用于太阳跟踪的自稳定设备的制作方法
【专利摘要】一种用于安装多个太阳追踪单元的框架。该框架包括通过多个桁架相互连接的多个支腿组件，以提供被框架自身的重量稳定的稳定结构，而不是依赖于诸如混凝土块的外部稳定物。每个支腿组件设有轴，所述轴具有用于安装太阳追踪单元的安装端。每个太阳追踪单元包括电枢组件和用于控制安装在其上的太阳能面板的定向和位置的至少一个马达。每个都包括框架和多个太阳追踪单元的太阳追踪组件可通过使用隔开所述组件的连接器组装成阵列，从而提供增强的稳定性。每个组件可设有本地控制单元，用于控制每个单独的太阳追踪单元，并且全局控制单元可用于控制本地控制单元。
【专利说明】用于太阳跟踪的自稳定设备
[0001]相关申请的参考
[0002]本申请要求2011年8月15日申请的美国申请61 / 523，817和2011年9月7日申请的美国申请61 / 532，083的优先权，上述申请的全文被合并于此作为参考。
【技术领域】
[0003]本发明涉及太阳能领域，并且特别地涉及追踪太阳能面板组件及其配置。
【背景技术】
[0004]通常通过布置在一个或多个太阳能面板的大的表面区域上的互连的光电(PV)电池组件来收集太阳能用于发电。多个太阳能面板可布置成阵列。
[0005]除了在开发能够优化性能的有效的太阳能面板中固有的困难(包括制造的不相容性和组装的不精确性)，场地条件对于成本有效地执行太阳能收集设置了进一步的障碍。通常，包括用于引导太阳能面板的定位的追踪器控制器的太阳追踪系统受益于安装在平坦表面上，该平坦表面允许精确地安装该系统并通过将系统锚固到固定基座(例如通过浇倒水泥基座)而确保稳定性。然而，这些要求增加了场地安装的成本，因为需要额外的设备和人工。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]附图中仅仅通过示例的方式描绘了本文中描述的选出的实施例，其中，
[0007]图1是安装在地面上的追踪太阳面板组件的透视图；
[0008]图2是处于展开状态的图1的组件的箱式框架部分的局部分解透视图；
[0009]图3是处于折叠状态的图2和箱式框架的部分的透视图；
[0010]图4是用于安装到图2的箱式框架的桁架的支腿组件的透视图；
[0011]图5、6和7是可替换的支腿构造的透视图；
[0012]图8是与图1的组件的一起使用的电枢(armature)组件的透视图；
[0013]图9和10是与图1的组件一起使用的示例性太阳能面板的侧视图；
[0014]图11和12是图1的组件中的安装后的光电追踪器模块的透视图；
[0015]图13是多个相互连接的框架的例子的示意图；
[0016]图14是示出了多个图1的追踪太阳能面板组件之间的电和通信互连状况的进一步的不意图；
[0017]图15是描绘了用于自动校准的过程的流程图；以及
[0018]图16是示出了太阳能场地中的多个追踪太阳能面板组件之间的电和通信互连状况的进一步的不意图。
【具体实施方式】
[0019]为集中式或非集中式光电太阳能面板提供自稳定太阳追踪器组件，以保持面板的稳定性和对准，而无需底面准备。模块化的、可折叠的桁架结构被作为框架提供，以支撑多个其上安装有太阳能面板的太阳追踪单元。这些单个的面板安装在其重心处或附近并且定位在框架的角落或接合部处。这些结构可在场地中物理地相互连接以提高稳定性，从而降低或消除对于压载物(诸如水泥块)的要求，并且还用于方便电连接和数据通信的目的。多个这些相互连接的结构在太阳能场地或者子场地中的布置在太阳追踪单元的支撑结构的接地方面提供了效率。
[0020]转向图1，显示太阳追踪器组件或单元100。该组件100大致包括接地框架10，用于支撑一个或多个光电(PV)追踪器模块(也被称之为太阳追踪单元)200。在图1描绘的实例中，所示的太阳追踪单元200支撑太阳能面板205。框架10包括多个桁架12、22。在图1的例子中，框架10具有限定了框架10的第一相对的侧边的长度基本相同的第一对桁架12、12，第一对桁架12、12通过支腿组件30连接到限定了剩余的相对的侧边的长度基本相同的第二对桁架22、22。桁架组件因此形成整体的平行四边形形状，并且在该具体的例子中，为箱式或矩形框架10。框架10的侧边不需要特别地采用桁架，但是用桁架设计带来的结构稳定性的益处是本领域技术人员能够意识到的。
[0021]如图2所示，每个单独的桁架12包括上弦元件14和下弦元件16，并且每个单独的桁架22包括上弦元件24和下弦元件26。弦元件14、16和24、26分别通过一组桁架元件17,27接合。该例子中的桁架12，、22中的每一个包括一组四个桁架元件17、27。桁架元件17,27的选择和布置不必要限定为所示的例子的形式；根据框架10的选定的尺寸和材料，可以采用更多或更少的桁架元件17、27。此外，一个或多个支柱18、28可安装在上弦和下弦元件14，16或24，26之间以在弦元件之间提供额外的垂直支撑。在图2的例子中，一些支柱18，28被设置在桁架12、22的端部附近，S卩，靠近相邻桁架的接合部。支柱的数目(可以是零或更多)和布置以及桁架元件的数目和布置可以根据太阳追踪器组件100安装的具体要求以及框架10和追踪器模块200的固有特性(包括待支撑的追踪器模块200的重量、用于制造桁架12、22的材料以及桁架12、22的几何形状)进行选择。
