本發(fā)明涉及新能源太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤陽(yáng)光最佳入射角的光伏支架。

背景技術(shù)：

對(duì)于固定在地面的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置，太陽(yáng)的光照角度時(shí)刻都在變化，在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，太陽(yáng)直射光線與面板法線之間的夾角稱(chēng)為入射角，如圖1所示，如果太陽(yáng)能電池板能夠時(shí)刻正對(duì)太陽(yáng)，即始終保持光線最佳入射角，那么可大量提高太陽(yáng)輻射量，增大光電轉(zhuǎn)換率，從而使得發(fā)電效率達(dá)到最佳狀態(tài)。

目前，太陽(yáng)能光伏面板框架可采用固定式光伏系統(tǒng)、單軸追蹤系統(tǒng)、雙軸追蹤系統(tǒng)等。固定式光伏系統(tǒng)和單軸追蹤系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)決定了只有部分時(shí)刻能形成光線最佳入射角，因此沒(méi)有充分地利用太陽(yáng)輻射能。而雙軸追蹤系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)全方位的跟蹤，但是其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在著高能耗、高成本及占地面積大等缺陷。另外，以上三種系統(tǒng)太陽(yáng)能電池板表面均受自然因素影響，如自然環(huán)境所產(chǎn)生的風(fēng)沙、灰塵、霜、雪等落其表面后，必然會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板裝置發(fā)電效率降低，甚至出現(xiàn)不能轉(zhuǎn)換發(fā)電的問(wèn)題；為此，需要在現(xiàn)場(chǎng)常駐清掃人員，不間斷地開(kāi)展太陽(yáng)能電池板清理，從而造成人力成本增加、人員清掃困難以及人力資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述現(xiàn)有的太陽(yáng)能光伏面板框架對(duì)太陽(yáng)光線跟蹤效果差，或存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，提供一種按最佳入射角追蹤陽(yáng)光并自動(dòng)清掃面板的光伏支架，該光伏支架具備不同經(jīng)緯度、時(shí)間節(jié)氣的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，確保太陽(yáng)光以最佳入射角照射到太陽(yáng)能電池板上。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤陽(yáng)光最佳入射角的光伏支架，包括：立柱、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置、仰角斜軸、固定架、固定架動(dòng)力裝置和旋轉(zhuǎn)控制單元；所述的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置支撐于立柱的頂部，所述的仰角斜軸固定于旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置上，該仰角斜軸的一端設(shè)有固定架動(dòng)力裝置，所述的固定架沿仰角斜軸的軸線方向搭設(shè)于仰角斜軸的上方，用于固定太陽(yáng)能電池板；所述的旋轉(zhuǎn)控制單元連接旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置和固定架動(dòng)力裝置，該旋轉(zhuǎn)控制單元通過(guò)設(shè)定的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡控制旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置和固定架動(dòng)力裝置分別執(zhí)行仰角斜軸的仰角轉(zhuǎn)動(dòng)和固定架的方位角轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽(yáng)光線保持垂直入射在太陽(yáng)能電池板上。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，還包括清掃裝置；所述的清掃裝置包括：毛刷、兩條毛刷滑軌、兩套機(jī)械開(kāi)關(guān)和擋板；所述的兩條毛刷滑軌設(shè)置于固定架的其中兩條相對(duì)邊上，所述的兩套機(jī)械開(kāi)關(guān)以仰角斜軸為中心對(duì)稱(chēng)設(shè)置于固定架的另外兩條相對(duì)邊之間，所述的擋板架設(shè)于仰角斜軸上，使得擋板因機(jī)械開(kāi)關(guān)隨固定架轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的角度而擠壓或松開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，進(jìn)而觸發(fā)該機(jī)械開(kāi)關(guān)分別執(zhí)行毛刷的解鎖與鎖定操作；所述的毛刷設(shè)置于固定架所支撐的太陽(yáng)能電池板的上方，并沿兩條毛刷滑軌滾動(dòng)。

本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤陽(yáng)光最佳入射角的光伏支架優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的光伏支架利用設(shè)定的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡，使得太陽(yáng)能電池板通過(guò)仰角斜軸的仰角旋轉(zhuǎn)和固定架的方位角旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)不同仰角和方位角運(yùn)行軌跡的跟蹤，提高太陽(yáng)輻射量達(dá)40％；控制系統(tǒng)穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控；本發(fā)明光伏支架的電氣元件功率小，能耗低，適應(yīng)多種工況環(huán)境；依靠重力自動(dòng)清掃裝置清掃太陽(yáng)能電池板的面板，降低了各項(xiàng)成本；且該光伏支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

