專利名稱：一種太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能發(fā)電技術(shù)，特別是一種占地面積較廣的大型太陽能電 站的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。
二背景技術(shù)：
我們知道，只有太陽光線直射太陽能電池板時(shí)，電池板才能獲得最大的電 能輸出。為了提高太陽能電池板發(fā)電的效率，使用太陽能跟蹤支架系統(tǒng)是一個(gè) 很有效的選擇。它的功能是使太陽能電池陣列表面隨著太陽在天空運(yùn)動(dòng)而自動(dòng) 跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)，盡量使其保持垂直面對(duì)太陽。目前，太陽能跟蹤系統(tǒng)的太陽能電池 板支架通常采用的單軸結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的太陽能電池板安裝方式為平板式，即所有 電池板全部固定在一個(gè)大的水平框架上。傳統(tǒng)的單軸系統(tǒng)存在以下三個(gè)方面的 問題
問題一、由于單軸系統(tǒng)只能在東西(經(jīng)度)方向轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤太陽，通常的單 軸平板系統(tǒng)太陽能電池板是水平固定的，只有在夏至前后效果最佳，其它季節(jié) 會(huì)由于太陽光南北向的偏移角逐漸變大，而造成陽光的損失。同時(shí)，其寬大的 迎風(fēng)面積將形成很大的風(fēng)荷載，為抗拒大風(fēng)的破壞，必須增加結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度要 求，從而使耗材上升，成本增加。 .
問題二、單軸系統(tǒng)在大面積連排安裝時(shí)，由于考慮到土地占用因素，機(jī)架 之間允許的間隔不可能太大，因此在跟蹤過程中會(huì)有陰影遮擋(見下圖)，造成 部分太陽能組串開路而影響電量的產(chǎn)出。
問題三、由于單軸系統(tǒng)為多立柱支撐結(jié)構(gòu)，目前傳統(tǒng)的單軸系統(tǒng)通常采用 的固定式軸承座只能在平地上安裝整體機(jī)架，不能適應(yīng)高低不平和不同坡度的 山區(qū)復(fù)雜地形上大量安裝使用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，不但能適應(yīng)高低不平和 不同坡度的山[只:復(fù)雜地形，而且能有效提高太陽能發(fā)電效率，有效抗拒大風(fēng) 破壞，提高安全性，節(jié)約有限的資源。
具休為
一種太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，是由太陽能電池板、電池板托架、萬向節(jié)軸 承座、機(jī)架、橫梁、電機(jī)傳動(dòng)軸、電動(dòng)頂桿、控制電路、自動(dòng)跟蹤控制模塊 等構(gòu)成。
其中，多塊太陽能電池板通過可調(diào)整角度的電池板托架呈"魚鱗狀"分 別固定在機(jī)架上。使太陽能電池板與水平的夾角等于太陽光線在春分或秋分 時(shí)節(jié)照射到地球表面的垂直偏角(如云南石林地區(qū)為24度)，因?yàn)樵摻嵌日?顧到了春、冬、秋三季，它的年平均吸收的能量最多。同時(shí)，由于電池板托 架角度可調(diào)整，使機(jī)架可以安裝在帶坡度的復(fù)雜地面(通過調(diào)節(jié)托架角度可 使太陽能板角度達(dá)到最佳的耍求)。
"魚鱗"狀電池板托架結(jié)構(gòu)可以較大的分散風(fēng)帶來的阻力，從而可以大幅 度降低支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，有效提高安全性。
萬向節(jié)軸承座固定于機(jī)架的各立柱頂端，萬向節(jié)軸承座上的n字形支承 帽與橫梁固定，橫梁是通過電動(dòng)頂桿的伸縮，使電池板托架沿水平方向跟蹤 旋轉(zhuǎn)。由于通過萬向節(jié)軸承座結(jié)構(gòu)，其連接角度和方向在一定范圍內(nèi)均為任 意。因此整個(gè)機(jī)架安裝在高低不平的坡地時(shí)，橫梁與機(jī)架的立柱之間的"軟" 連接可以自動(dòng)適應(yīng)而不用任何結(jié)構(gòu)的"硬"修改。
自動(dòng)跟蹤控制模塊包括"陰影規(guī)避"系統(tǒng)處理模塊，其工作原理
在各機(jī)架陣列間允許的最大間距情況下，采取一定的跟蹤控制算法，使 太陽能板最大限度獲得太陽能量。下面以機(jī)架之間可予留的最大距離D為太