[0022]桁架12、22在它们相应的端部处或附近接合在支腿部件30处，如图3和4进一步所示。每个支腿组件30包括轴31，并且可包括可调节的足部元件37，如图2中描绘的支腿组件的一个例子所示。在该例子中，足部元件37是可拆卸的，并且包括从杆38延伸的板元件39。杆38连接到支腿组件30的轴31，并且在某些例子中，杆38与轴31的连接点可以变化，以允许支腿组件30的整体高度的调节，并且因此当太阳追踪单元200安装在支腿组件30上时，允许调节太阳追踪单元200的高度。杆38和板元件39可具有与本文描述的不同的替换性构造。在某些例子中，可在板元件39之外额外地提供或替代板元件39地提供钉状元件或其他的连接部件(未示出)，以用于将支腿组件锚固到地面中和/或使框架10电接地。支腿组件30的末端提供用于安装支撑太阳追踪模块200的电枢组件的安装端35。
[0023]桁架12、22和支腿组件30以及它们相应的构件，可由任意适当的材料制作。例如，桁架和支腿组件可由镀锌的钢或铝制造，并且可通过挤出或拉制金属管材(无论是开口的还是封闭的)来制造。此外，在某些例子中，至少上弦元件14、24可设有轴向钻孔或以其它方式形成有行进弦元件的长度的内部通道，在任一端处开口(未示出)，其可在弦元件由管材制造时方便地提供。线缆、电线和软管(诸如电缆等)以及空气或水管，可穿过上弦元件
14、24和/或下弦元件16、26。类似地，支腿组件30可设有类似的轴向钻孔或内部通道。在这里描绘的例子中，支腿部件30是管状元件。
[0024]图3描绘了接合到图2所示的四个支腿组件30的框架10的三个桁架22、12、12。在该例子中，三个桁架在折叠状态下与支腿组件30组装在一起，以便运输。在该构造中，桁架保持接合，但比框架10完全组装时更容易运输。剩下的第四个桁架22可单独地提供。然而，可以意识到，即使第四个桁架被连接在框架10中，框架10也仍然可以折叠成适于运输的基本平坦的折叠结构。该视图描绘了支腿组件30上的凸缘单元32，33，34，凸缘单元被提供以用于安装桁架12、22。从折叠状态可以看出，用于将桁架12、22接合到支腿组件30的紧固装置(如图4所示)有利地适用于在每个桁架12、22与支腿组件30之间提供铰接连接，以允许框架10在部分组装的状态下被运输。此外，由于桁架12、22可在它们的相应的上和下弦元件14，16，24，26中携带电缆、电线或软管，因此这些构件可在运输之前预先穿过所述弦，以使在场地上的组装时间最小化，以及使电线等与元件屏蔽，并减少对于昂贵的连接器的需求。
[0025]转向图4，其示出了支腿组件30的进一步视图。第一下凸缘单元32被设置在支腿组件的第一端附近(即，靠近被接合到足部元件37的端部)。在该例子中，凸缘单元32包括从支腿组件延伸的一组四个凸缘32a，32b，32c，32d。在箱式框架10的该例子中，凸缘32a，32b，32c, 32d围绕支腿组件30径向地延伸并基本等间距地间隔，即，彼此成直角。在该例子中，单个凸缘32a，32b，32c，32d和下弦元件16、26配有用于接收紧固件42的相应的钻孔。下弦元件16、26被设置在相应的凸缘32c，32d上，使得设置在每个构件中的钻孔基本对准，并且紧固件42被用于将弦元件连接到其相应的凸缘。紧固件42还可通过用于电接地目的的相应的凸缘，方便弦元件与支腿组件30之间的电连接。例如所描绘的螺栓和垫片的适当的紧固件42可以被选择以用于接合和/或电连接弦元件和凸缘。本文提及的紧固件例如可以是自攻丝螺栓或开口销；因此凸缘单元32与桁架12、22中的钻孔不需要加工螺纹。
[0026]将会意识到，也可以使用将桁架12，22连接到支腿组件30的其他装置；例如，支腿组件30不需要配有凸缘单元32，33，34，而是上弦和下弦14，24，16，26可以直接安装到轴上。然而，单个凸缘32b，32c还向安装在其上的桁架22，12的下弦元件26，16提供支撑。尽管如图4所示，所示的凸缘单元32，33，34被固定在支腿组件30的轴31上的预定位置，但在某些例子中，凸缘单元32，33，34可以安装在轴31上的不同高度处。例如，凸缘单元32可包括管状体，该管状体具有从其延伸的凸缘32a，32b，32c，32d，该管状体具有比轴31的外径更大的内径。如果轴31和凸缘单元32的管状体是圆形的，凸缘单元32可被旋转到期望的位置。凸缘单元32可沿轴31的长度滑动，并随后通过使用适当的紧固件固定就位。然而，为简化场地安装，凸缘单元被固定在预定位置处。
[0027]一旦框架10被组装，该例子中的两个凸缘32a，32d不被用于连接任何桁架12或22。然而，可以意识到，提供额外的凸缘32a，32d允许支腿组件30连接到额外的桁架(未示出)，和连接到如下文参照图13描述的间隔臂。
[0028]上凸缘元件33，34可按照与上文所述的下凸缘元件32类似的方法配置。上凸缘元件33，34在轴31上与下凸缘元件32间隔开，以接收桁架12，22的上弦元件14，24，其方式再次与下凸缘元件32类似。在该例子中，上弦元件14，24被设置在第一凸缘单元33和第二凸缘单元34之间，其中第一凸缘单元33支撑弦元件。紧固件44被随后用于将弦元件14，24固定在两个凸缘之间。
