本發(fā)明屬于光伏/光熱裝置的支撐結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體涉及一種俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能是地球分布最廣的可再生能源，針對(duì)太陽(yáng)能的光伏發(fā)電、光熱利用等光熱利用裝置目前已廣泛得到應(yīng)用。為最大程度提高光伏、光熱裝置接收太陽(yáng)光照的效率，通常同時(shí)采用追蹤太陽(yáng)方位角和俯仰角(高度角)的雙軸追蹤系統(tǒng)。

授權(quán)公告號(hào)為cn203708178u的專利公開了一種雙軸聯(lián)動(dòng)的定日發(fā)電裝置，包括使用電機(jī)和渦輪蝸桿減速裝置驅(qū)動(dòng)的可沿水平方向旋轉(zhuǎn)的方位角支架，以及位于方位角支架上的俯仰角支架，俯仰角支架連接有電機(jī)和螺桿結(jié)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)俯仰角支架沿南北方向的轉(zhuǎn)向發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)追蹤太陽(yáng)方位角和俯仰角的雙軸追蹤目的。

現(xiàn)有的雙軸追蹤裝置，電機(jī)通常是按照自動(dòng)控制裝置的指令進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)式調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)不能連續(xù)進(jìn)行；追日過(guò)程往往需要電機(jī)頻繁啟動(dòng)，而每次電機(jī)啟動(dòng)均需要克服較大的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，且由于一套電機(jī)及減速裝置往往對(duì)應(yīng)多個(gè)光伏裝置，造成每次電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械應(yīng)力較為集中，以上因素導(dǎo)致現(xiàn)有的追日裝置追蹤精度較低、可靠性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)，從而解決現(xiàn)有雙軸追蹤裝置可靠性差的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)所采用的技術(shù)方案是：

一種俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)，包括用于支撐光能利用裝置的支撐架，以及通過(guò)萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)與支撐架連接的基座，支撐架上沿東西軸線設(shè)有方位角配重結(jié)構(gòu)和與方位角配重結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力矩平衡的方位角彈性部件，沿南北軸線設(shè)有俯仰角配重結(jié)構(gòu)和與俯仰角配重結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力矩平衡的俯仰角彈性部件，隨方位角配重結(jié)構(gòu)和/或俯仰角配重結(jié)構(gòu)的配重變化，支撐架的力矩平衡狀態(tài)改變，實(shí)現(xiàn)方位角和/或俯仰角追蹤。

本發(fā)明的俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)，利用支撐架的力矩平衡狀態(tài)改變，調(diào)節(jié)支撐架沿基座轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)支撐架的方位角和/或俯仰角追蹤；該雙軸追蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)向過(guò)程受力均衡，運(yùn)行可靠性大大提高。

方位角配重結(jié)構(gòu)、方位角彈性部件位于萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，方位角彈性部件為方位角拉力彈簧。俯仰角配重結(jié)構(gòu)、俯仰角彈性部件位于萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，俯仰角彈性部件為俯仰角拉力彈簧。

方位角配重結(jié)構(gòu)、方位角彈性部件均位于萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)的同側(cè)，方位角彈性部件為方位角壓力彈簧。俯仰角配重結(jié)構(gòu)、俯仰角彈性部件均位于萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)的同側(cè)，俯仰角彈性部件為俯仰角壓力彈簧。

以上方位角配重結(jié)構(gòu)、方位角彈性部件，俯仰角配重結(jié)構(gòu)、俯仰角彈性部件的布置方式可靈活組合。

所述方位角配重結(jié)構(gòu)包括方位角液箱和與方位角液箱連接的用于排出和流入液體的方位角連接管；所述俯仰角配重結(jié)構(gòu)包括俯仰角液箱和與俯仰角液箱連接的用于排出和流入液體的俯仰角連接管。

優(yōu)選的，方位角配重結(jié)構(gòu)還包括供方位角液箱和俯仰角液箱共用的下液箱，方位角連接管、俯仰角連接管均與下液箱相連接，方位角連接管、俯仰角連接管上均串接有雙向計(jì)量泵。進(jìn)一步優(yōu)選的，方位角液箱和俯仰角液箱均為密封結(jié)構(gòu)，方位角液箱和下液箱之間，俯仰角液箱和下液箱之間均設(shè)有通氣管。

使用上述液箱結(jié)構(gòu)作為配重，可通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定相應(yīng)的目標(biāo)值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，作為反饋調(diào)節(jié)液箱的配重連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)較高精度的追蹤；在不需要較高精度的情形下，配重結(jié)構(gòu)可使用固體等重配重塊，進(jìn)行間歇式調(diào)節(jié)。

萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)可采用以下形式，如所述萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)為球鉸結(jié)構(gòu)；包括設(shè)于基座上的球頭和設(shè)于支撐架上的與球頭配合的球殼。

所述萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)包括上下設(shè)置的上軸承、下軸承，上軸承、下軸承的轉(zhuǎn)向軸線交叉，所述支撐架連接于上軸承的轉(zhuǎn)向軸上。

本發(fā)明的俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)，可采用連續(xù)調(diào)節(jié)方式或間歇調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的雙軸追蹤，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可靠性好，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)雙軸追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了維護(hù)難度和制造成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的俯視圖；

圖3為圖1中萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為實(shí)施例1和實(shí)施例2中下水過(guò)程的水量變化示意圖；

圖6為實(shí)施例1和實(shí)施例2中上水過(guò)程的水量變化示意圖；

圖7為實(shí)施例1中第二支撐梁的受力分析圖；

圖8為實(shí)施例1和實(shí)施例2中方位角追蹤的系統(tǒng)控制框圖；

圖9為實(shí)施例1和實(shí)施例2中俯仰角追蹤的系統(tǒng)控制框圖；

圖10為本發(fā)明所使用的另一種萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)的實(shí)施例1，如圖1至圖3所示，包括支撐柱1和通過(guò)萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)2與支撐柱1連接的支撐架3，支撐架具有沿南北方向延伸的第一支撐梁30和沿東西方向延伸的第二支撐梁31(圖1中支撐架的框架部分未示出)，第一支撐梁30的北側(cè)設(shè)有俯仰角水箱40，南側(cè)通過(guò)相應(yīng)的俯仰角拉力彈簧80固定于支撐架下方的支持物上，第二支撐梁的西側(cè)設(shè)有方位角水箱41，東側(cè)通過(guò)相應(yīng)的方位角拉力彈簧81固定于支撐架下方的支持物上；位于俯仰角水箱、方位角水箱的下方設(shè)有共用的下水箱5，俯仰角水箱40和下水箱5之間通過(guò)俯仰角連接管600和俯仰角雙向計(jì)量泵60連接，方位角水箱41和下水箱5之間通過(guò)方位角連接管610和方位角雙向計(jì)量泵61連接，俯仰角水箱、方位角水箱均密閉，俯仰角水箱和下水箱之間還連接有俯仰角通氣管70，方位角水箱和下水箱之間還連接有方位角通氣管71，通氣管用于保持相接的兩個(gè)水箱內(nèi)的氣壓一致，不影響水的流動(dòng)；

萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)2包括設(shè)于支撐柱1上的球頭20和設(shè)于支撐架上的與球頭20配合球殼21，球頭、球殼形成球鉸結(jié)構(gòu)，在外力作用下，支撐架可沿球頭完成相應(yīng)轉(zhuǎn)向。

本發(fā)明的俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)的實(shí)施例2，如圖4所示，與實(shí)施例1的區(qū)別在于，與俯仰角水箱40相應(yīng)設(shè)置的俯仰角壓力彈簧90、俯仰角水箱40均位于萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)的北側(cè)，與方位角水箱41相應(yīng)設(shè)置的方位角壓力彈簧91、方位角水箱41均位于萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)的西側(cè)，其他結(jié)構(gòu)可參考實(shí)施例1。

實(shí)施例1和實(shí)施例2中，方位角水箱和下水箱之間的水量變化過(guò)程如圖5和圖6所示，下水時(shí)，方位角水箱經(jīng)雙向計(jì)量泵，通過(guò)水箱底部的通水管向下水箱泵水，水箱頂部相接的通氣管內(nèi)，下水箱內(nèi)的氣體流向方位角水箱內(nèi)；上水時(shí)，下水箱經(jīng)雙向計(jì)量泵，通過(guò)水箱底部的通水管向方位角水箱泵水，水箱頂部相接的通氣管內(nèi)，方位角水箱內(nèi)的氣體流向下水箱內(nèi)；俯仰角水箱和下水箱之間的水量變化過(guò)程相同。

實(shí)施例1中，第二支撐梁所受到的方位角彈簧拉力、方位角水箱重力的作用示意圖如圖7所示，以萬(wàn)向結(jié)構(gòu)為杠桿支撐點(diǎn)，以第二支撐梁為杠桿，方位角彈簧拉力和方位角水箱重量之間形成的力矩方向相反，大小相等；左圖為第二支撐梁呈水平狀態(tài)的示意圖，拉力彈簧受到的拉力與其形變量是線性關(guān)系，表示為f＝kx，水箱及其內(nèi)水的重力mg，減小方位角水箱內(nèi)的水量，第二支撐梁順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，拉力彈簧收縮，直至達(dá)到兩側(cè)力矩平衡，如右圖所示。