附圖說(shuō)明

圖1為太陽(yáng)光線垂直入射太陽(yáng)能電池板的狀態(tài)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤陽(yáng)光最佳入射角的光伏支架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3a、圖3b為圖2中示出的太陽(yáng)能電池板以仰角斜軸為軸線旋轉(zhuǎn)到地理東向位置的示意圖。

圖4a、圖4b為圖2中示出的太陽(yáng)能電池板以仰角斜軸為軸線旋轉(zhuǎn)到地理南向位置的示意圖。

圖5a、圖5b為圖2中示出的太陽(yáng)能電池板以仰角斜軸為軸線旋轉(zhuǎn)到地理西向位置的示意圖。

圖6為圖2中示出的太陽(yáng)能電池板以旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置旋轉(zhuǎn)到太陽(yáng)仰角較大位置的示意圖。

圖7為圖2中示出的太陽(yáng)能電池板以旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置旋轉(zhuǎn)到太陽(yáng)仰角較小位置的示意圖。

圖8a、圖8b為利用本發(fā)明的光伏支架在日出時(shí)追蹤太陽(yáng)軌跡運(yùn)行的狀態(tài)示意圖。

圖9a、圖9b利用本發(fā)明的光伏支架在日出與正午之間追蹤太陽(yáng)軌跡運(yùn)行的狀態(tài)示意圖。

圖10a、圖10b為利用本發(fā)明的光伏支架在正午時(shí)追蹤太陽(yáng)軌跡運(yùn)行的狀態(tài)示意圖。

圖11a、圖11b利用本發(fā)明的光伏支架在正午與日落之間追蹤太陽(yáng)軌跡運(yùn)行的狀態(tài)示意圖。

圖12a、圖12b為利用本發(fā)明的光伏支架在日落時(shí)追蹤太陽(yáng)軌跡運(yùn)行的狀態(tài)示意圖。

圖13為本發(fā)明實(shí)施例中的清掃裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記

1、立柱 2、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置 3、仰角斜軸

4.固定架 5、清掃裝置 6、固定架動(dòng)力裝置

7、太陽(yáng)能電池板 8、毛刷滑軌 9、毛刷

10、機(jī)械開(kāi)關(guān) 11、擋板

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤陽(yáng)光最佳入射角的光伏支架進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，根據(jù)太陽(yáng)輻射量的余弦定律可知，任意傾斜面的輻照度同該表面法線與光線入射方向之間夾角的余弦成正比，即：Sr＝Sdcosθ；其中，Sr為傾斜方陣面上的直射輻照量，Sd為太陽(yáng)總直射輻照量，θ為太陽(yáng)光線入射角。由上式可知，當(dāng)θ＝0°時(shí)，即太陽(yáng)光線垂直入射到傾斜面上時(shí)，獲得太陽(yáng)輻射量最大，此時(shí)的入射角就是追蹤的最佳入射角。

如圖2所示，本發(fā)明提供的一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤陽(yáng)光最佳入射角的光伏支架，包括：立柱1、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置2、仰角斜軸3、固定架4、固定架動(dòng)力裝置6和旋轉(zhuǎn)控制單元；所述的立柱1頂部安裝旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置2，所述的仰角斜軸3固定于旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置2上，其與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置2相配合，用于調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的傾角；所述的固定架4沿仰角斜軸3的軸線方向搭設(shè)于仰角斜軸3的上方，并與仰角斜軸3配合；所述的仰角斜軸3一端安裝固定架動(dòng)力裝置6，為固定架4提供圍繞仰角斜軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，太陽(yáng)能電池板7安裝在固定架4上；所述的旋轉(zhuǎn)控制單元連接旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置2和固定架動(dòng)力裝置6，該旋轉(zhuǎn)控制單元通過(guò)設(shè)定的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡控制旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置2和固定架動(dòng)力裝置6分別執(zhí)行仰角斜軸3的仰角轉(zhuǎn)動(dòng)和固定架的方位角轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽(yáng)光線保持垂直入射在太陽(yáng)能電池板7上。

