專利名稱：一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種跟蹤式光伏發(fā)電裝置，特別是一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置。
背景技術：
光伏發(fā)電是目前全世界積極發(fā)展的一種可再生能源，它是人類未來能源的希望。由于光伏材料，特別是高純多晶硅的價格昂貴，目前光伏發(fā)電設備的投入成本依然高于化石能源，光伏發(fā)電的設備回收期較長。為了提高光伏發(fā)電技術的實用性和經(jīng)濟性，科學家和工程師設法提高光伏發(fā)電裝置的發(fā)電效率、發(fā)電量、提高光伏發(fā)電設備的可靠性、減少占地面積和降低建設成本。為了提高平板光伏電池組件的發(fā)電量，人們發(fā)明了太陽跟蹤器，使光伏電池組件的受光面一直朝向太陽以減少余弦效應、增加發(fā)電量。理論計算顯示，雙軸跟蹤式的光伏發(fā)電裝置在北緯地區(qū)的年發(fā)電量最高，比水平方向固定的光伏發(fā)電裝置高出 50%，比單軸跟蹤式的光伏發(fā)電裝置高15 20%。然而，增加雙軸跟蹤功能是要付出代價的，其中的經(jīng)濟技術問題包括I.雙軸跟蹤器增加了設備成本，一般為5 6元/Wp ;2.由于涉及兩個自由度的旋轉，而且兩個轉軸是互相垂直的，因此傳統(tǒng)的雙軸跟蹤器是在空中旋轉一個裝著光伏電池組件的大平面，在跟蹤的過程中，雙軸跟蹤光伏發(fā)電設備的影子是比較長、在地面投影的范圍比較寬，因此在安裝多臺雙軸跟蹤光伏發(fā)電設備時，相鄰的雙軸跟蹤光伏發(fā)電設備(前后左右，或者東西南北方向)必須保持一定的間距(緯度越高間距越大)，大幅度的增加了土地的使用面積。按傳統(tǒng)的雙軸跟蹤光伏發(fā)電站的土地使用率為50m2/Wp，相比固定平板光伏發(fā)電站的20m2/Wp，土地的成本增加了 250%。另一方面，在空間有限的情況下，比如屋頂電站，傳統(tǒng)的雙軸跟蹤光伏發(fā)電設備也限制了光伏發(fā)電站的裝機容量。3.如上所述，傳統(tǒng)的雙軸跟蹤光伏發(fā)電設備在空中旋轉大面積的平板，由于機械結構的原因，需要考慮采取更加堅固、能減少變形量的設計，這將導致基礎和結構成本增力口。在我國，許多陽光資源很好的地方，往往其風資源也比較豐富(風大有利光伏發(fā)電，因為光伏電池板得到很好的散熱，光伏電池板的溫度越高發(fā)電效率越低)，比如內蒙古的草原，甘肅敦煌的荒漠，設備的抗風能力更加需要加強。4.為了減少土地的占用面積，傳統(tǒng)的雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)的布局以犧牲一些跟蹤時間(即早晨較早的時段和下午較晚的時段)，以縮小雙軸太陽跟蹤器之間的間距。在春、夏和秋天的時候，特別是在夏天，這個被犧牲的時段的潛在發(fā)電量其實還是相當可觀的，理論計算顯示這時段有5 10%的電量增益潛能。5.在屋頂光伏發(fā)電的應用中，房頂?shù)娘L壓比較大，光伏發(fā)電裝置的支撐架和基礎應當加強，然而房頂不適合安裝大型水泥基礎，因此不適合安裝結構高大的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，傳統(tǒng)設計一般使用固定式、貼著屋頂安裝的光伏發(fā)電裝置。以下對現(xiàn)有技術的幾種類型的跟蹤式光伏發(fā)電裝置作評論。
