱內時，浮筒的重力下降，浮筒上升，浮筒受到的浮力下降，進而帶動支撐架相應轉動。

雙向計量泵的運轉根據控制系統給出的運轉方向、流量值進行調整，進而滿足支撐架的轉向角度需要。支撐架繞鉸接軸線東西向擺動的情況下，用於太陽方位角追蹤；支撐架繞鉸接軸線南北向擺動的情況下，用於太陽俯仰角追蹤。控制系統可以根據當前的時間值，給出太陽追蹤系統的設定方位角(或俯仰角)，和實際測得的支撐架方位角(俯仰角)進行比較，根據差值調整雙向計量泵的運轉參數。

所述太陽追蹤系統也可通過以下方案實現方位角和俯仰角的雙軸追蹤：

所述太陽追蹤系統還包括擺動架，擺動架的擺動軸線與支撐架的擺動軸線垂直，所述基座設於擺動架上。進一步優選的，所述擺動架包括沿平行於支撐架的擺動軸線方向間隔設置的至少兩個配重浮箱，各配重浮箱之間通過雙向計量泵和連接管連接。

各配重浮箱內的水量相互交換，引起重力或浮力變化，驅動擺動架沿其擺動軸線擺動。

所述光能利用裝置為雙面發電光伏組件或雙玻光伏組件。雙面發電光伏組件或雙玻光伏組件可以充分利用水面反光，提高組件的光照強度。

本發明的太陽追蹤系統可以用於光伏發電、光熱集熱裝置等，提高裝置的光能利用率。該太陽追蹤系統，結構簡單，裝備製造成本低廉，追蹤精度高，運行穩定可靠，易於實現太陽方位角和/或俯仰角的精確追蹤。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的太陽追蹤系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例1的支撐架在浮筒內不同液量下的轉向示意圖；

圖3為本發明實施例2的太陽追蹤系統(水面光伏)的結構示意圖；

圖4為本發明實施例2的支撐架在浮筒內不同水量下的轉向示意圖；

圖5為本發明實施例3的太陽追蹤系統(水面光伏)的結構示意圖；

圖6為本發明實施例4的太陽追蹤系統(水面光伏)的結構示意圖；

圖7為本發明實施例5的太陽追蹤系統(水面光伏)的結構示意圖；

圖8為本發明實施例6的太陽追蹤系統(水面光伏)的結構示意圖；

圖9為本發明實施例7的太陽追蹤系統(水面光伏)的結構示意圖；

圖10為本發明中用於方位角追蹤的系統控制框圖；

圖11為本發明中用於俯仰角追蹤的系統控制框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明。

本發明的太陽追蹤系統的實施例1，如圖1所示，包括用於支持光伏組件1的支撐架2，以及供支撐架2鉸接的設於地面基礎41上的支撐柱4，支撐架2上位於支撐架鉸接軸線的一側設有浮筒5，浮筒5浮於外部液箱8的液面中，外部液箱8設有蓋板，浮筒5通過剛性連接杆6與支撐架2鉸接，浮筒和連接杆之間鉸接，以在外部液箱的內徑適當大於浮筒的外徑的情況下，浮筒可在外部液箱內上下活動；蓋板上設有供剛性連接杆穿過的開口，連接杆與開口之間具有間隙以供連接杆在開口內有一定活動範圍，連接杆與開口之間設置密封毛刷9以實現柔性密封；外部液箱8上還設有用於浮筒和外部液箱內的液體互換的雙向計量泵7，雙向計量泵7的一端通過內連接管70與浮筒內的液體接觸，另一端通過外連接管71與外部液箱內的液體接觸。

實施例1中，支撐架在浮筒內不同液體量下的轉向示意圖如圖2所示，改變浮筒內的液體量，浮筒在重力、浮力的共同作用下，改變沒入水中的深度，帶動支撐架轉向，支撐架上受到的力矩保持動態平衡；左圖為浮筒內的液體量保持支撐架水平狀態的結構示意圖；中圖中，通過雙向計量泵減少浮筒中的液體量，浮筒上升，浮筒所受浮力減小，浮力減小量與浮筒內液體的減少量一致，帶動支撐架繞擺動軸線向上運動，直至達到力矩平衡；右圖中，通過雙向計量泵增加浮筒中的液體量，浮筒下沉，浮筒所受浮力增大，浮力增加量與浮筒內液體的增加量基本一致，帶動支撐架繞擺動軸線向下運動，直至達到力矩平衡。實施例1的太陽追蹤系統在運行過程中，可以控制雙向計量泵連續運轉，根據控制系統的指令微調計量泵的轉速，來實現高追蹤精度的追蹤過程。

本發明的太陽追蹤系統的實施例2，用於水面光伏追蹤太陽，如圖3所示，包括用於支持光伏組件1的支撐架2，支撐架2與設於水面浮體3上的支撐柱4鉸接，支撐架2上位於支撐柱4的一側設有與水接觸的浮筒5，浮筒5通過剛性連接杆6與支撐架2鉸接，浮筒5外套設有浮筒限定圈50，浮筒限定圈50連接於水面浮體3上以限定浮筒5的運動方向，浮筒5上還連接有用於與浮筒內的水接觸的內連接管70、雙向計量泵7、用於與外部水接觸的外連接管71，用於浮筒內的水泵出或外部水泵入。實施例2可以認為是實施例1的一種特例，以水面替代外部液箱，以水面上的浮體(或固定物)作基座。

