一种实现光能高效转换的光伏支架的制作方法

本实用新型涉及新能源太阳能电池板领域，具体涉及一种实现光能高效转换的光伏支架。

背景技术：

目前，光伏支架都是为了追踪最佳太阳入射角，太阳入射角指太阳直射光线与壁面法线之间的夹角，太阳入射角随太阳方位角、高度角、光伏支架装置倾斜度的不同而改变。对于光伏支架而言，最佳太阳入射角位于光伏支架设备能量转换部分所在平面与太阳光线垂直的位置，通过设置最佳入射角方位可大量提高太阳辐射量，增大光电转换率，提高发电效率。目前在现有技术中，根据当地地理位置可分别选用固定式光伏系统、单轴追踪系统或双轴追踪系统等。固定式光伏系统采用固定角度安装，为了最大程度地获得太阳辐射量都会选择最佳倾角进行安装，即以最佳倾角安装后，光伏支架能量转换部分所在平面能够获得比其它任何安装角度更多的太阳总辐射量，但是，由于太阳方位角和高度角随时间及季节不断变化，从而使得太阳辐射量不能够得到充分利用。

单轴追踪系统与双轴追踪系统都是基于太阳运动轨迹的系统，又以跟踪系统所用到的旋转轴数来区分的。对于单轴追踪系统而言，以南北水平轴单轴跟踪系统为例，即旋转水平为南北方向安装，用以跟踪太阳，与此类似的还有东西轴单轴追踪系统，它们一般都只是在太阳方位角上进行跟踪，而没有对太阳高度角进行跟踪，其发电效率虽然比固定式光伏系统有所提高，但还是没有充分地利用太阳辐射量。而双轴追踪系统是对太阳全方位的跟踪，以水平轴旋转来跟踪太阳高度角，以垂直轴旋转来跟踪太阳的方位角，这种系统比单轴追踪系统的发电效率更高，但是其存在结构复杂、故障率高、能耗高、成本高、占地面积大等缺陷。

其次，以上三种光伏支架的面板易受自然因素影响，如自然环境所产生的风沙、灰尘、霜、雪等落其表面后，必然会导致光伏支架发电效率降低，甚至出现不能转换发电的问题。例如光伏支架出现的积尘遮挡效应，由于灰尘的覆盖，使得光伏板表面的透射性减弱，从而到达光伏板表面上的光强减弱，从而使得光电效应减弱，光伏发电量减少。另如光伏支架出现的积尘温度效应，灰尘作为导热系数较小的物质，附在光伏支架表面阻挡光伏板的热量向外传递，这就很有可能使得光伏电池板自身热量得不到释放，光伏电池板的温度越来越高，影响光伏电池板发电的效率，同时还可能导致光伏电池板出现局部过热的现象，即“热斑效应”。再如光伏支架出现的积尘腐蚀效应，从光伏支架表面整体来看，由于酸性或碱性灰尘对光伏表面的腐蚀，或者清洁不当造成光伏支架表面粗糙度增加，发射光能量增大，折射光的能量减少，使得入射到光伏支架表面的光照强度减弱，从而导致光电效应减弱，发电量减少。

为了清扫光伏支架面板，目前市场上常采用清扫车、机器人、喷雾清洗、人工清扫等方式。清扫车只针对固定式光伏系统清扫，对单轴、双轴系统使用困难，并且清洁度一般，光伏表面容易刮伤，工作效率低，耗水量大，成本高。机器人清扫的清洁度好，工作效率高，但是其耗水量大，成本高。喷雾清洗同样具有清洁度好的优点，但其工作效率低，耗水量大，成本高。人工清扫的清洁度一般，光伏表面容易刮伤，工作效率低，成本高。另外，以上清扫方式均占用光伏支架的发电时间，且用水清扫容易在光伏支架表面形成热斑效应，特别是在水资源缺乏的地域，实现成本高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，针对现有的光伏支架存在上述诸多技术问题和不足，提供一种实现光能高效转换的光伏支架。该光伏支架通过追踪太阳最佳入射角，提高太阳辐射量、光电转换率以及发电效率。