圖I給出類一型的雙軸跟蹤器的結構，這種結構也被稱為T型的雙軸跟蹤器，其主要部件包括一個光伏電池組件陣列I、一個方位角旋轉軸2、一個仰角旋轉軸3、和一個基礎10。方位角旋轉軸與天頂方向z軸9平行，旋轉軸3和地平線5平行，整體的結構如一個T字插在地面(N北，S南，E東，W西)4上。圖10給出太陽26相對于地面4的坐標，由太陽方位角As 27和太陽高低角as 28來表述。在進行太陽跟蹤的時候，方位角旋轉軸(轉角SAh) I轉到Ah等于太陽方位角As的位置，仰角旋轉軸(轉角為βΗ)2轉到光伏電池組件陣列傾角βΗ 6等于90°減去太陽高低角^13的位置，βΗ = 90° _as。美國專利申請公開號US2011/0041834A1給出了這類跟蹤器的典型例子。其缺點是I.其光伏電池組件陣列高度H 8太高，重心落在接近方位角旋轉軸頂部的位置，側風力對基礎形成的傾覆力矩大，要求基礎10做的大而堅固，基礎成本高，同時受側風影響時，結構的變形量較大，整體抗風能力較差；2.其光伏電池組件陣列高度H 8太高，造成對周邊地面的投影范圍廣闊，在多臺跟蹤器的應用中，要求的占地面積大，造成土地成本高； 3.其光伏電池組件陣列高度H 8太高，安裝時需要用吊車，安裝成本高，清掃和維護成本也高。圖2給出類二型的雙軸跟蹤器的結構，這種結構是對類一型進行改進，滾輪12和地面軌道13的結合應用加強了整體結構的強度，允許安裝更大面積的光伏電池組件陣列1，特別是增加光伏電池組件陣列寬度17。其缺點是I.其光伏電池組件陣列高度H 8太高，造成對周邊地面的投影范圍廣闊，在多臺跟蹤器的應用中要求的占地面積大，土地成本高；2.其光伏電池組件陣列高度H 8太高，安裝時需要用吊車，安裝成本高，維護成本也聞。3.露天(不密封)的滾輪12和地面軌道13容易因為泥土或者其他外來物將滾輪卡死或者增加摩擦力，引起方位角旋轉軸2的電機過載燒壞，影響跟蹤系統(tǒng)的可靠性。圖3給出類三型的單軸跟蹤器的結構，這是類一型雙軸跟蹤器的加強型簡化版本，采用方位角單軸跟蹤結構，其方位角旋轉軸2采用筋骨支撐結構的方式加固了，整體的抗風能力加強了。其缺點是I.其光伏電池組件陣列高度H 8太高，重心落在接近方位角旋轉軸頂部的位置，側風力對基礎形成的傾覆力矩大,要求基礎10做的大和堅固；2.其光伏電池組件陣列高度H 8太高，造成對周邊地面的投影范圍廣闊，在多臺跟蹤器的應用中要求的占地面積大，土地成本高；3.其光伏電池組件陣列高度H 8太高，安裝時需要用吊車，安裝成本高，維護成本也聞。圖4給出類四型的雙軸跟蹤器的結構，這是一種級向跟蹤方式的跟蹤器，其跟蹤軸分別是極向軸11和太陽傾角旋轉軸15 ;極向軸11指向北極星，其軸向和地球的旋轉軸平行(與地平線5構成的夾角Φ為當?shù)鼐暥?；太陽傾角旋轉軸15和極向軸11垂直；跟蹤太陽時，太陽傾角旋轉軸的轉角\30等于太陽的傾角Ss，極向軸11的轉角ω等于太陽時。美國專利號US7554030B2給出了這種類型跟蹤器的技術方案。其缺點是I.在緯度高的地區(qū)其光伏電池組件陣列高度H 8比較大，地面投影的范圍也相對增加，對占地面積的要求雖然比類一型至四型小但比固定平板組件大；2.這種結構只適合用于裝機容量小的光伏發(fā)電裝置，比如< 2kWp的系統(tǒng)。圖5給出類五型的單軸跟蹤器的結構，其結構簡單，抗風能力好，基礎要求小，占地面積小。其跟蹤軸只有一根南北向旋轉軸16，在跟蹤的時候其轉角為P H，即能使太陽矢量和光伏電池組件的法線所構成的面始終和光伏電池組件的面保持垂直。