方位角水箱的重力方向始終朝向地面，方位角拉力彈簧的作用力方向隨著第二支撐梁的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生改變，因此，方位角水箱的重力變化和拉力彈簧的形變之間是正相關(guān)關(guān)系，而非線性正相關(guān)，方位角水箱的重力變化和支撐架東西向轉(zhuǎn)過(guò)的角度之間也并非線性正相關(guān)。要保持支撐架方位角的連續(xù)勻速變化，方位角雙向計(jì)量泵的流速需要根據(jù)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行變化，不宜采用定速泵；反之，增大方位角水箱內(nèi)水量，第二支撐梁的轉(zhuǎn)向情況相反。第一支撐梁的轉(zhuǎn)向和受力分析與上述類同。

在無(wú)光照、大風(fēng)停用期間，可以保持支撐架在水平狀態(tài)，減小風(fēng)力影響；在風(fēng)雪、冰雹等惡劣天氣下，保持方位角和彈性部件的作用力最大狀態(tài)；本發(fā)明的雙軸追蹤系統(tǒng)采用彈簧和配重結(jié)構(gòu)的力矩平衡，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，對(duì)外界環(huán)境具有優(yōu)異的適應(yīng)性，裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性得以大大提升。在其他情況下，也可將本發(fā)明的裝置布置于玻璃房?jī)?nèi)，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和精確性。

實(shí)施例1和實(shí)施例2的雙軸追蹤系統(tǒng)的追蹤控制框圖如圖8和圖9所示，圖8為方位角追蹤的控制框圖，每日中太陽(yáng)方位角持續(xù)均勻變化，每小時(shí)15°，適宜采用連續(xù)式調(diào)節(jié)以獲得更好的追蹤效果；控制系統(tǒng)設(shè)定的控制方位角可由當(dāng)前時(shí)間計(jì)算得到，作為控制前饋量；實(shí)測(cè)的方位角作為反饋量，和控制方位角比較，得出差值，根據(jù)差值修正方位角雙向計(jì)量泵的流速。

圖9為俯仰角追蹤的控制框圖，由于俯仰角的變化角度較小，每天的變化量為0.26°左右，通過(guò)間歇式追蹤方式，即可獲得良好的追蹤精度；控制系統(tǒng)設(shè)定的控制俯仰角可由當(dāng)前時(shí)間計(jì)算得到，作為控制前饋量；實(shí)測(cè)的俯仰角作為反饋量，和控制俯仰角比較，得到差值，若使用連續(xù)調(diào)節(jié)方式，根據(jù)差值修正俯仰角雙向計(jì)量泵的流速值；若使用間歇式調(diào)節(jié)，則當(dāng)偏差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，啟停一次俯仰角雙向計(jì)量泵，水泵按照給定的流向、給定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行一次泵水即可。

在本發(fā)明的俯仰-方位角雙軸追蹤系統(tǒng)的其他實(shí)施例中，在間歇式調(diào)節(jié)的情形下，方位角水箱、俯仰角水箱可使用固體配重塊代替，通過(guò)調(diào)整配重塊的數(shù)目，間歇調(diào)節(jié)支撐架的轉(zhuǎn)向；萬(wàn)向連接結(jié)構(gòu)可采用圖10的形式，包括上下設(shè)置的俯仰角轉(zhuǎn)向軸承10和方位角轉(zhuǎn)向軸承11，俯仰角轉(zhuǎn)向軸承10、方位角轉(zhuǎn)向軸承11的轉(zhuǎn)向軸線垂直設(shè)置，支撐架連接于俯仰角轉(zhuǎn)向軸承的轉(zhuǎn)向軸上，方位角轉(zhuǎn)向軸固定于支撐柱伸出的兩條側(cè)邊之間，俯仰角轉(zhuǎn)向軸承的外圈100和方位角轉(zhuǎn)向軸承的外圈110固定連接，在外力作用下，即可實(shí)現(xiàn)沿南北方向和/或東西方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；水箱內(nèi)的液體可以是油、防凍液等其他流體；支撐架上布置光伏、光熱組件，即可形成光伏、光熱裝置的定日追蹤裝置；支撐架上布置反射鏡，可以用于塔式光熱裝置的反射鏡追蹤裝置。