一种太阳能二维跟踪装置

摘要

本发明涉及太阳能利用技术，公开了一种太阳能二维跟踪装置，包括：绕与地面垂直轴转动的东西方位角的跟踪机构，绕与地面水平轴转动的高低方位角的跟踪机构。两个跟踪机构均采用长力臂设计，从动轮直径大，力臂长，齿轮模数小，机械强度高，配备电机小功率，驱动力矩小，能耗小，而且整体结构风阻小，稳定性好。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术，具体地说，涉及一种太阳能二维跟踪装置。

背景技术

目前太阳能光伏发电存在的主要问题是，发电成本比火力发电高许多倍，无法与火力发电竞争。平板式光伏发电系统中电池占成本比例太大(约为2/3)，不跟踪，光线利用率低，照射电池的光线最大只有一个光强，光伏电池未能充分利用，发电成本很高；聚光可以减少光伏电池用量，降低成本，但必须跟踪太阳。反射式聚光光伏发电系统采用时钟速率绕南北轴转动的日跟踪，手动调节绕东西轴转动的年跟踪，实际聚光比只能达到3～4倍，节省光伏电池数量少，降低成本有限；二次曲线或菲涅尔透镜可以大幅度提高聚光比，但是必须采用二维跟踪机构精确跟踪太阳，否则效率差。目前的二维跟踪光伏发电系统的另一个瓶颈是，二维跟踪装置在太阳能光伏发电系统中所占的成本较高。

二维跟踪成本，一是跟踪机构本身的制造和维修的成本，二是每天跟踪过程消耗电能的成本。制造成本是一次性投资，分配到每一度电上是很小的，但初始投资高。主要成本是每天跟踪过程消耗大量电能，使得输出电能降低，发电量与耗电量达到一定比例时，二维跟踪可能得不偿失。因此，人们转向研究不跟踪的平板式光伏发电系统，努力提高光伏电池的效率，降低光伏电池成本，虽然已有很大进展，然而发电成本降低到与火力发电竞争的水平需要相当长的时间。

目前应用的二维跟踪方式有两种，一是采用时钟速率绕南北轴转动的日跟踪，手动调节绕东西轴转动的年跟踪；二是摇头二维跟踪方式，它们的主要缺点在于：

1)力臂小。跟踪装置安装在支撑轴上，齿轮直径小即力臂小，转动需要电机功率大，跟踪耗电量高；

2)齿轮模数大。齿轮要推动转动惯量很大的接收发电装置，由于直径小，作用到齿轮的力大，必须加大齿轮模数才能保证强度。造成减速箱笨重，不但增加了制造成本，而且增加了耗电量；

3)抗风能力差。接收发电装置面积大，转动惯量大，边缘到中心距离长，风力产生的力矩大，齿轮还必须承载风力产生的力矩。齿轮模数小，轮齿易于折断，加大齿轮模数又造成减速箱笨重。

4)大规模的太阳能光伏电站应不占耕地，处于旷野或高原上，风力较大。设计上如果满足很少出现的强风力对结构的要求，则结构非常笨重，成本高，耗电量大。如果不满足很少出现的强风力对结构的要求，则出现强风力时，将造成系统损坏。

发明内容

针对目前太阳能二维跟踪装置的缺点，本发明的目的在于提供一种太阳能二维跟踪装置，它能够方便地实现对太阳光的二维跟踪，耗电量低，稳定性高，抗风能力强。

为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种太阳能二维跟踪装置，包括：绕与地面垂直轴转动的东西方位角跟踪机构，绕与地面水平轴转动的高低方位角跟踪机构，其特征在于，

所述的东西方位角跟踪机构，包括底座，固定在底座中心的垂直轴，套在垂直轴上的轴套，固定在轴套下端的轮体，固定在轮体圆周的齿环，与齿环啮合的第一主动齿轮，以及驱动第一主动齿轮的第一电机，所述第一电机固定在底座上；

所述高低方位角跟踪机构，包括固定在轴套上端的框架，框架的平面通过横梁和纵梁分成多个对称空间，每个空间通过转轴安装有一个单元阵列架，转轴设置在单元阵列架的两侧中部，每个单元阵列架上设置有太阳能接收单元，框架的横梁上设置有第二电机，第二电机的轴上固定有第二主动齿轮，横梁两边的上下相邻的两个单元阵列架的端部分别固定有齿弧，该齿弧与所述第二主动齿轮啮合。

本发明的进一步改进在于：

所述轴套与底座之间设置有轴承。

所述框架倾斜设置在轴套上，相对水平面的夹角为45°～70°。

所述第一主动齿轮为蜗杆，相应的蜗轮由轮体和齿环组成。

所述第二主动齿轮为蜗杆，相应的蜗轮为齿弧。

所述涡轮齿弧固定在单元阵列架的端部中央。

所述齿环由条状齿带弯曲而成。

本发明具有明显的有益效果，具体如下：

(1)两个跟踪机构均采用长力臂设计，从动轮直径大，力臂长，齿轮模数小，机械强度高，而且只需配备小功率电机。

(2)高低方位角跟踪机构力的作用点在单元阵列架端部，力臂长；上下单元阵列架转动方向相反，单元阵列架的平衡点在轴心，电机驱动力矩小，能耗小。

(3)单元阵列架平面上各太阳能接收单元之间有空隙，风阻小；太阳能接收单元安装在单元阵列架上，单元阵列架绕自身轴转动，上下单元阵列架相互错开，风阻会更小。

(4)东西方位角跟踪机构接近地面，稳定性好。

(5)本发明能够适应大型太阳能光伏发电站，容易实现自动控制与集中管理。结合相应的传感器，本装置能够识别风力、风向和自身受到的压力，并能迅速调整到受力最小状态，提高抗风能力，保证发电系统安全。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是太阳能二维跟踪装置示意图；