[0029]当上弦元件14，24被安装到支腿组件时，一个或多个支腿组件30可包括设置在上弦元件14,24的水平处或附近的一个或多个端口(port)40。在图4中显示单个这种端口
40。穿过弦元件14，24的电缆、电线或软管可延伸进入与第一上弦元件14的开口端对应的第一端口 40，并穿过支腿组件30以从与第二上弦元件24的开口端对应的第二端口伸出来，之后，所述电缆、电线或软管继续延伸。可替换地，某些电缆和电线可穿过弦元件14，24，而其他的电缆和电线被连接到弦元件14，24的外部。例如，当弦元件24被电接地时，低压控制电缆可穿过弦元件14，24，而高电压功率和控制电缆可沿弦元件14，24的外部布置，以与低压控制电缆电隔离。在另一例子中，某些电缆和电线可以连接到弦元件14，24的一侧，而其他电缆和电线被连接到弦元件14，24的另一侧，使得弦元件14，24用作电隔离器。在又一例子中，电缆和电线可穿过支腿组件30并布置在地下，在那里电缆和电线被电隔离。支腿组件30还可包括隔离器，以在支腿组件30内隔离高压和低压电缆。
[0030]示例的框架10的箱子形状提供用于安装太阳追踪单元200的足够稳定的构造。然而，本领域技术人员将意识到，替换性的框架构造也是可行的。三角形框架50的例子如图5所示，其中三个桁架52被安装到支腿组件54。在该特殊的构造中，桁架52具有大大致相同的长度，从而产生大致等边三角形结构；然而，桁架52可包括两个或三个不同的长度。桁架52和支腿组件54可通过与参照图4描述的那些类似的方式结合，尽管与图4的例子不同，从支腿组件54延伸的凸缘将被布置在适于在期望的三角形构造中结合桁架的角部处。
[0031]两种其他可能的构造如图6和7所示。图6是用于框架60的X—构造的示意图，其中四个桁架62在中心点处安装到中心支撑杆66，并且四个支腿组件64结合到每个桁架62的末端。太阳追踪单元(未示出)将随后被安装在支腿组件64中的至少一个上。太阳追踪单元的布置因此与图1的箱式框架10上的太阳追踪单元的布置类似。图7示出了进一步的X —构造，其中，桁架72再次安装到中心支撑杆76，并按照与图6所示类似的方式延伸；然而，每个桁架72的末端被安装在末端支撑杆74处，并且两个支腿组件78通过支撑梁77或进一步的桁架的手段结合到每个末端支撑杆74处。如图7的例子所示，框架70可支撑至少四个太阳追踪单元(未示出)，太阳追踪单元可安装在末端支撑杆74上。图6和7中示出的例子可折叠以方便运输。中心支撑杆66，76可配有铰链连接，使得桁架62，72能够被旋转。图7的末端支撑杆74也可配有铰链，使得支腿组件78能够被折叠。
[0032]在图1描绘的例子中，太阳追踪单元200被安装在支腿组件30的安装端35上。如图8中所示，太阳追踪单元200包括电枢组件80。太阳能面板，例如下文中参照图9和10进一步详细描述的那些，可以被安装在每个电枢组件80上。每个太阳追踪单元200还可配有太阳位置传感器(未示出)，以用于计算机校正，以确保阳光垂直地入射在太阳能面板的表面上，以及用于补偿场地安装的难以预料的变化，例如不平坦的地面影响指定单元200的斜度，以及其他问题，诸如太阳能面板210、220或其构件在制造中的制造误差、实际太阳位置和期望太阳位置之间的差异等。
[0033]电枢组件80包括轴82，轴82具有尺寸被设定为装配在支腿组件30的安装端35内的外径。轴82在支腿组件30内的定向可在场地安装过程中确定，但是通常地，该定向是通过框架10与太阳追踪单元200的期望的南一北向对准来确定的。太阳追踪单元200在框架10上的对准可通过位于轴的第一端82’处的一个或多个凹口或楔口(embrasure)93设定，所述凹口或楔口 93接收位于支腿组件30的安装端35内的一个或多个相应的突起或销(未示出)。在图8的例子中，第一卡箍98和第二卡箍99设置在轴82上，从第一端82’向后移。第一和第二卡箍98，99中的每一个具有比轴82或第一端82’更大的直径，其中，第一卡箍98的尺寸被设定为以最小间隙或无间隙的方式装配在支腿组件30(图8中未示出)的安装端35内。第二卡箍98可具有与第—^箍98的外径基本相同的外径，以类似地装配在安装端35内，其中上唇部81具有更大的直径，上唇部在安装时座接在支腿组件30的安装端35的顶部边缘上。因此，轴82上的唇部81的位置，以及在某些实施例中的凹口93的深度，确定了一旦电枢组件80安装在支腿组件30上的高度。在其他例子中，第二卡箍99的整体可具有至少比支腿部件30的安装端35的内径更大的外径，并且因此可以取消唇部81。在该情形下，第二卡箍99将座接在安装端35的顶部边缘上。当安装时，轴82可进一步固定到安装端35，其中平坦部94或其他容纳部(例如，钻孔或其他孔)适于接收设置在安装端35中的紧固件(例如，固定螺钉，未示出)。在某些例子中，钻孔36(如图4中所示)被设置在安装端35中，以用于接收紧固件。