其缺點是發(fā)電效率比雙軸跟蹤系統(tǒng)低，也比類三的方位角單軸跟蹤器的發(fā)電效率低(理論年發(fā)電量比水平向固定平板光伏發(fā)電裝置高30%，類三的為40% )。圖6給出類六型的單軸跟蹤器的結構，其結構簡單，抗風能力好，基礎要求小，占地面積小。其跟蹤軸只有一根東西向旋轉軸17，在跟蹤的時候其轉角為βΗ和太陽高低角%成90°的互補角關系，βΗ = 90° -as。其缺點是發(fā)電效率比雙軸跟蹤系統(tǒng)低，也比類三和類五的單軸跟蹤器的發(fā)電效率低。本發(fā)明針對類一型至類六型所述的現(xiàn)有技術的缺點進行改進，克服了所有的缺 點，可以實現(xiàn)占地面積小、基礎要求小、機械結構牢固可靠、發(fā)電效率(發(fā)電量)高而且結構簡單的技術方案，如圖7所述。圖7給出一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其主要組成部件包括一個方位角旋轉軸2、多個仰角旋轉軸3、用于固定光伏電池組件的光伏支架、用于支撐光伏支架的方位角旋轉平臺18和兩排或者兩排以上平行安裝的光伏電池組件陣列1，其特征是本技術方案將一個較高的光伏電池組件陣列分成兩個或者兩個以上較矮的光伏電池組件陣列，所有較小的光伏電池組件陣列共享一個方位角跟蹤裝置，所有較小的光伏電池組件陣列配備有獨立的、較小的仰角跟蹤裝置，或者每排光伏電池組件陣列由推拉桿結構轉動仰角軸并通過連桿傳動結構共享一個驅動源，所述的連桿式驅動的組成結構見圖8，包括一個拉桿驅動減速電機、一個拉桿20和兩個或者兩個以上的推桿19，推桿的數(shù)量和光伏電池組件陣列的行的數(shù)量一樣。這種設計方案能夠實現(xiàn)雙軸太陽跟蹤達到零余弦效應或者最高效率的光能接收、可以最大程度的延長光伏電池組件的跟蹤時間、減少地面投影的范圍從而大幅度減少跟蹤光伏系統(tǒng)的占地面積，降低基礎建設的成本，同時從設計的角度保證了跟蹤系統(tǒng)的抗風能力和可靠性。也就是說，分立式仰角跟蹤結構設計使整個光伏發(fā)電設備的高度降低了，使設備具備比傳統(tǒng)的立式單軸方位角太陽跟蹤或者雙軸太陽跟蹤光伏發(fā)電設備更強大的抗風能力；同時低矮的設計減少了對相鄰的跟蹤器造成的投影。因此，在大型光伏發(fā)電站的應用中本光伏發(fā)電設備將更節(jié)約土地，土地的占用率遠小于傳統(tǒng)立式雙軸太陽跟蹤光伏發(fā)電設備的50m2/kW，本設備的雙軸跟蹤結構還能實現(xiàn)土地的占用率不大于傳統(tǒng)固定式光伏發(fā)電設備的20m2/kW。本發(fā)明提出了一種全面的雙軸跟蹤設計方案，解決了傳統(tǒng)雙軸太陽跟蹤光伏發(fā)電裝置的占地面積大、抗風能力差、土建基礎要求高和跟蹤時間短的問題，具有顯著的技術進步。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其中主要部件包括方位角旋轉軸、仰角旋轉軸、多個光伏電池組件、用于固定光伏電池組件的光伏支架、用于支撐光伏支架的框架和太陽跟蹤控制器，所述的太陽跟蹤控制器根據(jù)時間計算太陽的位置，并控制傳動裝置驅動方位角旋轉軸和仰角旋轉軸，使所述的光伏電池組件的面朝向太陽，達到太陽跟蹤的目的，其特征是所述的方位角旋轉軸與所述的框架的中部作垂直連接，形成一個旋轉平臺，所述的光伏支架和光伏電池組件組成兩排或者兩排以上的光伏電池組件陣列安裝在旋轉平臺上，相鄰的光伏電池組件陣列之間按一定的間距d平行安裝，每排光伏電池組件陣列連接到一個仰角旋轉軸上，仰角旋轉軸與所述的旋轉平臺平行、與方位角旋轉軸垂直，如圖7和圖9所示。