陽能電池面板寬度L的V2倍，即允許太陽能電池面板與太陽光線垂直時(shí)， 太陽光線與水平線的夾角為45度為例，來計(jì)算每天跟蹤控制程序。 為描述跟蹤程序方便，把每天分為7個(gè)時(shí)間點(diǎn)To:中天時(shí)；(太陽光線與東西方向水平線垂直的時(shí)間) '「1:日出時(shí)間。
h:開始陰影規(guī)避跟蹤控制時(shí)間。
T3:東面太陽光線與水平線的夾角為45度時(shí)間。
T4:西面太陽光線與水平線的夾角為45度時(shí)間。 T5:結(jié)束陰影規(guī)避跟蹤控制蹤時(shí)間。 'IV.日落，開始收帆時(shí)間。
各時(shí)段的控制動(dòng)作描述
T卜T2:控制系統(tǒng)無動(dòng)作，太陽能電池面板仍處于收帆角度。此階段各跟蹤 支架的電池面板會(huì)有一些陰影，但由于每天清晨這一小段時(shí)間(約一小時(shí)) 里太陽光線很弱。本身就不足以使太陽能電池板達(dá)到逆變器的輸出(產(chǎn)出)電 量的閾值。所以，此時(shí)的陰影的影響可忽略不計(jì)。
T2 T3:啟動(dòng)影陰影規(guī)避控制，始啟動(dòng)時(shí)間T2，此時(shí)太陽能電池板與水平 線夾角為11度(前一天的收帆角度)；從T2時(shí)間開始，每次將太陽能電池面板 向逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度。從11度的收帆狀態(tài)開始調(diào)節(jié)到太陽能電池板與水平線 夾角45度，時(shí)間至T3;此時(shí)太陽光線與水平線夾角為45度。
此時(shí)段調(diào)節(jié)次數(shù)KiK45-ll)度/2度=17次；
每次調(diào)節(jié)時(shí)間間隔P二2度/S:8分；〔S:太陽運(yùn)行速度，以下同)
也就是每隔8分向逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度。
T3 T4:從T3時(shí)間開始，太陽能電池面板將向順時(shí)針方向進(jìn)行跟蹤。每次將 太陽能電池板向順時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度，從東45度的開始一直調(diào)節(jié)到西45度為 止，中間經(jīng)過中天時(shí)，直至?xí)r間T4 ;此時(shí)太陽光線與水平線夾角為45度。
此時(shí)段調(diào)節(jié)次數(shù)K2二90度/2度二 45次
每次調(diào)節(jié)時(shí)間間隔P :28分
也就是每隔8分向順時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度。
T4 T5:從T4開始，從西45度開始逆時(shí)針調(diào)節(jié)到11度；每次將太陽能電池 面板向逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度， 一直調(diào)節(jié)到11度(與水平線夾角)，直至?xí)r間Ts 。 此時(shí)段調(diào)節(jié)次數(shù)K3 =(45-11)/2:-17次每次調(diào)節(jié)時(shí)間間隔P二2度/S-:8分 也就是每隔8分向逆時(shí)針力向調(diào)節(jié)2度。
Ts Te: T5時(shí)間到太陽落山時(shí)間Ts中間這^小段時(shí)間(約一小時(shí))里太陽光 線很弱，本身就不足以使太陽能電池板達(dá)到逆變器的輸出(產(chǎn)出)電量的閾值。 所以，此時(shí)的陰影的影響可忽略不計(jì)。
Te: Te時(shí)間以后開始收帆，從西11度調(diào)節(jié)到到東11度。從Te以后，將太陽 能電池面板從西11度(與水平線夾角)逆時(shí)針方向連續(xù)調(diào)節(jié)到東1]度收帆狀 態(tài)為止?？偣舱{(diào)節(jié)角度為22度。
時(shí)間計(jì)算
為了實(shí)現(xiàn)以上定義的控制動(dòng)作，下面介紹具體計(jì)算步驟
A. 計(jì)算太陽運(yùn)行速度(單位度/分鐘)
太陽運(yùn)行速度S = 180度/720分鐘=0. 25度/分鐘
B. 計(jì)算啟動(dòng)陰影規(guī)避控制時(shí)間T2
T2=To— (45度/0.25) — (45—11)度/0. 25 =To — 3小時(shí)一136分鐘 =To— 5小時(shí)16分
C. 計(jì)算時(shí)間T3
T3= (45度/0.25) = To — 3小時(shí)
D. 計(jì)算時(shí)問T4
