專利名稱：自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是一種自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬于太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是將太陽能電池固定安裝，因不能始終正對太陽，故未充分利用太陽能電池的發(fā)電能力，所以價格居高不下，難以迅速推廣和普及。為了降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本，世界各國紛紛投入巨資以提高太陽能電池的發(fā)電能力。方法主要分為兩種一是提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，二是通過自動跟蹤技術(shù)使太陽能電池始終對準(zhǔn)太陽。這兩種方法均可以提高太陽能電池的發(fā)電能力，但是無論太陽能電池自身的光電轉(zhuǎn)換效率有多高，通過跟蹤裝置都可以使其發(fā)電能力在原基礎(chǔ)上再度提高，從而獲得更多的電能。因此自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究引起了世界各國的廣泛重視，已經(jīng)成為太陽能利用技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。自二十世紀(jì)八十年代以來，世界各國先后研制出多種跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，如彈簧齒輪機(jī)構(gòu)、電子定時機(jī)構(gòu)、計算機(jī)程序控制機(jī)構(gòu)以及利用液體受熱膨脹流動原理制成的簡單跟蹤系統(tǒng)等。在專利申請?zhí)枮?8244627.6、名稱為“太陽能通信電池方陣自動跟蹤太陽光裝置”的專利中，公開了一種采用電子定時控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動太陽能電池陣列跟蹤太陽的方法；在專利申請?zhí)枮?9221010.0、名稱為“太陽能自動跟蹤供電器”的專利中，公開了一種由太陽能電池板、感光電路、跟蹤驅(qū)動電路、復(fù)位電路、逆變電路構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)。據(jù)申請人了解，上述現(xiàn)有技術(shù)雖然均有一定的應(yīng)用價值，但是還存在著以下不足之處①跟蹤精度低；②故障率較高；③抗風(fēng)能力差；④性能價格比不高。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提出一種具有較強(qiáng)抗風(fēng)能力的自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，從而使該系統(tǒng)可以得到切實(shí)的推廣普及。
為了達(dá)到上述首要目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽能電池陣列(101)及其安裝架(117)、驅(qū)動太陽能電池陣列跟蹤對準(zhǔn)太陽的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(106)、控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的跟蹤控制電路(107)、向跟蹤控制電路傳送信號的太陽光方位傳感器(009)組成，其中機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(106)由方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(031)和高度角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(032)組成；其特征在于所述太陽光方位傳感器(009)由聚光透鏡(006)、細(xì)調(diào)光信號接收器、粗調(diào)光信號接收器、相互固連的殼體(005)和底座(008)組成，其中細(xì)調(diào)光信號接收器的受光端面(XOY面)由四個方位的感光面(001-004)構(gòu)成，粗調(diào)光信號接收器的受光端面由布置于殼體(005)周壁上四個方位的感光面(001’-004’)構(gòu)成，聚光透鏡(006)相對固定于殼體(005)頂端，其光軸與細(xì)調(diào)光信號接收器的中心軸線(Z)重合。