根據(jù)本發(fā)明所述的一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其特征是關于所述的仰角旋轉軸，每個仰角旋轉軸的運動由獨立的傳動裝置實現(xiàn)。本發(fā)明的另一個特征是關于所述的仰角旋轉軸，每個仰角旋轉軸通過推拉桿驅動方式和連桿傳動結構共享一個仰角驅動源，如圖8所示。本發(fā)明的特征還包括所述的相鄰的光伏電池組件陣列之間的間距d是光伏電池組件陣列寬度I的I. 5 3. O倍，即d/Ι是I. 5 3. O。本發(fā)明的特征還包括所述的旋轉平臺上的光伏電池組件陣列的第一排與最后一排的間距D和所述的光伏電池組件陣列的 長度L的比值D/L是O. 3 3. 0，特別是O. 6 I. 6。本發(fā)明還有一個特征是每排光伏電池組件陣列的高度H是一致的。本發(fā)明另一特征是每排光伏電池組件陣列的高度H是不一致的，其中最大的高度和最小的高度的比例不大于3. O。綜合以上所有技術特征，可以實現(xiàn)延長太陽跟蹤時間、減少占地面積、降低基礎和維護成本，同時提高抗風能力和可靠性以克服傳統(tǒng)雙軸太陽跟蹤技術的經(jīng)濟性問題。


圖I是類一型雙軸跟蹤器的結構圖；圖中1光伏電池組件陣列2方位角旋轉軸(轉角SAh) 3仰角旋轉軸(轉角為βΗ)4地面(N北，S南，E東，W西)5地平線6光伏電池組件陣列傾角β Η 7光伏電池組件陣列寬度I 8光伏電池組件陣列高度H 9天項方向ζ軸10基礎。圖2是類二型雙軸跟蹤器的結構圖；圖中12滾輪13地面軌道。圖3是類三型單軸跟蹤器的結構圖。圖4是類四型雙軸跟蹤器的結構圖；圖中11極向軸(轉角為ω)30光伏電池組件陣列與級向軸夾角δΗ，15太陽傾角旋轉軸(轉角為δΗ)。圖5是類五型單軸跟蹤器的結構圖；圖中16南北向旋轉軸(轉角為ΡΗ)。圖6是類六型單軸跟蹤器的結構圖；圖中17東西向旋轉軸(轉角為δΗ)。圖7是類七型雙軸跟蹤器的結構圖；圖中14第一排光伏電池組件陣列與最后一排光伏電池組件陣列的間距D 18方位角旋轉平臺23光伏電池組件陣列與相鄰的旋轉式的光伏電池組件陣列之間的間距d。圖8是連桿式仰角驅動裝置的結構圖；圖中19推桿20拉桿21拉桿驅動減速電機。圖9是一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置的結構圖；圖中22仰角軸驅動減速機24光伏電池組件陣列的長度L 25太陽跟蹤控制器29密封的回轉軸承和蝸輪蝸桿減速箱。
圖10太陽位置的坐標圖；圖中26太陽27太陽方位角As 28太陽仰角a s。
具體實施例方式為了更具體的描述本技術方案，以下給出三個本方案的具體實施案例。
具體實施方式
I :圖9給出一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其裝機容量為4. 56KW，其主要部位包括兩排平行擺放的光伏電池組件陣列1，一個方位角旋轉平臺18，一個方位角旋轉軸2和兩個仰角軸驅動減速機22 ;所述的方位角旋轉軸2垂直的連接到方位角旋轉平臺18的中央或者重心點，所述的每排光伏電池組件陣列I由單獨的一個仰角軸驅動減速機22于光伏電池組件陣列I的中央位置驅動。