[0034]电枢组件包括轭状物84，轭状物84设有轭安装件79、从轭安装件79延伸的横杆85、和从横杆85延伸的第一和第二臂86。尽管在其他构造中两个臂相对于横杆85和轭安装件79的相对位置可根据安装在电枢组件80上的太阳能面板的设计而变化，在图8所示的构造中，臂86从横杆85基本垂直地延伸并基本平行于轭安装件79，并且两个臂彼此平行。用于增加刚性的角撑板(gusset)83被安装在横杆85和臂86上。轭安装件79延伸穿过横杆85的中心并固定到该中心。轭安装件79、横杆85、臂86和角撑板83可被制作成单独的构件，它们焊接在一起以形成轭状物84。可替换地，轭状物84可通过模铸整体地形成为单个部件。
[0035]轴承或衬套(图8中未示出)可设置在轭安装件79内以促进轭状物84围绕轴82的旋转。用于控制太阳追踪单元200的偏航运动的第一驱动系统包括固定到轴82并因此相对于框架10静止的第一齿轮90。与第一齿轮90接合的第二齿轮91也被设置在横杆85上，第二齿轮91与第一齿轮90相同地从横杆85的同一个面延伸。第二齿轮被相对于轭状物84固定。在图8的例子中，第一和第二齿轮90，91被设置在轭状物84的内侧，即，基于两个臂86之间。为第二齿轮91提供包括马达和变速器92的第一驱动组件，以用于控制第二齿轮91的旋转，以致使轭状物84`围绕固定的第一齿轮90和轴82旋转。适当的驱动组件的例子包括耐气候变化并且耐久的步进电机，该步进电机具有连接到密封的变速箱的输出轴，变速箱具有带小齿轮(第二齿轮91)的输出轴。小齿轮(第二齿轮91)能够因此提供比步进电机更高的转矩，转矩的增加取决于包括在密封的变速箱内的齿轮的传动比。连接到密封的变速箱的输出轴的小齿轮与第一齿轮90接合并可在非密封的环境下操作。第一驱动系统因此为轭状物84提供了高达360度(或更大)的顺时针或逆时针方向的旋转。在使用中，电枢组件80可被封装在耐气候变化罩(未示出)中，以保护驱动系统免受冰、雨、沙等的影响。
[0036]轮轴88穿过设置在两个臂86的端部附近的孔87被安装。再次地，适当的轴承或衬套被提供，但未示出。轮轴88的每一端终止于板89，以安装到太阳能面板的底侧，如下面的图所示。板89的精确的构造将取决于用于将太阳能面板安装到电枢组件80的连接装置；在这种情况下，在板89的外周中设置槽，以接收紧固件，用于将电枢组件80连接到太阳能面板。控制太阳追踪单元200的倾角的第二驱动系统被设置在轭状物84和轮轴88上；第一齿轮95安装在轮轴88上，与第一齿轮96啮合的第二齿轮96安装在轭状物84上。在该例子中，第一齿轮95为圆扇形轮，而不是与齿轮90类似的整个圆形。由于通过包括齿轮90，91的第一驱动组件可提供更大范围(即，超过180度)内的偏航，因此太阳追踪单元200在90度范围内的倾角调整是很可能充分的。在另一例子中，齿轮95可以是半圆形的，而不是四分之一轮；取决于太阳能面板堆轮轴88的接近性，可能不能在轮轴88上提供完整圆形的齿轮。第二齿轮96被进一步的驱动系统控制，该系统包括马达和变速箱97，同样也被安装在轭状物84上。适当的驱动组件的例子包括耐气候变化并且耐久的步进电机，该步进电机具有连接到密封的变速箱的输出轴，变速箱具有带小齿轮(第二齿轮96)的输出轴。小齿轮(第二齿轮96)能够因此提供比步进电机更高的转矩，转矩的增加取决于包括在密封的变速箱内的齿轮的传动比。连接到密封的变速箱的输出轴的小齿轮与第一齿轮95接合并可在非密封的环境下操作。在图8的例子中，马达97和第二齿轮96可靠近齿轮95地安装在臂86上。
[0037]在图8中，描绘了正齿轮；然而，也可采用其他类型的齿轮以在垂直于轴82和轮轴88的两个基本正交的平面内提供运动。可以提供拉簧(未示出)以确保齿轮91，96和90，95的齿之间的啮合。可在两个驱动组件的每一个上提供复位开关(home switch)(未示出)以用于将太阳能面板返回到默认位置。两个马达92和97可通过使用下文描述的本地控制单元加以控制。
[0038]安装到电枢组件80的太阳能面板可具有任意适当的形状。例如，太阳能面板可包括由半导体(诸如，硅、砷化镓、碲化镉、或铜铟镓砷化物)制成的一个或多个平板型太阳能面板或可以是采用了聚光光学装置的聚光型太阳能面板。在聚光型太阳能面板的情况下，太阳能面板包括单独的光学模块，该模块包括PV电池。光学模块可包括或不包括集成的电子器件，诸如功率效率优化器等。设有单独的光学模块的光学装置可包括多构件型光学装置。多光学装置组件的实施例被描述在2010年2月12日提交的第2011 / 0011449号和2008年5月I日提交的第2008 / 0271776号美国专利申请公开出版物中。集成聚光型PV模块被描述在2011年4月I日提交的第2011 / 0273020号美国专利申请公开出版物中。这里提到的这些文件的全文被合并于此作为参考。单个光学模块可以串联合并成光学模块串，其之后可与其他串并联连接以产生光学模块阵列。一个或多个光学模块串可布置在平面中以形成太阳能面板模块。