本發(fā)明自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理為當(dāng)太陽光方位傳感器中聚光透鏡的光斑偏離細(xì)調(diào)光信號接收器的中心位置很大，且不在細(xì)調(diào)光信號接收器的受光端面內(nèi)，即太陽能電池陣列偏離正對太陽的位置很大時，布置于殼體上四個方位的粗調(diào)光信號接收器的感光面起作用，此時對應(yīng)太陽方位的感光面會產(chǎn)生相應(yīng)的信號，經(jīng)跟蹤控制電路將信號比較、放大、處理后，控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)向相應(yīng)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，直至太陽光方位傳感器中透鏡的光斑進(jìn)入細(xì)調(diào)光信號接收器在底座端面內(nèi)的感光面。此時，無論光斑從哪個方位進(jìn)入，細(xì)調(diào)光信號接收器對應(yīng)方位的感光面都會產(chǎn)生不同的信號，經(jīng)跟蹤控制電路將細(xì)調(diào)光信號比較、放大、處理后，控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)向相應(yīng)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，直至光斑位置居中，即太陽光傳感器和太陽能電池陣列達(dá)到正對太陽位置。
為了達(dá)到進(jìn)一步的目的，本發(fā)明自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)還含有當(dāng)風(fēng)力超過預(yù)定值時、通過跟蹤控制電路的控制使太陽能電池陣列回到水平位置的防風(fēng)復(fù)位控制裝置。在自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作過程中，當(dāng)風(fēng)力小于設(shè)定值時，防風(fēng)復(fù)位控制裝置的信號經(jīng)跟蹤控制電路處理后，控制安裝架上的太陽能電池陣列穩(wěn)定地隨機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，自動跟蹤太陽。當(dāng)風(fēng)力超過設(shè)定值時，防風(fēng)復(fù)位控制裝置的信號通過電纜傳送到跟蹤控制電路，該控制電路驅(qū)動機(jī)械傳動裝置動作，直至固定在上面的太陽能電池陣列回到受風(fēng)力影響最小的水平位置，并停止跟蹤一定時間，以保護(hù)太陽能電池陣列和機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)不會在風(fēng)力的影響下壞掉。
通過以上介紹可以看出，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.通過巧妙地設(shè)置粗、細(xì)調(diào)光信號接收器，實(shí)現(xiàn)對太陽光的無盲區(qū)、高精度探測；2.在太陽光方位傳感器中采用透鏡聚焦，加大了對太陽光的接收角度和強(qiáng)度，提高了對太陽光方位的分辨能力；3.采用可靠的防風(fēng)復(fù)位控制裝置，充分發(fā)揮了跟蹤控制電路的控制功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，保證了系統(tǒng)的工作安全；4.由于實(shí)現(xiàn)了可靠的高精度跟蹤，使得太陽能電池始終對準(zhǔn)太陽，提高了太陽能電池的發(fā)電能力，因此能夠有效地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能價格比。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖2是

圖1實(shí)施例一的太陽光方位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2(b)、圖2(c)分別是圖2(a)的B-B和A-A截面圖。
圖3是圖1實(shí)施例一的細(xì)調(diào)光信號傳感器部分結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖1實(shí)施例一的太陽光方位傳感器的光信號接收器上的像斑位置示意圖。
圖5是圖1實(shí)施例一的跟蹤控制電路原理圖。
圖6是圖1中太陽能電池陣列的局部結(jié)構(gòu)放大圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例二的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是圖7實(shí)施例二的防風(fēng)復(fù)位控制裝置的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是圖9實(shí)施例三的太陽光方位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
首先需要說明的是，本實(shí)施例的太陽光方位傳感器(009)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中的光信號接收器由粗調(diào)光信號接收器和細(xì)調(diào)光信號接收器組成，在立體空間按四個方位布置。粗調(diào)光信號接收器的受光端面由感光面001’-004’組成，布置于殼體005的周壁上；細(xì)調(diào)光信號接收器的受光端面由感光面001-004組成，分布于太陽光方位傳感器的底座008上。
光信號接收器可以由光纖(石英光纖、玻璃光纖、聚合物光纖等)或光敏元件(光伏電池、光敏二極管、光敏三極管等)組成。本實(shí)施例選用光纖來制作太陽光方位傳感器，光纖的一端分別固定在感光面001-004、001’-004’上，另一端分別與跟蹤控制電路中的對應(yīng)光敏元件耦合。
