提高太阳能电池板发电效率的结构及利用该机构的生态房

摘要

本发明一种提高太阳能电池板发电效率的结构及利用该机构的生态房，在房顶上设置有若干东西走向的旋转轴，并在每个旋转轴上焊接太阳能电池板支架与镜面支架，太阳能电池板支架上的电池板面与镜面支架上的镜面相互垂直，以使镜面反射太阳光至电池板面，本发明相邻的镜面支架之间有间距，可保证电池板在四季均能接受到充足阳光并使春秋分之间部分太阳光漏入至房内供种植或者养殖使用，利用本发明，可提高太阳能电池板的发电量，并将光伏产业与农业结合，以最大效率地利用太阳能，同时大幅降低投资成本，实现了土地的多重利用。

说明书

技术领域

本发明属于新能源应用技术领域，特别涉及一种提高太阳能电池板发电效 率的结构及利用该机构的生态房。

背景技术

生态结构房又名生态光伏电站，是基于光伏电站的基础，在支持光伏发 电功能的同时支持农业生产的绿色的环保的结构。

目前光伏电站的安装方法主要采取两种方式：

一是固定倾斜面安装：太阳能电池板面朝正南方向，与地面成一定夹角， 其值约为当地纬度值。

二是跟踪轴安装：利用电机转动跟踪轴，尽量使太阳能电池板正对太阳， 可分为单轴跟踪与双轴跟踪。

对于第一种方式，其具有如下缺点：1、比投资昂贵，成本回收期长；2、 太阳能电池板的生产过程污染严重；3、单位功率的占地面积巨大。

对于第二种方式，其具有如下缺点：1、与固定倾斜面安装相比，初始投 资成本更大；2、运行稳定性差，维护成本高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高太阳能电 池板发电效率的结构及利用该机构的生态房，可提高太阳能电池板的发电量， 并将光伏产业与农业结合，以最大效率地利用太阳能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种提高太阳能电池板发电效率的结构，包括用于将太阳光反射至太阳 能电池板的镜面结构，所述镜面结构与太阳能电池板共用一个旋转轴，利用 电机控制旋转轴调整镜面与入射光线的夹角，进而调整反射至太阳能电池板 的光线。可用于分布式光伏电站、光伏扬水等工程中，以及双轴逐日追踪系统， 只需保持好镜面与入射光线的夹角，可进一步提高发电量。

所述旋转轴为水平轴，连接于纵向的旋转支柱上，通过旋转支柱与旋转 轴的自由旋转使得旋转轴上的太阳能电池板面向辐射量最大的位置，提高发 电量，其中旋转支柱的旋转角度与太阳方位角一致。

基于上述提高太阳能电池板发电效率的结构，本发明提供了一种生态房， 在房顶上设置有若干东西走向的旋转轴，并在每个旋转轴上焊接太阳能电池 板支架与镜面支架，太阳能电池板支架上的电池板面与镜面支架上的镜面相 互垂直，以使镜面反射太阳光至电池板面。

优选地，相邻的镜面支架之间有间距，以保证电池板在四季均能接受到 充足阳光并使春秋分之间部分太阳光漏入至房内供种植或者养殖使用。

优选地，所述镜面反射率在0.9以上。

优选地，所述旋转轴连接步进电机，以控制太阳能电池板支架与镜面支 架同阳光之间的夹角。

优选地，所述太阳能电池板支架套在所述旋转轴上，太阳能电池板支架连接有一个辅助电机，辅助电机控制电池板面旋转至与镜面贴合。

优选地，控制所述镜面与入射阳光的夹角以使镜面反射的 阳光均匀地到达电池板面上，阳光与地面的夹角在南北方向上的投影角 镜面与地面的夹角λ2=λ1-λ；其中L为电池板面在垂直于旋 转轴方向上的长度，L1为镜面在垂直于旋转轴方向上的长度，φ为安装地纬 度，δ为安装地赤纬角，n是一年中的天数。