[0039]图9描绘了 “领奖台”构造的第一太阳能面板210，其中由光学模块组成的太阳能面板模块布置成交错的形式以定义一个两层面板。光学模块串被安装在一个或多个横杆212上以形成太阳能面板模块。横杆212可由铝或能够提供适于场地使用的耐气候变化性、刚性和稳定性的任意适当的材料制造。横杆212定义了至少一个凹入的层213和至少一个升高的层214，每个层承载多个光学模块218。图9中的横杆212包括位于两个凹入的层213之间的升高的层214 ;然而，多个升高的层214可插入在多个凹入的层之间。在该例子中，光学模块218被安装在散热器216上,散热器将光学模块218与横杆212间隔开。散热器可由任意适当的材料制造；在图9中，散热器有挤出成型的铝制造并具有工字梁(“I”beam)构造，该构造包括支撑部216a，该支撑部安装到横杆212，使得光学模块218基本平行于层213,214,并且指定的层213、214上的成组的光学模块彼此基本平齐。提供一组翼片216b以用于散热。固定有光学模块串的多个横杆212自身被梁215连接(如图11和12中所示)，电枢组件80可连接到梁215。
[0040]可替换的“三角状”太阳能面板构造220在图10中示出。在该例子中，横杆222包括两个臂224，该两个臂成角度并在中间顶点226处汇合。再次地，光学模块230被安装到散热器228，散热器接着在支撑部228a处安装到臂224。同时，与上文参照图9提及的一样，散热器可具有不同的形式，图10中所示的改进的工字梁形式允许单个光学模块230彼此平行地安装成梯田型布置。再次地，电枢组件80可安装到梁，图10中未示出。这些交错的和三角状的构造210和220 二者因此在不同的高度处偏移相邻的光学模块串并因此改善面板周围的气流，从而辅助减少风载荷并促进散热的传热，并可以允许面板210、220以比其他情形更高效率地操作。包括多个平板型太阳能面板模块的太阳能面板可类似地具有交错的或三角状构造。在某些例子中，太阳能面板模块可直接连接到至少一个凹入的层213和至少一个升高的层214上或连接到成角度的臂224上，而无需散热器216，228。
[0041]图11描绘了上文提到的横杆212和梁215的连接。设置在电枢组件80的轮轴88上的板89可通过使用适当的紧固装置固定到梁215。单个太阳追踪单元200和面板被有用地安装，使它们的中心对准支腿组件30的定位，以增强单元整体的稳定性。太阳能面板210和220的交错的和三角状的构造还能在一旦安装之后增强稳定性；当面板被安装在电枢组件80上时，由于偏移的相邻的光学模块串的这种布置，旋转轴线(俯仰旋转，由轮轴88定义)与面板210和220的中心基本对准。这可以在图9和10中通过轮轴88的相对于面板210、220的位置看出。该面板设计因此降低了在不同定向之间驱动面板所需的能量的量，并有助于保持追踪精度。
[0042]可替换地，太阳能面板，无论是平板型太阳能面板还是包括聚光光学装置的太阳能面板，都可具有“平面的”太阳能面板构造，其中，所有接收器位于一个平面中(未示出)。如果太阳能面板和用于将太阳能面板安装到电枢组件的面板框架的重心不处于轮轴88的中心，则当轮轴88旋转时，重心将对抗重力垂直地移动，从而要求系统做功。因此，将太阳能面板和面板框架的重心维持在轮轴88的中心处可能是有利的。为了将太阳能面板和面板框架的重心维持在轮轴88的中心处，可将一配重连接到太阳能面板或面板框架以将重心移动到期望的位置(未示出)。
[0043]图11还描绘了用于将太阳追踪单元200的支撑结构接地的可能的导通路径。导体1100通过紧固件1101固定在梁215的一端处或附近，并延伸至紧固件1103，该紧固件1103将导体1100固定到角撑板83。导体1100的第二端被随后固定到支腿组件30的安装端35，例如，在将电枢组件80连接到支腿组件30的进一步的紧固件1105处。导体1100以足够松弛的方式紧固到电枢组件80，以允许通过使用偏航和倾角驱动组件执行太阳追踪单元200的运动。导体1100可是任意适当的接地电线或电缆，诸如绝缘的10-标准线，并且紧固件可以是任意适当的类型并且有利地是自攻丝接地螺栓，其耐腐蚀并被喷漆以防止在场地使用中的退化。
[0044]图12描绘了用于将太阳追踪单元200的支撑结构接地的替换的电线。在该例子中，导体1201的第一长度被固定在设置在轭状物臂86上的紧固件1101和另一个紧固件1102之间。导体1201的第二长度通过使用紧固件1103固定到角撑板83，并通过紧固件1105固定到支腿部件30。通过这种方式，轭状物84和角撑板83提供了导电接地路径的一部分，而不是依赖于电缆的更长的长度去提供导电路径。通过这种方式，由于在偏航和倾角驱动组件使太阳追踪单元200沿多个轴线移动时，导体1201、1202承受更少的运动，因此与图11的接线相比，电缆的扭曲和/或弯曲的量可被降低。