本發(fā)明的上述光伏支架可選擇仰角斜軸的低端指向正南方向進(jìn)行安裝。如圖3、4、5所示，根據(jù)太陽(yáng)不同方位角的運(yùn)行軌跡，太陽(yáng)能電池板隨固定架以仰角斜軸為軸線進(jìn)行線面環(huán)繞旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板不同的方向，以追蹤太陽(yáng)實(shí)時(shí)變化的方位角；如圖6、7所示，根據(jù)太陽(yáng)不同仰角的運(yùn)行軌跡，仰角斜軸通過(guò)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板不同的傾角，以追蹤太陽(yáng)實(shí)時(shí)變化的仰角；本發(fā)明的上述光伏支架方位角跟蹤范圍為-125°到+125°，傾角跟蹤范圍為0°到110°；從而實(shí)現(xiàn)不同經(jīng)緯度、不同季節(jié)時(shí)間的跟蹤陽(yáng)光最佳入射角的功能。

基于上述結(jié)構(gòu)的光伏支架，如圖2所示，在本實(shí)施例中，所述的光伏支架還安裝有清掃裝置5，所述的清掃裝置5與固定架4連接，清掃裝置5通過(guò)固定架4旋轉(zhuǎn)造成的高度差，并利用自身重力運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板7的自動(dòng)清掃功能。

所述清掃裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖13所示，包括：毛刷9、兩條毛刷滑軌8、兩套機(jī)械開(kāi)關(guān)10和擋板11；所述的兩條毛刷滑軌8設(shè)置于固定架4的其中兩條相對(duì)邊上，所述的兩套機(jī)械開(kāi)關(guān)10以仰角斜軸3為中心對(duì)稱(chēng)設(shè)置于固定架4的另外兩條相對(duì)邊之間，所述的擋板11架設(shè)于仰角斜軸3上，使得擋板11因機(jī)械開(kāi)關(guān)10隨固定架4轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的角度而擠壓或松開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)10，進(jìn)而觸發(fā)該機(jī)械開(kāi)關(guān)10分別執(zhí)行毛刷9的解鎖與鎖定操作；所述的毛刷9設(shè)置于固定架4所支撐的太陽(yáng)能電池板7的上方，并沿兩條毛刷滑軌8滾動(dòng)。

上述清掃裝置的運(yùn)行軌道安裝在固定架上，在固定架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，使得毛刷所在的位置逐漸形成高度差，此時(shí)清掃裝置通過(guò)擋板與抵設(shè)該毛刷的機(jī)械開(kāi)關(guān)相配合而釋放毛刷，毛刷依靠自身重力自由下落清掃太陽(yáng)能電池板，并通過(guò)固定架的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成每日兩次清掃操作。

另外，所述的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置和固定架動(dòng)力裝置均可選用電機(jī)、馬達(dá)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能；旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置可選用蝸輪蝸桿、活動(dòng)鉸鏈等設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳動(dòng)；所述的旋轉(zhuǎn)控制單元選用可編程邏輯控制器、單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)控制操作。

基于上述結(jié)構(gòu)的光伏支架，其利用追蹤、自動(dòng)清掃技術(shù)提高了太陽(yáng)能發(fā)電效率。通過(guò)旋轉(zhuǎn)控制單元的程序控制算法，輸入不同經(jīng)緯度和不同日期時(shí)間可立即執(zhí)行預(yù)定條件動(dòng)作，以追蹤太陽(yáng)及清掃太陽(yáng)面板。在下雪時(shí)，旋轉(zhuǎn)控制單元自動(dòng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置，使固定架垂直于地面，并自動(dòng)停止跟蹤操作，使太陽(yáng)能設(shè)備能量轉(zhuǎn)換部分所在平面不形成堆雪。在大風(fēng)時(shí)，風(fēng)速超過(guò)保護(hù)值75km/h，旋轉(zhuǎn)控制單元自動(dòng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置，使固定架放平于地面，并自動(dòng)停止跟蹤操作，保證系統(tǒng)安全。而在日出時(shí)，旋轉(zhuǎn)控制單元即時(shí)響應(yīng)，尋找太陽(yáng)光線的最佳入射角，并跟蹤到位。當(dāng)日落時(shí)，光線消失，已不能發(fā)電，此時(shí)旋轉(zhuǎn)控制單元驅(qū)動(dòng)光伏支架自動(dòng)轉(zhuǎn)回初始方向，并自動(dòng)停止跟蹤操作。

如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12所示，為利用本發(fā)明的光伏支架追蹤日出、上午、中午、下午、日落各時(shí)刻的太陽(yáng)示意圖。以青海格爾木為例進(jìn)行說(shuō)明，地理位置為經(jīng)度：E94.90°，緯度：N36.41°，時(shí)間為夏至日。正北方的太陽(yáng)方位角設(shè)定為0°，此時(shí)格爾木夏至日日出方位角為60°，日落方位角為300°。