細(xì)調(diào)光信號接收器部分的具體結(jié)構(gòu)及作用原理如圖3和圖4所示，由聚光透鏡006、殼體005、底座008以及分布在底座端面XOY面內(nèi)的四方位感光面001-004組成。底座008與殼體005固連，聚光透鏡006相對固定于殼體005頂端，其光軸Z與細(xì)調(diào)光信號接收器的中心軸線重合。聚光透鏡對太陽光的收集作用加大了對太陽光的接收范圍和強(qiáng)度，提高了對太陽光的分辨力。
如圖4所示，當(dāng)透鏡006的像斑位于細(xì)調(diào)光信號接收器中心位置時，如圖4(b)所示，表明太陽光傳感器和太陽能電池陣列已經(jīng)正對太陽；當(dāng)像斑偏離中心位置時，如圖4(a)、圖4(c)所示，兩個對應(yīng)方向的感光面就會產(chǎn)生不同的信號，跟蹤控制電路將信號比較、放大、處理后，控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)向相應(yīng)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，直至像斑位置居中。
上述采用光纖制作的太陽光方位傳感器，可以通過將粗調(diào)、細(xì)調(diào)光信號接收器相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)精確跟蹤太陽。一種方法是將接收同一方向太陽光的感光面的信號耦合到一個輸出端(如感光面001與001’可耦合到一個輸出端)，成為一個輸出信號，經(jīng)光敏元件轉(zhuǎn)換成電信號后，傳送到跟蹤控制電路，控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)向相應(yīng)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，跟蹤并對準(zhǔn)太陽。另一種方法是通過跟蹤控制電路進(jìn)行處理，當(dāng)細(xì)調(diào)光信號接收器接收到光信號時，粗調(diào)光信號接收器不起作用，只有在細(xì)調(diào)光信號接收器接收不到光信號時，粗調(diào)光信號接收器才起作用。如圖5所示，該電路由信號接收轉(zhuǎn)換電路、放大處理電路、邏輯控制電路(LOGIC)和電機(jī)控制電路組成。粗調(diào)光信號接收器的感光面001’-004’和細(xì)調(diào)光信號接收器的感光面001-004分別耦合到一個對應(yīng)的輸出端，經(jīng)信號接收轉(zhuǎn)換電路、放大處理電路后成為數(shù)字信號S001’-S004’和S001-S004。其中S001-S002在控制流程中優(yōu)先于S001’-S002’，S003-S004在控制流程中優(yōu)先于S003’-S004’。例如，細(xì)調(diào)光信號接收器的感光面001和粗調(diào)光信號接收器的感光面001’均接收來自同一方向的光信號(不妨將方向設(shè)為東)，002和002’均接收來自對應(yīng)方向的光信號(對應(yīng)方向?yàn)槲?，當(dāng)001和002中的任意一個感光面對應(yīng)的數(shù)字信號S001、S002為高電平時，或非門IC5均輸出低電平，這樣S001’就被與門IC6屏蔽，只有信號S001起作用；當(dāng)001、002均為低電平時，或非門IC5輸出高電平，S001’經(jīng)與門IC6和或門IC8后形成一個輸出信號，通過電機(jī)控制電路使機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)向相應(yīng)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，跟蹤并對準(zhǔn)太陽。由于有了粗調(diào)光信號接收器，因此擴(kuò)大了太陽光方位傳感器探測范圍。
其次，風(fēng)是任何一種太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)必須考慮的影響因素之一，沒有防風(fēng)措施或防風(fēng)機(jī)構(gòu)設(shè)計不合理均有可能影響跟蹤精度，甚至有可能破壞機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)或太陽能電池陣列。事實(shí)上，許多跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)就是因?yàn)榭癸L(fēng)能力差而難以達(dá)到實(shí)用化。本實(shí)施例采用由風(fēng)力傳感器111組成的防風(fēng)復(fù)位控制裝置110來解決這一問題。風(fēng)力傳感器111安裝在底座上，其信號輸出端接跟蹤控制電路107的信號輸入端。當(dāng)風(fēng)力達(dá)到一定的速度(如8級風(fēng))時，風(fēng)力傳感器111送出信號到跟蹤控制電路107，系統(tǒng)停止跟蹤，機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)106驅(qū)動安裝架117轉(zhuǎn)到水平位置，此時聚光透鏡陣列和太陽能電池陣列受風(fēng)力影響最小。當(dāng)風(fēng)力減小到一定程度(如8級以下時)，系統(tǒng)恢復(fù)正常跟蹤。