方位角跟蹤裝置安裝在旋轉平臺的中部，包含一個密封的回轉軸承和蝸輪蝸桿減速箱29，整個跟蹤式光伏發(fā)電裝置的重心落在這個回轉軸承上，實現(xiàn)在同等裝機容量的條件下，不需要很堅固的基礎。 每排光伏電池組件陣列I包含12片光伏電池組件，每片組件的標準功率為190W。每片組件的標準尺寸為I. 58mx0. 808m，光伏電池組件陣列的長度L 24為10. 28m，光伏電池組件陣列寬度I 7為I. 58m，光伏電池組件陣列與相鄰的旋轉式的光伏電池組件陣列之間的間距d 23為3. 16m也等于第一排光伏電池組件陣列與最后一排光伏電池組件陣列的間距D，光伏電池組件陣列高度H 8等于O. 79m。在進行太陽跟蹤的時候，太陽跟蹤控制器25根據(jù)當?shù)鼐暥?，當?shù)貢r間和當?shù)鼐韧ㄟ^本領域公知的太陽位置計算公式計算太陽的實時的位置，指示驅動裝置轉動電機，使方位角旋轉軸2的轉角Ah，等于太陽的方位角As ;仰角旋轉軸3的轉角β η等于90°減去太陽高低角a s。在這個案例d/Ι = 2. O, D/L = O. 307。
具體實施方式
2如圖7給出一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其裝機容量為6. 84KW，其主要部位包括三排平行擺放的光伏電池組件陣列1，一個方位角旋轉平臺18，一個方位角旋轉軸2和三個仰角軸驅動減速機22 ;所述的方位角旋轉軸2垂直的連接到方位角旋轉平臺18的中央或者重心點，所述的每排光伏電池組件陣列I由單獨的一個仰角軸驅動減速機22于光伏電池組件陣列I的中央位置驅動。方位角跟蹤裝置包含一個密封的回轉軸承和蝸輪蝸桿減速箱29，整個跟蹤式光伏發(fā)電裝置的重心落在這個回轉軸承上，實現(xiàn)在同等裝機容量的條件下，不需要很堅固的基礎。每排光伏電池組件陣列I包含12片光伏電池組件，每片組件的標準功率為190W。每片組件的標準尺寸為I. 58mx0. 808m，光伏電池組件陣列的長度L 24為10. 28m，光伏電池組件陣列寬度17為I. 58m，光伏電池組件陣列與相鄰的旋轉式的光伏電池組件陣列之間的間距d23為3. 16m，第一排光伏電池組件陣列與最后一排光伏電池組件陣列的間距D 14為6. 32，光伏電池組件陣列高度H 8等于O. 79m。在進行太陽跟蹤的時候，太陽跟蹤控制器25根據(jù)當?shù)鼐暥?，當?shù)貢r間和當?shù)鼐韧ㄟ^本領域公知的太陽位置計算公式計算太陽的實時的位置，指示驅動裝置轉動電機，使方位角旋轉軸2的轉角Ah，等于太陽的方位角As ;仰角旋轉軸3的轉角β η等于90°減去太陽高低角a s。在這個案例d/Ι = 2. O, D/L = O. 615。
具體實施方式
3結構和具體實施方式
2 —樣，不同的是，具體實施方式
2所述的三個仰角軸驅動減速機22由一套連桿式仰角驅動裝置取代。如圖8所示，每排光伏電池組件陣列I的仰角方向的旋轉由光伏電池組件陣列I背后的推桿19的推或拉的動作實現(xiàn)，推桿19的運動來自拉桿20的線性動作，拉桿20的動力來自拉桿驅動減速電機21。對比案例用圖I類一型的結構設計，裝機容量為4. 56KW，由6行4列平板光伏電池組件組成4. 848mx6. 32m的光伏電池組件陣列I，光伏電池組件陣列高度H 8等于2. 42m，其有效受風面積為30. 64m2，設備重心在高度H = 2m的位置，按標準風載計算，在十級風的情況下，受風力為14. lkN，地基所受的最大傾覆扭矩為28. 2kNm，在多臺設備的應用中，土地使用效率為50m2/kW。與體實施方式1-3的對比如下表