优选地，当赤纬角δ为-23.45度时，相邻旋转轴的最短距离

L2=L1cosλ2+Lsinλ2-(L1sinλ2-Lcosλ2)cotλ1，漏入房内的阳光的长度

L3=L2+L1(sinλ2cotλ1-cosλ2)-L(sinλ2+cosλ2cotλ1)。

优选地，所述步进电机连接有处理器，在处理器的控制下，使旋转轴每 天工作两次，日出前旋转使镜面与地面夹角为λ2以接受最大量的辐射，日落 后旋转使太阳能电池板进入房内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、比投资降低，成本回收期缩短。

2、单位功率所需太阳能电池板大幅减少，减轻其生产污染。

3、与固定倾斜面安装相比，逐日跟踪安装时单位面积电池板发电量多30% 至40%，本发明则多约80%，发电效率高。

4、运行稳定性好，可人工控制风险。

5、引入农产业，实现土地的多重利用。

附图说明

图1是本发明结构示意图（从正南方向看）。

图2是本发明结构示意图（从正东方向看）。

图3是阳光照射与本发明旋转轴旋转角度关系示意图。

图4是本发明电池板可旋转结构示意图。

图5是本发明春秋至日时（δ=0）的阳光入射图，斜线阴影部分为不置入电 机时，夜晚电池板在位置A时的可建区域。点阴影部分为置入电机后，夜晚电 池板在位置B时，多出的可建区域。

图6是本发明电池板进入房内的示意图。

图7是去掉镜面支架与电池板支架的结构示意图。

图8是本发明旋转轴通过旋转使镜面与水平面的夹角λ2等于太阳高度角α 减去λ的差的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种提高太阳能电池板发电效率的结构，包括用于将太阳光反射 至太阳能电池板的镜面结构，所述镜面结构与太阳能电池板共用一个旋转轴， 利用电机控制旋转轴调整镜面与入射光线的夹角，进而调整反射至太阳能电 池板的光线。

本发明同时提供了一种利用该机构的生态房，在房顶：利用镜子反光的 特性，适当地控制镜子与太阳能电池板的角度，使电池板接受更大量的太阳 辐射，提高发电量。在房里：利用房顶漏入的阳光进行种植或养殖产业。

具体地，图1是从正南方向看过去的生态房正视图，东西两侧为等高的 墙体1，距离为w，墙体1的顶部每隔一定距离安装一根高度为h的旋转轴2， 由电机控制转动。旋转轴2上焊接太阳能电池板支架3与镜面支架4，电池 板面5在太阳能电池板支架3上，镜面6在镜面支架4上，电池板面5与镜 面6相互垂直，且两个面相对，以使镜面6能够将太阳光反射至电池板面5。

如图2所示，假设电池板面5的长度（垂直于旋转轴2的方向为其长度 方向）为L，镜面6的长度（垂直于旋转轴2的方向为其长度方向）为L1， 那么步进电机控制旋转轴2，使镜面6与阳光夹角为λ时，镜面6反射的阳 光可均匀地到达电池板面5上，λ由式（1）求出。当安装地纬度为φ,赤纬角 为δ时，阳光在与地面的夹角在南北方向上的投影角λ1可由式（2）求出，镜 面6与地面的夹角λ2可由式（3）求出。

$\lambda =\arctan \frac{L}{L1}---\left(1\right)$

$\lambda 1=\frac{\pi }{2}+\delta -\phi ---\left(2\right)$

λ2=λ1-λ    （3）

其中，赤纬角δ可由式（4）求出，n是一年中的天数

$\delta =23.45\sin \frac{360(n+284)}{365}---\left(4\right)$

当夹角λ1最小时，即赤纬角δ为-23.45度（冬至日前后）时，可以计算 出相邻旋转轴的最短距离L2，如式（5）。

L2=L1 cos λ2+L sinλ2-(L1 sin λ2-L cos λ2)cot λ1    （5）

再如图3所示，当旋转轴距离为L2时，则漏入光伏生态房中的阳光的长 度L3可由式（6）计算得出。

L3=L2+L1(sin λ2 cot λ1-cos λ2)-L(sin λ2+cos λ2 cot λ1)    （6）

L3的长度在夏季最长，春秋次之，冬季最短。如果实际旋转轴的间距为 L2+x(x是长度裕度)，建议以春秋至日（δ=0）时，以L3+x的长度为标准， 在地面种植合适的春、夏、秋三个季节生长的农作物。