T4=To+ (45度/0.25) = To + 3小時(shí)
E. 計(jì)算時(shí)間T5
T5= TQ+ (45度/ 0.25) + (45 — 11)度/0. 25 =To + 3小時(shí)+ 136分鐘 =To + 5小時(shí)16分 F.時(shí)間To:中天時(shí)；即每天太陽光線與東西方向水平線垂直的時(shí)間。 每一天的時(shí)間To 、 L、 T6 ,可從控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中天文資料庫里查找并 由控制中心自動(dòng)更新。
通過以上計(jì)算而形成的一套綜合控制技術(shù)，并由此而編制成陰影規(guī)避系統(tǒng)程序處理模塊。
本發(fā)明通過巧妙的單軸"魚鱗狀"太陽能電池板以及"^字形"支承帽、 萬向節(jié)軸承座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適用于多支柱軸支架，在復(fù)雜山坡地形安裝，支架重 心卜_移、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。使系統(tǒng)能在高低崎嶇不平的山區(qū)坡地也能采用單軸跟蹤系 統(tǒng)來建設(shè)太陽能發(fā)電站，從而達(dá)到對(duì)于復(fù)雜安裝地形總能使太陽能電池板獲得 盡可能多的太陽幅射能量，提高了跟蹤效率。并對(duì)于單軸"魚鱗狀"太陽能電 池板相應(yīng)結(jié)構(gòu)要求，有效提高了硬件抗風(fēng)能力，降低風(fēng)阻所帶來的材料損耗， 增強(qiáng)安全性和適應(yīng)性。再配以獨(dú)特的"陰影規(guī)避"系統(tǒng)處理功能，有效避免機(jī) 架上電池板相互間陰影遮擋造成的能量損失，使太陽能電池板獲得最大的電能 輸出，不但大幅度提高太陽能發(fā)電效率，而且顯著提高了太陽能跟蹤系統(tǒng)的適 應(yīng)能力，比現(xiàn)有太陽能跟蹤系統(tǒng)節(jié)省土地占用約50%左右，節(jié)約了有限的資源。
四

圖1為本發(fā)明的流程框圖
圖2為本發(fā)明的單軸"魚鱗狀"光伏電池板(1)安裝結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為本發(fā)明的萬向節(jié)軸承座(5)結(jié)構(gòu)示意圖 圖4為本發(fā)明的"陰影規(guī)避"技術(shù)原理示意圖 圖5為本發(fā)明的"陰影規(guī)避"技術(shù)的時(shí)段動(dòng)作示意圖 圖6為本發(fā)明的系統(tǒng)原理示意圖
五具體實(shí)施例方式
一種太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是由太陽能電池板(1)、電池板托架(3)、支柱 (2)、電動(dòng)頂桿(4)、萬向節(jié)軸承座(5)、橫梁(6)、控制電路和自動(dòng)跟蹤控 制模塊組成。
其屮，多塊太陽能電池板(1)通過可調(diào)整角度的電池板托架(3)呈"魚 鱗狀"分別固定在機(jī)架的各支柱(2)上，構(gòu)成"魚鱗狀"太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)機(jī)架。
萬向節(jié)軸承座(5)固定于機(jī)架的各支柱(2)頂端，萬向節(jié)軸承座(5)上
的兀字形支承帽與橫梁(6)固定，橫梁(6)是通過電動(dòng)頂桿(4)的伸縮， 使電池板托架(3)沿水平方向跟蹤旋轉(zhuǎn)。從而使系統(tǒng)支架能在高低不平的山
區(qū)坡地形下實(shí)施安裝。
跟蹤控制的實(shí)施方式
控制系統(tǒng)由控制電路、跟蹤控制模塊等構(gòu)成。
其屮，控制電路又由控制中心、分區(qū)控制器、前端控制器、電動(dòng)頂桿組成。 其中控制中心是整個(gè)太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的大腦，能夠?qū)崟r(shí)顯示整個(gè)控制區(qū)域 內(nèi)全部太陽矩陣各機(jī)架的實(shí)時(shí)狀態(tài)。包括運(yùn)行姿態(tài)，當(dāng)前電池面板實(shí)時(shí)角度， 太陽的時(shí)時(shí)狀態(tài)(照度)，當(dāng)天日出日落時(shí)間，控制系統(tǒng)各硬件設(shè)備的工作狀態(tài) 等。能將根據(jù)從數(shù)據(jù)庫中獲取的天文信息，制定出春夏秋冬不同時(shí)節(jié)太陽能電 池板的姿態(tài)控制數(shù)據(jù)，下達(dá)各控制前端實(shí)施自動(dòng)跟蹤控制。