最后值得一提的是，聚光透鏡陣列100固定安裝在太陽能電池陣列101的上方，這樣可以提高對太陽能電池的輻射強(qiáng)度，能夠產(chǎn)生更多的電能(此方案也可以直接用聚光太陽能電池模塊取代)。但另一方面太陽光會聚后產(chǎn)生的熱量會降低光電轉(zhuǎn)換效率，甚至損壞太陽能電池，因此必須采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?。如圖6所示，本實(shí)施例將太陽能電池101固連于散熱性能極佳的散熱器109上。為了進(jìn)一步降低太陽能電池的溫度，還可在太陽能電池101的上方安裝紅外吸熱玻璃112或反熱玻璃113。防塵罩116的作用是阻擋灰塵等雜物，以免影響太陽能電池的發(fā)電能力。
如圖7所示，安裝架117通過軸承035與高度角驅(qū)動機(jī)構(gòu)032相連，軸承035將安裝架117分為面積和重量不同的兩個部分118和119，其中118的面積和重量均大于119的面積和重量。高度角驅(qū)動機(jī)構(gòu)032中包括出軸036、卷輪037、鋼纜038和定滑輪039，所述卷輪037與出軸036固連，定滑輪039軸與高度角驅(qū)動032固連，鋼纜038卷繞于卷輪037上，并通過防風(fēng)復(fù)位控制裝置110和定滑輪039與安裝架117相連。
防風(fēng)復(fù)位控制裝置110的具體結(jié)構(gòu)如圖8所示，由框架020、彈簧021、微動開關(guān)023和025、撥片024和028、滑桿026、擋板027組成。所述框架020通過鋼纜038與卷輪036相連；彈簧021的一端固定在框架020上，另一端通過滑桿026與繞過定滑輪039的鋼纜038相連；撥片024和028與彈簧固連。當(dāng)風(fēng)力小于8級時，防風(fēng)復(fù)位控制裝置中的彈簧伸縮變形范圍不大，只起傳遞動力的作用，即將卷輪上的動力傳遞到安裝架上，帶動太陽能電池陣列在高度角方向跟蹤太陽。由于安裝架的重心與軸承035的中心并不重合，這樣就使得安裝架始終有一個偏轉(zhuǎn)的趨勢，并通過鋼纜對彈簧產(chǎn)生一定的拉力，此時兩個微動開關(guān)處于常開狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)力大于8級時，若風(fēng)力由A向吹動安裝架逆時針旋轉(zhuǎn)，彈簧所受拉力變大，產(chǎn)生拉伸，帶動撥片024壓住微動開關(guān)023，微動開關(guān)023通過電纜將信號傳送到跟蹤控制電路，由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)將框架117轉(zhuǎn)到水平位置并停止跟蹤10分鐘，以保護(hù)太陽能電池陣列和機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)不會在風(fēng)力的影響下壞掉；同理，若風(fēng)力由B向吹動安裝架順時針旋轉(zhuǎn)，則彈簧所受拉力變小，產(chǎn)生收縮，撥片028壓住微動開關(guān)025，跟蹤控制電路接收到微動開關(guān)025送來的信號后，控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)將框架117轉(zhuǎn)到水平位置并停止跟蹤10分鐘，以保護(hù)有關(guān)部件不會在風(fēng)力的影響下壞掉。過10分鐘后再檢測風(fēng)力是否已小于8級，若小于8級則恢復(fù)到正常跟蹤狀態(tài)，否則仍然保持在水平位置。在滑桿026的兩端各有一片擋板027，使彈簧只能在兩塊擋板限定的行程范圍內(nèi)運(yùn)動，以防止彈簧突然收縮產(chǎn)生的回彈力或過度拉伸對限位開關(guān)023、025造成損壞。
二是太陽光方位傳感器的光信號接收器采用光敏元件，而不是光纖。如圖10所示，細(xì)調(diào)光信號接收器和粗調(diào)光信號探測器均選用參數(shù)對稱性能較好的光伏電池組成。
除以上實(shí)施例外，將上述幾個實(shí)施例所述的太陽光方位傳感器、防風(fēng)復(fù)位控制裝置、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、太陽能電池陣列等不同的技術(shù)特征排列組合后產(chǎn)生的技術(shù)方案，仍屬本專利申請要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽能電池陣列(101)及其安裝架(117)、驅(qū)動太陽能電池陣列跟蹤對準(zhǔn)太陽的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(106)、控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的跟蹤控制電路(107)、向跟蹤控制電路傳送信號的太陽光方位傳感器(009)組成，其中機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(106)由方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(031)和高度角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(032)組成；其特征在于所述太陽光方位傳感器(009)由聚光透鏡(006)、細(