實施例2中，支撐架在浮筒內不同水量下的轉向示意圖如圖4所示，改變浮筒內的水量，浮筒在重力、浮力的共同作用下，改變沒入水中的深度，帶動支撐架轉向，支撐架上受到的力矩保持動態平衡；左圖為浮筒內的水量保持支撐架水平狀態的結構示意圖；中圖中，通過雙向計量泵減少浮筒中的水量，浮筒上升，帶動支撐架繞擺動軸線向上運動，直至達到力矩平衡；右圖中，通過雙向計量泵增加浮筒中的水量，浮筒下沉，浮筒所受浮力增大，浮力增加量與浮筒內水量的增加量基本一致，帶動支撐架向下運動，直至達到力矩平衡。

本發明的水面光伏追蹤系統的實施例3，如圖5所示，水面浮體3圍成左、右兩處矩形水面8，支撐架2與設於水面浮體3上的支撐柱鉸接，支撐架包括與擺動軸線垂直的橫向支撐梁20和支撐架邊框21，橫向支撐梁上位於擺動軸線的一側上設有浮筒5、浮筒限定圈50和雙向計量泵7，浮筒限定圈50套設於浮筒5外並連接於水面浮體3上。

本發明的水面光伏追蹤系統的實施例4，如圖6所示，與實施例2的區別在於，支撐架2的兩側分別設有第一浮筒500和第二浮筒501，第一浮筒500和第二浮筒501之間通過連接管700和雙向計量泵7連接，以實現第一浮筒500和第二浮筒501內的水量循環使用。該實施例中，若浮筒採用密閉結構，可進一步在浮筒頂部之間設置通氣管，以保持兩側浮筒內的氣壓一致。浮筒和支撐架之間可以採用柔性的連接索替代連接杆，採用連接索方式下，由於兩側浮筒提供了轉向相反的力矩，且保持平衡狀態，連接索運行中保持繃緊狀態，當支撐架受風力等因素影響發生偏轉時，總有一側浮筒提供和支撐架偏轉相反的力矩，能夠保持支撐架穩定。

本發明的水面光伏追蹤系統的實施例5，如圖7所示，與實施例2的區別在於，支撐柱4設於水底樁基40上，形成固定物支撐，浮筒限定圈50連接於支撐柱4上。考慮到適應水面水位變化的影響，相較於採用水面浮體做基座方式，浮筒的上下方向的長度要更長，相應地，運行過程中，高水位時，浮筒內的水量更多，低水位時，浮筒內的水量更少。

本發明的水面光伏追蹤系統的實施例6，如圖8所示，矩形水面8上，多個支撐架2串聯設置，具有共同的擺動軸線，各個支撐架上均設有浮筒，各浮筒5之間通過通水管700相互連通以實現浮筒的重力或浮力狀態相同，其中一個浮筒上設有雙向計量泵7以控制各浮筒內的水量。

本發明的水面光伏追蹤系統的實施例7，如圖9所示，包括沿南北方向間隔設置的南側配重浮箱100、北側配重浮箱101，南側配重浮箱100、北側配重浮箱101之間通過俯仰角雙向計量泵110和連接管連接，南側配重浮箱100、北側配重浮箱101上分別設置支撐柱，還包括用於支撐光伏組件的支撐架2，支撐架2與支撐柱鉸接，南側配重浮箱100、北側配重浮箱101內的水量變化引起支撐架在南北方向俯仰擺動；南側配重浮箱100、北側配重浮箱101通過系留纜繩13固定於水面浮體上，系留纜繩處於繃緊狀態。當水面水位變化時，水面浮體和南北側配重浮筒之間的相對位置關係沒有改變，對於系留纜繩的狀態沒有影響，無須調整系留纜繩的狀態。

位於支撐架東西軸線的東側上設置方位角配重浮筒12、方位角雙向計量泵111，具體連接結構可參考實施例2，方位角水桶內的水量變化引起支撐架在東西方向轉動；通過控制方位角浮筒、南側配重浮箱100、北側配重浮箱101內的水量變化實現方位角和俯仰角的雙軸追蹤。

實施例1～實施例7中，用於方位角控制和俯仰角控制的系統框圖如圖10和圖11所示，圖10的方位角追蹤控制中，設定的控制方位角由當前時間計算得到，作為前饋，實測的方位角作為反饋，和控制方位角比較，修正雙向計量泵的流速值即可。圖11的俯仰角追蹤控制中，設定的控制俯仰角由當前時間計算得到，作為前饋；實測的俯仰角作為反饋，和控制俯仰角比較，若使用連續調節方式，修正雙向計量泵的流速值；若使用間歇式調節，則當偏差達到設定值以上時，啟動雙向計量泵，雙向計量泵按照給定的運轉時間長度、運轉方向進行一次泵送。考慮到俯仰角的變化速度非常緩慢，優選地，採用間歇式調節，相應地，雙向計量泵可以選擇為雙向泵即可，泵送液體的時間間隔、運轉時間長度由控制裝置調整。

實施例1～實施例7中，支撐架的擺動軸線沿南北方向延伸，支撐架沿東西方向轉動，形成方位角追蹤裝置；或者支撐架的擺動軸線沿東西方向延伸，支撐架沿南北方向轉動，形成俯仰角追蹤裝置。

其他實施例中，可通過上下設置擺動軸線相互垂直的方位角支架、俯仰角支架(或俯仰角支架、方位角支架)來實現雙軸跟蹤，俯仰角支架與基座鉸接，俯仰角支架上設有用於調節俯仰角支架轉向的俯仰角浮筒和雙向計量泵；方位角支架鉸接於俯仰角支架上的支持物上，方位角支架上設置用於調節方位角支架轉向的方位角浮筒和雙向計量泵，即可實現俯仰角和方位角的雙軸追蹤。浮筒的形狀可以為箱體或其他形狀；基座與支撐架的鉸接點可位於支撐架的端部。