其分區(qū)控制器在控 制系統(tǒng)中是一個(gè)承上啟下作用。總控平臺(tái)通過它定時(shí)定期發(fā)布新的控制程序和 狀態(tài)輪詢命令。前端控制器通過它上傳狀態(tài)和告警信息；在分區(qū)控制器與控制 中心通信中斷時(shí)，能獨(dú)立控制前端控制器的工作。其前端控制器主要作為跟蹤 系統(tǒng)的前端驅(qū)動(dòng)單元和狀態(tài)信息采集單元。具體完成控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)頂桿的電 機(jī)；收集跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)信息，如發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)向控制中心告警。其電動(dòng)頂桿在 前端控制器驅(qū)動(dòng)下，完成對(duì)太陽能跟蹤機(jī)架的跟蹤控制。
自動(dòng)跟蹤控制模塊包括"陰影規(guī)避"系統(tǒng)處理模塊，其工作原理已在前 詳述，通過陰影規(guī)避控制程式計(jì)算而形成的一套綜合控制技術(shù)，并由此而編 制成陰影規(guī)避系統(tǒng)處理模塊，作為整個(gè)控制系統(tǒng)的基木控制程序，來完成系 統(tǒng)的跟蹤控制。
權(quán)利要求
1、一種太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，是由太陽能電池板、機(jī)架、橫梁、電機(jī)傳動(dòng)軸、控制電路、跟蹤控制模塊構(gòu)成，其特征在于硬件還包括電池板托架(3)、萬向節(jié)軸承座(5)，其中，多塊太陽能電池板(1)通過電池板托架(3)呈“魚鱗狀”分別固定在機(jī)架的橫梁(6)上；萬向節(jié)軸承座(5)固定于機(jī)架的各支柱(2)頂端，萬向節(jié)軸承座(5)上的π字形支承帽與橫梁(6)固定，橫梁(6)是通過電動(dòng)頂桿(4)的伸縮，使電池板托架(3)沿水平方向跟蹤旋轉(zhuǎn)。自動(dòng)跟蹤控制模塊還包括“陰影規(guī)避”系統(tǒng)處理模塊，其工作原理在各機(jī)架陣列間允許的最大間距情況下，采取一定的跟蹤控制算法，使太陽能板最大限度獲得太陽能量。下面以機(jī)架之間可予留的最大距離D為太陽能電池面板寬度L的√2倍，即允許太陽能電池面板與太陽光線垂直時(shí)，太陽光線與水平線的夾角為45度為例，來計(jì)算每天的跟蹤控制程序。為描述跟蹤程序方便，把每天分為7個(gè)時(shí)間點(diǎn)T0中天時(shí)；(太陽光線與東西方向水平線垂直的時(shí)間)T1日出時(shí)間。T2開始陰影規(guī)避跟蹤控制時(shí)間。T3東面太陽光線與水平線的夾角為45度時(shí)間。T4西面太陽光線與水平線的夾角為45度時(shí)間。T5結(jié)束陰影規(guī)避跟蹤控制蹤時(shí)間。T6日落，開始收帆時(shí)間。各時(shí)段的控制動(dòng)作描述T1～T2控制系統(tǒng)無動(dòng)作，太陽能電池面板仍處于收帆角度。此階段各跟蹤支架的電池面板會(huì)有一些陰影，但由于每天清晨這一小段時(shí)間(約一小時(shí))里太陽光線很弱。本身就不足以使太陽能電池板達(dá)到逆變器的輸出(產(chǎn)出)電量的閾值。所以，此時(shí)的陰影的影響可忽略不計(jì)。T2～T3啟動(dòng)影陰影規(guī)避控制，始啟動(dòng)時(shí)間T2，此時(shí)太陽能電池板與水平線夾角為11度(前一天的收帆角度)；從T2時(shí)間開始，每次將太陽能電池面板向逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度。從11度的收帆狀態(tài)開始調(diào)節(jié)到太陽能電池板與水平線夾角45度，時(shí)間至T3；此時(shí)太陽光線與水平線夾角為45度。此時(shí)段調(diào)節(jié)次數(shù)K1＝(45-11)度/2度＝17次；每次調(diào)節(jié)時(shí)間間隔P＝2度/S＝8分；(S太陽運(yùn)行速度，以下同)也就是每隔8分向逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度。T3～T4從T3時(shí)間開始，太陽能電池面板將向順時(shí)針方向進(jìn)行跟蹤。每次將太陽能電池板向順時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度，從東45度的開始一直調(diào)節(jié)到西45度為止，中間經(jīng)過中天時(shí)，直至?xí)r間T4；此時(shí)太陽光線與水平線夾角為45度。