为了达到上述目的，本实用新型提供的一种实现光能高效转换的光伏支架，包括：固定架、支撑柱、转动机构、驱动机构、仰角斜轴、旋转动力装置和旋转控制机构；所述的旋转动力装置支撑于支撑柱的顶部，所述的仰角斜轴固定于旋转动力装置上，该仰角斜轴的一端设有驱动机构，所述的固定架沿仰角斜轴的轴线方向搭设于仰角斜轴的上方，用于固定太阳能电池板；所述转动机构的一端与固定架固定，其另一端套设于仰角斜轴上，并通过驱动机构驱使该转动机构围绕仰角斜轴转动；所述的旋转控制机构连接驱动机构和旋转动力装置，该旋转控制机构通过设定的太阳运行轨迹控制驱动机构和旋转动力装置分别执行转动机构的方位角转动和仰角斜轴的仰角转动，使得太阳光线保持垂直入射在太阳能电池板上。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括清扫装置，所述的清扫装置包括：滚动毛刷、两条毛刷滑轨、两个机械开关和挡板；所述的两条毛刷滑轨设置于固定架的其中两条相对边上，所述的两个机械开关以仰角斜轴为中心对称设置于固定架的另外两条相对边之间，所述的挡板架设于仰角斜轴上，使得挡板因机械开关随固定架转动到设定的角度而挤压或松开机械开关，进而触发该机械开关分别执行滚动毛刷的解锁与锁定操作；所述的滚动毛刷设置于固定架所支撑的太阳能电池板的上方，并沿两条毛刷滑轨滚动。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括连杆机构；所述的连杆机构固定于仰角斜轴与支撑柱之间，该连杆机构包括：连杆箱、支撑杆、连动杆、齿条、齿轮和连杆；所述连杆箱的底端通过支撑杆将其固定于支撑柱上，其顶端穿设有连动杆；所述连动杆的一端与仰角斜轴固定，其另一端通过连杆与连杆箱内设置的齿轮铰接；所述的齿轮与连杆箱内壁上设置的齿条啮合，以锁定仰角斜轴在静止状态下的仰角位置，并通过齿轮在齿条上进行往复滚动，使得连动杆因仰角斜轴转动而在连杆箱上实现伸缩运动。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括自锁装置；所述的自锁装置套设于仰角斜轴的一端，并与转动机构连接；该自锁装置通过旋转控制机构控制其锁定转动机构的方位角位置。

本实用新型的一种实现光能高效转换的光伏支架的优点在于：

本实用新型的光伏支架根据季节变化驱动旋转动力装置使仰角斜轴围绕支撑柱顶点转动，带动连杆机构在光伏支架与支撑柱之间往复运动，实现固定架与支撑柱顶点间不同夹角追踪太阳不同高度角，与传统的光伏支架相比提高发电量为5％；通过设计固定架围绕仰角斜轴旋转，与传统的光伏支架轴旋转相比较，结构简单、稳定可靠；驱动机构与转动机构相连接可以安装于仰角斜轴任意位置，安装灵活、投资成本低；本实用新型光伏支架的电气元件功率小，能耗低，适应多种工况环境；依靠重力自动清扫装置清扫太阳能电池板的面板，降低了人力成本。