图2东西方位角跟踪机构B-B向视图；

图3高低方位角跟踪机构A向视图；

图4高低方位角跟踪机构的蜗杆与齿弧啮合示意图；

图5单元阵列架示意图；

图6单元阵列架C向视图；

图7齿环和条状齿带示意图；

其中：1、轴套，2、垂直轴，3、轮体，4、轴承，5、底座，6、水泥基座，7、齿环，8、第一主动齿轮，9、第一电机，10、框架，11、单元阵列架，12、太阳能接受单元，13、、第二主动齿轮，14、齿弧，15、第二电机。

具体实施方式

参照图1，该跟踪装置包括：绕与地面垂直轴转动的东西方位角跟踪机构、绕与地面水平轴转动的高低方位角跟踪机构；东西方位角的跟踪机构按时钟速率转动，高低方位角跟踪机构按时钟速率的函数转动，共同完成对太阳的二维跟踪。其中，东西方位角跟踪机构主要包括水泥基座6、底座5、垂直轴2、轴套1、轴承4、轮体3、齿环7、第一主动齿轮8、第一电机9。高低方位角跟踪机构主要包括框架10、单元阵列架11、第二主动齿轮13、齿弧14、第二电机15。

参照图1和图2，东西方位角跟踪机构的基座6中固定有螺栓，螺母与螺栓连接，将底座5与基座6连接成一体。垂直轴2固定在底座5中心，轴套1套在中心轴2上，轴承4位于底座5与轴套1之间。轴套1下端固定轮体3，齿环7固定在轮体3圆周，齿环7上的轮齿与第一电机9轴上的第一主动齿轮8啮合。第一电机9转动，第一主动齿轮8带动齿环7转动，从而带动轴套1转动，完成东西方位角的跟踪。更佳的方式是：第一主动齿轮8为蜗杆，相应的蜗轮由轮体3和齿环7组成，这种方式传动比高，且有自锁作用，风力作用到太阳能接收单元的力对电机影响很小。

基座6可用多种材料制成，采用水泥成本低，质量大，抗腐蚀，结构坚实，寿命长，是一种比较理想的材料。轮体3直径可做成φ1000～φ2000mm，由于直径大，力臂长。

参照图1、图3，高低方位角跟踪机构包括框架10、单元阵列架11、第二主动齿轮13、齿弧14、第二电机15。框架10固定在轴套2上端，与水平面夹角为固定值，可以根据实施地的经纬度设置，范围为45°～70°。框架10的平面通过横梁和纵梁分成多个对称空间，每个空间通过转轴16安装一个单元阵列架11，转轴16设置在单元阵列架11的两侧中部，单元阵列架11可以上下转动。每个单元阵列架11上可以设置一个或多个太阳能接收单元12。

参照图3、图4，第二电机15设置在框架10的横梁上，第二主动齿轮13固定在第二电机15的轴上，齿弧14分别固定在横梁两边的上下相邻的两个单元阵列架11的端部，第二电机15转动，第二主动齿轮13带动上下相邻的两个单元阵列架11端部的齿弧14向相反方向转动，完成高低方位角的跟踪。更佳的方式是：所述第二主动齿轮13为蜗杆，相应的蜗轮为齿弧14这种方式传动比高，且有自锁作用，抗风能力强。

参照图5、图6，齿弧的中心是单元阵列架11的轴心，力臂较长；单元阵列架11的轴心是太阳能接收单元阵列的平衡点；蜗杆转动时，上下相邻的两个单元阵列架11向相反方向转动，其平衡点是第二电机15的轴心；上下相邻的两个单元阵列架11向相反方向转动，互相错开，风阻大幅减小；因此，高低方位角跟踪机构耗电量小，配备的电机功率小。

参照图7，齿环7由条状齿带弯曲而成。可以在轮体上直接加工出齿，但较大直径的齿轮，按常规的滚齿工艺，加工成本较高。条状齿带制作成齿环7，可用机械、粘结或二者合一的办法将齿环7固定在轮体3上，工艺性好，加工成本低。

本发明用于大型太阳能光伏发电站，可以使用一个控制器输出信号来控制所有的太阳能二维跟踪装置。由于大型太阳能光伏发电站一般不占耕地，位于旷野或高原，风力较大。当风力大于额定值时(如8级风)，可能造成跟踪装置和发电系统损坏。控制器可以与一个具有风力、风向、压力和辐照度传感器的太阳能二维跟踪装置连接，当风力大于额定值时，控制器输出信息，所有太阳能二维跟踪装置迅速转动到受力最小的东西方位和高低方位，保护系统安全，当风力小到安全值时恢复跟踪。当光辐照度小到某一额定值时，例如：发电能量与耗电能量相当，传感器通过控制器输出信息，太阳能二维跟踪装置停止工作。