權利要求
1.一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其中主要部件包括方位角旋轉軸、仰角旋轉軸、多個光伏電池組件、用于固定光伏電池組件的光伏支架、用于支撐光伏支架的框架和太陽跟蹤控制器，所述的太陽跟蹤控制器根據(jù)時間計算太陽的位置并控制傳動裝置驅動方位角旋轉軸和仰角旋轉軸，使所述的光伏電池組件的面朝向太陽，達到太陽跟蹤的目的，其特征是所述的方位角旋轉軸與所述的框架的中部作垂直連接，形成一個由中央單點支撐和驅動的旋轉平臺，所述的光伏支架和光伏電池組件組成兩排或者兩排以上的光伏電池組件陣列安裝在旋轉平臺上，相鄰的光伏電池組件陣列之間按一定的間距d平行安裝；每排光伏電池組件陣列連接到一個仰角旋轉軸上，仰角旋轉軸與所述的旋轉平臺平行、與方位角旋轉軸垂直。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其特征是關于所述的仰角旋轉軸，每個仰角旋轉軸的運動由獨立的傳動裝置實現(xiàn)。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其特征是關于所述的仰角旋轉軸，每個仰角旋轉軸通過推拉桿驅動方式和連桿傳動結構共享一個仰角驅動源。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其特征是所述的相鄰的光伏電池組件陣列之間的間距d是光伏電池組件陣列寬度I的I.5 3. O 倍，即 d/Ι 是 I. 5 3. O。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其特征是所述的旋轉平臺上的光伏電池組件陣列的第一排與最后一排的間距D和所述的光伏電池組件陣列的長度L的比值D/L是O. 3 3. O，特別是O. 6 I. 6。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其特征是每排光伏電池組件陣列的高度H是一致的。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，其特征是每排光伏電池組件陣列的高度H是不一致的，其中最大的高度和最小的高度的比例不大于3. O。
全文摘要
一種能減少占地面積增加發(fā)電量的跟蹤式光伏發(fā)電裝置，主要由方位角旋轉軸、仰角旋轉軸、多個光伏電池組件、用于固定光伏電池組件的光伏支架、用于支撐光伏支架的旋轉平臺、兩排或者兩排以上平行安裝的光伏電池組件陣列和太陽跟蹤控制器組成。本方案將一個較高的光伏電池組件陣列分成兩個或者兩個以上較矮的光伏電池組件陣列，所有的光伏電池組件陣列共享一個方位角跟蹤裝置，所有的光伏電池組件陣列配備有獨立的仰角跟蹤裝置，每排光伏電池組件陣列也可以通過連桿傳動結構共享一個仰角跟蹤驅動源。此方案可以延長太陽跟蹤時間、減少占地面積、降低基礎和維護成本，同時提高抗風能力和可靠性，克服了傳統(tǒng)雙軸太陽跟蹤技術的經(jīng)濟性問題。
文檔編號H02N6/00GK102780421SQ201110125610
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權日2011年5月10日
發(fā)明者盧育發(fā), 彭壽, 李倩, 林文漢, 林晨星 申請人:安徽天柱綠色能源科技有限公司