如圖8所示，等待日出時(shí)，光伏支架歸為東方位置，此時(shí)固定架停在東方位置；太陽(yáng)從東北方向升起，其方位角為60°，仰角為0°，通過(guò)旋轉(zhuǎn)控制單元的程序控制算法，發(fā)出啟動(dòng)命令，使得固定架動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)固定架旋轉(zhuǎn)，從而將太陽(yáng)能電池板的方位角調(diào)整到60°，接著通過(guò)旋轉(zhuǎn)控制單元控制旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)仰角斜軸旋轉(zhuǎn)，將太陽(yáng)能電池板仰角調(diào)整到0°,至此程序發(fā)出實(shí)時(shí)跟蹤命令，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)開(kāi)始連續(xù)動(dòng)作,以預(yù)定的角速度開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。在上述旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，使固定架4在日出時(shí)刻形成高度落差，此時(shí)擋板11與機(jī)械開(kāi)關(guān)10接觸后壓起機(jī)械開(kāi)關(guān)10，使得該機(jī)械開(kāi)關(guān)10被觸發(fā)后將毛刷9解鎖，進(jìn)一步使得毛刷9脫離機(jī)械開(kāi)關(guān)10的束縛，此時(shí)毛刷9因自身重力作用在自由下落過(guò)程中從固定架4的面板頂端沿毛刷滑軌8滑落到另外一端，利用此工作原理，在日出時(shí)刻通過(guò)毛刷9清掃一次固定架設(shè)備能量轉(zhuǎn)換部分所在平面。通過(guò)天文公式計(jì)算太陽(yáng)運(yùn)行軌跡，用程序控制兩套動(dòng)力裝置的連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)的調(diào)整動(dòng)力裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行軌跡。

如圖10所示，當(dāng)光伏支架運(yùn)行到正午時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)仰角為77°，其方位角為180°。此時(shí)固定架動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)固定架正好旋轉(zhuǎn)到方位角為180°，從而使得太陽(yáng)能電池板的方位角調(diào)整到180°，同時(shí)旋轉(zhuǎn)控制單元控制旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而推動(dòng)仰角斜軸旋轉(zhuǎn)，正好將太陽(yáng)能電池板仰角調(diào)整到77°。

如圖12所示，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到日落時(shí)，太陽(yáng)由西北方落下，此時(shí)太陽(yáng)仰角為0°，方位角為300°。此時(shí)固定架動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)固定架正好旋轉(zhuǎn)到方位角為180°，從而使得太陽(yáng)能電池板的方位角調(diào)整到300°，同時(shí)旋轉(zhuǎn)控制單元控制旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而推動(dòng)仰角斜軸旋轉(zhuǎn)，正好將太陽(yáng)能電池板仰角調(diào)整到0°。在上述旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，擋板11逐漸抬起原先壓住的機(jī)械開(kāi)關(guān)10，使得該機(jī)械開(kāi)關(guān)10再次被觸發(fā)后將毛刷9鎖于毛刷滑軌8里；而在固定架4轉(zhuǎn)動(dòng)到日落時(shí)刻，使其又形成高度落差，此時(shí)擋板11與機(jī)械開(kāi)關(guān)10重新接觸后再次壓起機(jī)械開(kāi)關(guān)10，使得該機(jī)械開(kāi)關(guān)10被觸發(fā)后將毛刷9解鎖，進(jìn)一步使得毛刷9脫離機(jī)械開(kāi)關(guān)10的束縛，此時(shí)毛刷9再次因自身重力作用在自由下落過(guò)程中從固定架4的面板頂端沿毛刷滑軌8滑落到另外一端，再次清掃光伏支架面板設(shè)備能量轉(zhuǎn)換部分所在平面。至此，完成一日內(nèi)的太陽(yáng)追蹤及兩次清掃操作，以提高發(fā)電量。與沒(méi)有清掃機(jī)構(gòu)的光伏支架相比，能夠提高發(fā)電量3％～23％。在日落后光伏支架自動(dòng)結(jié)束跟蹤命令，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)動(dòng)作使光伏支架回到初始位置。

由于太陽(yáng)仰角和方位角隨季節(jié)、地理位置不斷變化，通過(guò)天文公式計(jì)算光伏支架搭設(shè)地點(diǎn)一年內(nèi)的每日太陽(yáng)運(yùn)行軌跡后，以上述追蹤操作逐日追蹤太陽(yáng)的仰角和方位角，即能夠獲得最大太陽(yáng)輻射量。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。