xì)調(diào)光信號接收器、粗調(diào)光信號接收器、相互固連的殼體(005)和底座(008)組成，其中細(xì)調(diào)光信號接收器的受光端面(XOY面)由分布在底座端面內(nèi)的四個方位的感光面(001-004)構(gòu)成，粗調(diào)光信號接收器的受光端面由布置于殼體(005)周壁上四個方位的感光面(001’-004’)構(gòu)成，聚光透鏡(006)相對固定于殼體(005)頂端，其光軸與細(xì)調(diào)光信號接收器的中心軸線(Z)重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于還含有當(dāng)風(fēng)力超過預(yù)定值時、通過跟蹤控制電路(107)的控制使太陽能電池陣列(101)回到水平位置的防風(fēng)復(fù)位控制裝置(110)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述防風(fēng)復(fù)位控制裝置(110)由風(fēng)力傳感器(111)組成，所述風(fēng)力傳感器(111)的信號輸出端接跟蹤控制電路(107)的信號輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于安裝架(117)通過軸承(035)與高度角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(032)相連，所述軸承(035)將安裝架(117)分為面積和重量不同的兩個部分，所述高度角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(032)還包括出軸(036)、卷輪(037)、鋼纜(038)和定滑輪(039)，所述卷輪(037)與出軸(036)固連，定滑輪(039)軸與高度角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(032)固連，鋼纜(038)卷繞于卷輪(037)上，并通過防風(fēng)復(fù)位控制裝置(110)和定滑輪(039)與安裝架(117)相連，所述防風(fēng)復(fù)位控制裝置(110)由框架(020)、彈簧(021)、微動開關(guān)(023、025)、撥片(024、028)、滑桿(026)、擋板(027)組成，所述框架(020)通過鋼纜(038)與卷輪(037)相連；所述彈簧(021)的一端固定在框架(020)上，另一端通過滑桿(026)與繞過定滑輪(039)的鋼纜(038)相連；撥片(024、028)與彈簧(021)固連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于還含有聚光透鏡陣列(100)，所述聚光透鏡陣列(100)固定安裝在太陽能電池陣列(101)的上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述太陽能電池陣列(101)固連于散熱器(109)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述太陽能電池陣列(101)的上方裝有紅外吸熱玻璃(112)或反熱玻璃(113)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2的自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述太陽光方位傳感器(009)中的光信號接收器由光纖或光敏元件組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自動跟蹤太陽的光伏發(fā)電系統(tǒng),屬于太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列及其安裝架、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、跟蹤控制電路、太陽光方位傳感器、防風(fēng)復(fù)位控制裝置組成。太陽光方位傳感器包括聚光透鏡、細(xì)調(diào)光信號接收器和粗調(diào)光信號接收器,其中細(xì)調(diào)光信號接收器的受光端面由分布在底座端面內(nèi)的四個方位的感光面構(gòu)成,粗調(diào)光信號接收器的受光端面由布置于殼體周壁上四個方位的感光面構(gòu)成,聚光透鏡相對固定于殼體頂端,其光軸與細(xì)調(diào)光信號接收器的中心軸線重合。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對太陽光的無盲區(qū)、高精度探測,提高了對太陽光方位的分辨力和太陽能電池的發(fā)電能力,而且具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力,因此能夠有效地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能價格比。
文檔編號H02N6/00GK1369956SQ0211255
公開日2002年9月18日 申請日期2002年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月17日
發(fā)明者張耀明, 孫利國, 張振遠(yuǎn), 張文進(jìn), 劉曉暉, 徐明泉, 陳修福, 陳士潔 申請人:南京春輝科技實(shí)業(yè)有限公司