[0045]当在场地中展开时，箱式框架10有利地设置成使框架10的一个桁架对准在北-南方向上。对准和定位的例子如图13所示，图13描绘了三个箱式框架10，其中当三个箱式框架布置在场地中时，较短的桁架被定向在北-南方向上。为了维持框架10之间的间距，具有预定长度的间隔臂1302、1304被固定到相邻的框架10的桁架或支腿组件。间隔臂1302，104可与上弦元件14，124或沿地面对准。例如，如图13所示，定向在北-南方向上的间隔臂1302可与上弦元件14，24对准，而定向在东-西南方向上的间隔臂1304可位于地面水平处或附近的位置，该位置能够允许人在框架10之间移动并且其中间距允许车辆在框架之间沿东-西方向被驱动。相互连接增强了框架10整体的结构稳固性，并且减少对于框架10的外部稳定物的需求。间隔臂1302、1304的长度和框架10本身的尺寸可根据期望的每个太阳追踪单元200的间距来选择，其可至少部分地基于太阳能面板的尺寸和/或环境因素，例如遮挡和风速，以及制造因素，例如，基于对相关构件的分析、运输和土地使用成本以及最优化的功率产出。例如，在使用图11和12中所示的面板类型的情况下，北-南方向上的支腿组件之间的距离可大约为3.44米，并且东-西方向上的支腿组件之间的距离可大约为4.98米。
[0046]除了用于增强稳定性目的的太阳追踪单器组件100的框架10的物理相互连接之夕卜，单个太阳追踪单元200在单个的太阳追踪单器组件100内相互连接。图14中所示的本地控制单元1402 (IXU)可设置于每个组件100上，以控制设置在单个框架10上的所有太阳能单元200。可替换地，单个IXU1402可用于控制数个框架(未示出)上的太阳追踪单元200。例如，可设置和布置框架10的集群，使得LCU1402仅被安装到该集群的单个框架10上，并且其他框架10不具有安装到它们上的本地控制单元。电线可从单个IXU1402延伸至该集群的多个框架上的每个太阳追踪单元200。在制定的具有四个太阳追踪单元200的框架10内，多对单元200可彼此串联连接，并且这些对彼此并联连接，从而实现提高的电压，以减少连接电线中的功率损耗。每对单元200可设有与LCU1402通信的电流和/或电压传感器(未不出)。
[0047]在某些例子中，单个框架上的每个太阳追踪单元200是独立可控的，并且每个太阳追踪单元200可配有电流和/或电压传感器。
[0048]IXU1402可接收包括天文数据(其可以被预编程在IXU中或可替换地通过网络接收)、来自电流或功率传感器的读数和来自每个太阳追踪单元200上的太阳位置传感器的读数在内的输入。LCU使用输入数据确定每个单元200的太阳能面板位置，并输出信号以控制马达和在场地中或通过网络与其他构件通信。IXU1402还可设有温度传感器，以测量组件100位置处的环境温度。如果温度被检测到上升至预定的阈值以上，则IXU1402可停止追踪太阳直到温度返回到可操作的范围(例如，摄氏-20至+50度)。如果风速超过预定阈值(例如，超过35mph)，则IXU1402可向马达92，97输出信号以将太阳追踪单元200移动至水平的“收拢(stowed)位置”。如果不在单个的组件100上设置温度(或风速)传感器，则气候数据可通过通信线路从设置该组件100的太阳能电场的中心位置或可替换地由其他网络源提供给IXU1402。[0049]IXU1402可通过在图15所示的迭代程序中比较来自每个追踪单元200上的太阳传感器或功率传感器(即，电流和/或电压传感器)的反馈，自校准其通过接收的星相数据确定的预期的太阳位置。在1510处，IXU1402计算初始太阳位置。在1520处，接收来自太阳传感器的反馈，并且在1530处，计算接收到的太阳传感器数据与计算位置之间的偏差。在1540处确定反馈位置和计算位置之间的定向差异，并在1550处基于所述确定的差异应用坐标变换到计算位置。在1520处，随着IXU1402持续地接收来自传感器的反馈，所述变换被进一步调整。该变换被接下来应用到由IXU1402执行的其他太阳位置计算，以控制不同太阳追踪单元200上的太阳能面板210、220的位置。尽管每个太阳追踪单元200上的太阳传感器因此可用于补偿各种因素，诸如不平坦的底面或不完美的安装，但是太阳传感器相对于单元200中的单个面板210、220的不对准可导致持续的性能退化。因此，IXU1402可额外地或替换性地通过使用电流和/或电压传感器针对每个面板或多个面板追踪机械最大功率点(MPP)，并通过沿每个轴线渐进地调整单独的面板的对准执行面板的校准，以确定最佳位置。
[0050]如图14所示，多个IXU1402可通过场地配线1400在场地中相互连接。场地配线1400可包括用于组件100的功率总线以及用于每个IXU1402的通信线。在一个例子中，电力线通信被用于影响LCU1402与全局控制或管理单元(未示出)之间的通信，该全局控制或管理单元接收来自组件100的场地或子场地内的多个IXU1402中的每一个的数据。全局控制单元可接收诸如太阳传感器数据、每个单独的追踪单元200对或整个组件100的功率或电流读数等的数据，并可向LCU1402送数据，包括马达控制指令或其他操纵数据，诸如星相数据。单个的太阳追踪单元200的控制可受全局控制单元的影响，从而超越控制相关联的IXU1402。例如，维护人员可使用全局控制单元强迫太阳追踪单元200处于收拢位置或至其他位置以维护和维修，或使单个太阳追踪单元200停用。在其他例子中，无线(RF)通信或有线串行通信可用在LCU1402与全局控制单元之间。全局控制单元还可选择性地被操作者通过公共或私人网络(例如互联网)访问，以用于全局控制单元和单个IXU1402的远程控制。因此提供了可独立地操作的太阳追踪单元200的网络，其中每个单元200可通过使用中央控制系统控制。