此時(shí)段調(diào)節(jié)次數(shù)K2＝90度/2度＝45次每次調(diào)節(jié)時(shí)間間隔P＝2度/S＝8分也就是每隔8分向順時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度。T4～T5從T4開始，從西45度開始逆時(shí)針調(diào)節(jié)到11度；每次將太陽能電池面板向逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度，一直調(diào)節(jié)到11度(與水平線夾角)，直至?xí)r間T5。此時(shí)段調(diào)節(jié)次數(shù)K3＝(45-11)/2＝17次每次調(diào)節(jié)時(shí)間間隔P＝2度/S＝8分也就是每隔8分向逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)2度。T5～T6T5時(shí)間到太陽落山時(shí)間T6中間這一小段時(shí)間(約一小時(shí))里太陽光線很弱，本身就不足以使太陽能電池板達(dá)到逆變器的輸出(產(chǎn)出)電量的閾值。所以，此時(shí)的陰影的影響可忽略不計(jì)。T6T6時(shí)間以后開始收帆，從西11度調(diào)節(jié)到到東11度。從T6以后，將太陽能電池面板從西11度(與水平線夾角)逆時(shí)針方向連續(xù)調(diào)節(jié)到東11度收帆狀態(tài)為止。總共調(diào)節(jié)角度為22度。時(shí)間計(jì)算為了實(shí)現(xiàn)以上定義的控制動(dòng)作，下面介紹具體計(jì)算步驟A. 計(jì)算太陽運(yùn)行速度(單位度/分鐘)太陽運(yùn)行速度S＝180度/720分鐘＝0.25度/分鐘B. 計(jì)算啟動(dòng)陰影規(guī)避控制時(shí)間T2T2＝T0—(45度/0.25)—(45—11)度/0.25＝T0—3小時(shí)—136分鐘＝T0—5小時(shí)16分C. 計(jì)算時(shí)間T3T3＝(45度/0.25)＝T0—3小時(shí)D. 計(jì)算時(shí)間T4T4＝T0+(45度/0.25)＝T0+3小時(shí)E. 計(jì)算時(shí)間T5T5＝T0+(45度/0.25)+(45—11)度/0.25＝T0+3小時(shí)+136分鐘＝T0+5小時(shí)16分F. 時(shí)間T0每一天的中天時(shí)；即每天太陽光線與東西方向水平線垂直的時(shí)間。每一天的時(shí)間T0、T1、T6，可從控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中天文資料庫里查找并由控制中心自動(dòng)更新。通過以上計(jì)算而形成的一套綜合控制技術(shù)，并由此而編制成陰影規(guī)避系統(tǒng)程序處理模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開一種太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，硬件通過巧妙的單軸“魚鱗狀”太陽能電池板(1)以及萬向節(jié)軸承座(5)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適用于多支柱軸支架，在復(fù)雜山坡地形安裝，支架重心下移、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。使系統(tǒng)能在高低崎嶇不平的山區(qū)坡地也能采用單軸跟蹤系統(tǒng)來建設(shè)太陽能發(fā)電站，從而達(dá)到對(duì)于復(fù)雜安裝地形總能使太陽能電池板獲得盡可能多的太陽幅射能量，提高了跟蹤效率。并有效提高了硬件抗風(fēng)能力，降低風(fēng)阻所帶來的材料損耗，增強(qiáng)安全性和適應(yīng)性。再配以獨(dú)特的“陰影規(guī)避”系統(tǒng)處理功能，避免機(jī)架上電池板相互間陰影遮擋造成的能量損失，使太陽能電池板獲得最大的電能輸出，不但大幅度提高太陽能發(fā)電效率，而且顯著提高了太陽能跟蹤系統(tǒng)的適應(yīng)能力，比現(xiàn)有太陽能跟蹤系統(tǒng)節(jié)省土地占用約50％左右，節(jié)約了有限的資源。
文檔編號(hào)G05D3/00GK101521478SQ20091009429
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者傅其中, 銳 曹, 汪福才 申請(qǐng)人:昆明綠電科技有限公司