利用本发明的原理，亦可在非种植区域建仓库、住房等建筑。这样可以 充分地利用土地资源。欲修建筑时，最好在旋转轴2内多置入一个辅助电机， 而太阳能电池板支架3则套接在旋转轴2上，能够绕其旋转。这样可先将电 池板旋转至贴近镜面，再将镜面旋至水平，可省出高度空间,如图4。图4中 电池板与镜面支架相交的部分可以通过错位支架结构实现。

如图5是春秋至日时（δ=0）的阳光入射图，斜线阴影部分为不置入电 机时，夜晚电池板在位置A时的可建区域。点阴影部分为置入电机后，夜晚 电池板在位置B时，多出的可建区域。其中可种植区域起点到旋转轴的水平 距离L4可由式（7）求出

L4=L(sin λ2+cos λ2 cot λ1)+h cot λ1    （7）

一般情况下，可以使旋转轴2每天工作两次，即日出之时，旋转轴2工作， 使镜面6与地面夹角为λ2，以便接受最大量的辐射。日落之时，旋转轴2工作， 使电池板面5进入房内，以免受到夜晚大风等影响，达到保护电池板的效果， 如图6所示。如果天气显示将有狂风肆虐，可提前使电池板旋转入房内，避免损失。实现方法如下，在结构房中建一个控制室，由电脑分析电机的动作时间 与动作幅度、方向等，最后通过有线或无线信号把电机动作相关的信号发给电 机，实现大区域内电机的统一控制。最好是设置一台风速仪，如果风速仪的采 样值显示风速达到警戒值，或天气预报显示恶劣天气出现，甚至是人为观测有 恶劣天气将要出现，可通过电脑自动（可手动）控制电机旋转，避免损失。也 可以在电池板背面一定角度加个挡板，为其避雨。

结构参数上的设定上，旋转轴2的高度h应大于电池板长度L与建筑高度 之和。旋转轴宽度w与电池板长度L决定了旋转结构的重量，应结合电机功率 设定，满足电机正常工作的条件即可。

从上述原理可举例分析相关联系。由于晴天对发电量的影响最大，且光伏 电站的选址在晴天多的地方，在此讨论全年晴天的情况。如果镜面反射率为0.9， 镜面6长度是电池板面5长度的n倍，即L1=nL,这时电池板接受的辐射量是固 定安装时的m倍，那么n与m的关系如表1。由于电池板发电量几乎与其接受 的辐射量成正比关系，可见生态房的该结构可大幅提升电池板发电量，比固定 安装时可多发约80%的电量。

表1 n与m的关系表

以L1=2.75L为例，可计算出旋转轴的最短间距L2，及固定安装电池板时的 最短间距，作如表2比较。从表2可以看出，生态房旋转轴的最小间距与固定 装的最小间距成2倍关系，考虑到生态房的接收辐射量也约为后者2倍，则单 位功率占用的土地面积变化不大。

表2 生态房与固定安装电池板最短间距的比较

如果光伏生态房内进行种植业，以春秋至时的L3为最短种植区域长度，那 么各纬度的最短种植区域长度如表3如示。从表3中发现，L3与L2之比并不足 够高，如果改进行池塘养殖业，可利用区域更大。

表3 各纬度的最短种植区域长度

本发明可扩展应用在分布式光伏电站、光伏扬水等工程中，技术方案里通 过镜面反射与旋转轴控制提高电池板发电效率的方法可应用于双轴逐日追踪系 统，只需保持好镜面与入射光线的夹角，可进一步提高发电量。

如图7是去掉镜面支架与电池板支架的结构图，通过旋转支柱7与旋转轴2 的自由旋转可以使旋转轴2上的电池板5面向辐射量最大的位置，提高发电量。 旋转支柱7的旋转角度应与太阳方位角一致，这样电池板可以依靠旋转轴2的 旋转正对太阳。而在本技术方案中，如图8所示，旋转轴2应通过旋转使镜面6 与水平面的夹角λ2等于太阳高度角α减去λ的差。

该扩展应用可使同面积电池板发电量是固定倾斜面安装时的2.25倍左右， 但与传统的逐日追踪方法一样成本较高，稳定性不足，但比传统的逐日追踪方 法发电量大。