[0051]IXU1402中的某些或全部还可被配置成它们不需要场地配线。这可通过在IXU1402和全局控制单元之间使用无线(例如，射频)通信并通过用IXU1402正在追踪的太阳能面板向该LCU1402供电或通过使用一个或多个副太阳能面板向每个LCU1402供电的方式实现，其中所述副太阳能面板直接连接到LCU1402并且不向太阳能电场的主电力总线传导的电力作贡献，其中主电力总线传导由太阳追踪单元200产生的电力。副太阳能面板可被直接集成到LCU1402的外壳中(未示出)。
[0052]全局控制或管理单元可集成到太阳能电场中的其中一个IXU1402中。可替换地，更小的太阳能电场可仅需要单个LCU，该LCU控制多个追踪器并同时用作该LCU和全局控制单元。
[0053]图16描绘了太阳能子电场或组件阵列1600的示例性布局，其中阵列1600使用这里描绘的太阳追踪组件100a-100i。图16中的阵列1600包括布置成网格形式的九个组件100，其中组件100的阵列通过间隔臂1602、1604和场地配线连接，该配线可沿着间隔臂1602、1604的路径。可以看出，组件IOOe和IOOf不包括完全补足的太阳追踪单元200。[0054]典型地，当组件100被安装时，每个太阳追踪单元200的支撑结构通过使用上文参照图11和12描述的传导路径接地。接地电极(诸如接地杆或棒)可连接到每个支腿组件30以防止不期望的电压在太阳追踪单元200的框架10和支撑结构(例如，横杆、梁和电枢组件)上的聚积。为了减低安装成本，由于间隔臂1602、1604在单元200之间提供传导路径，用于连接到组件阵列1600的一个框架10的接地杆或棒1650的中央接地位置选择在能够在阵列1600内的最远的单个的太阳追踪单元200与接地棒1620之间提供最短的可能的路径的位置中。
[0055]通过使用前述框架和单元200，太阳追踪组件100可以被方便地安装在场地中。如上所述，组件100的各种特征可补偿不平坦的底面；有利地，执行场地的粗略的分级，以粗略地找平地面，并形成用于维护通道的通路。在不稳定的地面或肥沃的土壤上，粉碎的混凝土聚合体的薄层被分布，以辅助稳定地面和/或抑制植物生长。具有三个桁架12，22的预先配线的折叠的框架10被展开，并且第四桁架22，12被固定就位。如果需要，可调整每个支腿组件30上的足部元件37，以补偿不平坦的地面；然而，该调整不需要完全精确，移位地面的变化可通过追踪模块的自动校准加以补偿。电枢组件80可随后分配到每个支腿组件30，并下降到支腿组件30的安装端35上的位置，并通过紧固件固定就位。太阳能面板210，220可随后通过板89或紧固件固定到电枢组件80。框架10和电枢组件80的整体高度被设定为在面板210，220的安装过程中不需要使用起重机或类似设备。在进一步的实施例中，被运送的面板210，220带有可拆卸的手柄，该手柄允许安装人员提起太阳能面板210，220并将其放置到电枢组件80上。
[0056]接地线可随后根据需要连接，并且马达92，97被连接到框架10内的通向本地控制单元1402的配线。马达配线可部分地穿过支腿组件30和/或桁架组件。本地控制单元1402被安装在框架10上并连接到已经设置在框架10上的配线。本地控制单元1402被随后连接到与其他组件100互连的电力总线。场地配线可由包含PV电力总线和本地控制单元电力/通信总线的适用于PV电缆的切断并终止的线束提供。场地配线可直接布置在太阳追踪组件100之间的地面上，尽管在那些区域中场地配线可能干扰到组件100之间的维修通道，理想的是将敷设电缆埋入地下或通过其他方式保护起来。
[0057]如果空气或水软管被设置在框架10内，该软管被连接到源。软管可连接到清洁工具(例如配枪)并用于清洁组件100的太阳追踪单元200或其他构件。
[0058]本发明的各种实施例已经通过举例的方式详细地加以描述，对于本领域技术人员而言在不脱离本发明的情况下显然可以做出各种变化和修改。本发明包括落入所附权利要求范围内的所有这些变化和修改。
【权利要求】
1.一种用于安装多个太阳追踪单元的框架，该框架包括多个支腿组件，所述多个支腿组件通过多个桁架相互连接以形成通过框架自身的重量稳定的稳定结构，每个支腿组件具有轴，所述轴具有用于将所述多个太阳追踪单元之一安装于地面之上的安装端。
2.根据权利要求1所述的框架，其中所述多个桁架中的至少一些被铰接地连接到所述多个支腿组件，使得框架在展开状态形成稳定结构并且框架在折叠状态形成基本平的折叠结构。
3.根据权利要求1或2所述的框架，其中每个支腿组件还包括用于接合地面的可调节的足部元件，该足部元件被连接到与所述轴的安装端相反的端部。
4.根据权利要求3所述的框架，其中可调节的足部元件包括从可拆卸地连接到支腿组件的轴的茎延伸的板元件。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的框架，其中每个桁架包括上弦元件、下弦元件和连接到所述上弦元件与下弦元件之间用于支撑和稳定上弦元件与下弦元件的多个桁架元件。
6.根据权利要求5所述的框架，其中支腿组件还至少包括第一凸缘单元和第二凸缘单元，每个凸缘单元包括从沿所述轴的长度的点处径向地延伸的多个凸缘，第一凸缘单元定位在与至少一个桁架的下弦元件对准的点处，并且第二凸缘单元与第一凸缘单元间隔开，以与至少一个桁架的上弦元件对准，每个凸缘包括至少一个从中穿过的孔；并且 其中所述框架还包括多个紧固件，用于将桁架铰接地连接到支腿组件，每个紧固件经由所述凸缘的孔将一个祐1架的上弦元件或下弦元件连接到相关联的凸缘。
7.根据权利要求5或6所述的框架，还包括预先穿过至少一个桁架的上弦元件和下弦元件中的至少一个的电缆、电线和软管中的至少一个。·
8.根据权利要求1-7中任一项所述的框架，还包括至少一个具有预定长度的间隔臂，每个间隔臂在第一端处连接到支腿组件之一，间隔臂的第二端与相邻框架的支腿组件连接。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的框架，包括: 第一支腿组件、第二支腿组件、第三支腿组件和第四支腿组件；和 第一桁架、第二桁架、第三桁架和第四桁架； 其中第一支腿组件被铰接地连接到的第一桁架的第一端，第二支腿组件被铰接地连接到的第一桁架的第二端和第二桁架的第一端，第三支腿组件被铰接地连接到的第二桁架的第二端和第三桁架的第一端，并且第四支腿组件被铰接地连接到的第三桁架的第二端；并且 其中在展开状态，第四桁架的第一端连接到第四支腿组件并且第四桁架的第二端连接到第一支腿组件以形成稳定结构。
10.一种系统,包括: 彼此电通信的太阳追踪组件的阵列，每个太阳追踪组件包括: 框架，支撑多个太阳追踪单元每个太阳追踪单元包括能够使太阳能面板围绕多个轴线移动的电枢组件，和相应的本地控制单元，与所述多个太阳追踪单元中的至少一个通信，用于控制多个太阳追踪单元的各自的电枢组件。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括与太阳追踪组件阵列的每个本地控制单元通信的全局控制单元，该全局控制单元能够发送控制与之通信的单个本地控制单元和所述多个太阳追踪单元中的每一个的指令。
12.根据权利要求10或11所述的系统，其中本地控制单元与所述多个太阳追踪单元中的每一个通信，以控制多个太阳追踪单元的相应的电枢组件。
13.根据权利要求10或11所述的系统，其中每一个太阳追踪单元可通过相应的本地控制单元独立地操作。
14.根据权利要求10或11所述的系统，其中本地控制单元能够控制阵列中的另一太阳追踪组件上的多个太阳追踪单元。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的系统，其中相邻太阳追踪组件的框架通过至少一个具有预定长度的间隔臂彼此连接并彼此隔开。
16.根据权利要求15所述的系统，其中每个太阳追踪单元的支撑结构经由其上安装有该太阳追踪单元的框架电接地，并且其中太阳追踪组件阵列的框架经由间隔臂共享公共的接地电极。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的系统，其中将所述多个太阳追踪单元与它们相应的本地控制单元互连的配线被安装在框架内。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的系统，所述框架包括铰接地连接到多个支腿组件的多个桁架，每个电枢组件被安装在相应的一个支腿组件上。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的系统，其中在每个太阳追踪组件中，每个电枢组件包括适于围绕第一轴线旋转的轭状物，所述轭状物支撑适于围绕第二轴线旋转的轮轴，所述太阳能面板包括多个太阳能面板模块，所述多个太阳能面板模块彼此偏移地安装并使得所述轮轴与太阳能面板的重心基本对准。
20.根据权利要求10至19中任一项所述的系统，其中每个太阳追踪单元包括太阳传感器，用于确定正常入射的太阳光的定向。
21.根据权利要求10至20中任一项所述的系统，其中至少一个太阳追踪组件包括电连接的四个太阳追踪单元，使得两对太阳追踪单元被串联连接并且这两对进一步并联连接，并且太阳追踪组件设有用于每对太阳追踪单元的电流传感器。
22.根据权利要求21所述的系统，其中本地控制单元接收来自每个电流传感器的电流传感器数据并基于接收到的电流传感器数据和太阳位置数据中的至少一个控制电枢组件的运动。
23.根据权利要求22所述的系统，其中本地控制单元接收来自设置在每个太阳追踪单元上的太阳传感器的太阳位置数据。
24.根据权利要求23所述的系统，其中本地控制单元被配置成用于，通过确定接收到的某些位置数据和计算出的太阳数据之间的偏差，来校准从先前提供的天文数据计算出的太阳位置数据，并将所述偏差作为变换应用到计算出的太阳位置数据。
【文档编号】H02S20/32GK103858336SQ201280050521
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年5月30日 优先权日:2011年8月15日
【发明者】迈克尔·辛克莱尔, 约翰·保罗·摩根, 菲利浦·M·张, 达诺山·巴拉克安德斯瓦兰, 阿布德卡德·查拉比, 波特·阿布卡斯特, 理查德·艾安内罗, 阿布徳卡德·查拉比 申请人:摩根阳光公司