附图说明

图1为太阳光线垂直入射太阳能电池板形成最佳入射角状态的示意图。

图2为本实用新型实施例中的一种实现光能高效转换的光伏支架结构示意图。

图3为本实用新型实施例中的清扫装置结构示意图。

图4为本实用新型实施例中的连杆机构与仰角斜轴、支撑柱之间的连接关系示意图。

图5为图4中示出的连杆机构的结构放大示意图。

图6a为图2中示出的固定架围绕仰角斜轴转动的示意图。

图6b为图2中示出的仰角斜轴围绕支撑柱转动的示意图。

图7为本实用新型中的固定架在日出时的位置示意图。

图8为本实用新型中的固定架在日落时的位置示意图。

图9a、图9b、图9c分别为青海格尔木地区在春、秋分日的日出、正午和日落时刻，利用本实用新型的光伏支架追踪太阳轨迹运行的状态示意图。

图10a、图10b、图10c分别为青海格尔木地区在冬至日的日出、正午和日落时刻，利用本实用新型的光伏支架追踪太阳轨迹运行的状态示意图。

图11a、图11b、图11c分别为青海格尔木地区在夏至日的日出、正午和日落时刻，利用本实用新型的光伏支架追踪太阳轨迹运行的状态示意图。

附图标记

1、固定架 2、清扫装置 3、转动机构

4、自锁装置 5、仰角斜轴 6、旋转动力装置

7、连杆机构 8、驱动机构 9、旋转控制机构

10、支撑柱 11、底座 12、连杆箱

13、支撑杆 14、连动杆 15、齿条

16、齿轮 17、连杆 18、机械开关

19、滚动毛刷 20、挡板 21、毛刷滑轨

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型所述的一种实现光能高效转换的光伏支架进行详细说明。

如图1所示，根据太阳辐射量的余弦定律可知，任意倾斜面的辐照度同该表面法线与光线入射方向之间夹角的余弦成正比，即：Sr＝Sdcosθ；其中，Sr为倾斜方阵面上的直射辐照量，Sd为太阳总直射辐照量，θ为太阳光线入射角。由上式可知，当θ＝0°时，即太阳光线垂直入射到倾斜面上时，获得太阳辐射量最大，此时的入射角就是追踪的最佳入射角。

基于上述获取太阳光线最佳入射角的原理，本实用新型提供一种实现光能高效转换的光伏支架。如图2所示，所述的光伏支架包括：固定架1、支撑柱10、转动机构3、驱动机构8、仰角斜轴5、旋转动力装置6和旋转控制机构9；所述的旋转动力装置6支撑于支撑柱10的顶部，所述的仰角斜轴5固定于旋转动力装置6上，该仰角斜轴5的一端设有驱动机构8，所述的固定架1沿仰角斜轴5的轴线方向搭设于仰角斜轴5的上方，用于固定太阳能电池板；所述转动机构3的一端与固定架1固定，其另一端套设于仰角斜轴5上，并通过驱动机构8驱使该转动机构3围绕仰角斜轴5转动；所述的旋转控制机构9连接驱动机构8和旋转动力装置6，该旋转控制机构9通过设定的太阳运行轨迹控制驱动机构8和旋转动力装置6分别执行转动机构3的方位角转动和仰角斜轴5的仰角转动，使得太阳光线保持垂直入射在太阳能电池板上。所述的支撑柱10是光伏支架的支点，用于承载光伏支架重量，其底端可安装有底座11，用于固定支撑柱10，与预埋的螺栓连接。

基于上述结构的光伏支架，在本实施例中，如图2所示，所述的光伏支架还包括清扫装置2。如图3所示，所述的清扫装置包括：滚动毛刷19、两条毛刷滑轨21、两个机械开关18和挡板20。所述的滚动毛刷19安装于固定面板能量转换部分所在平面的毛刷滑轨21里。所述的两条毛刷滑轨21设置于固定架1的其中两条相对边上，所述的两个机械开关18以仰角斜轴5为中心对称设置于固定架1的另外两条相对边之间，所述的挡板20架设于仰角斜轴5上，使得挡板20因机械开关18随固定架1转动到设定的角度而挤压或松开机械开关18，进而触发该机械开关18分别执行滚动毛刷19的解锁与锁定操作；所述的滚动毛刷19设置于固定架1所支撑的太阳能电池板的上方，并沿两条毛刷滑轨21滚动。当固定架1围绕仰角斜轴5从东到西转动时，使固定架1在日落时形成高度落差(如图7所示)，此时挡板20与机械开关18接触后压起机械开关18，使得该机械开关18被触发后将滚动毛刷19解锁，进一步使得滚动毛刷19脱离机械开关18的束缚，此时滚动毛刷19因自身重力作用在自由下落过程中从固定架1的面板顶端沿毛刷滑轨21滑落到另外一端，利用此工作原理，在日落时通过滚动毛刷19清扫一次固定架设备能量转换部分所在平面。在日落后，太阳光线消失，已不能发电，固定架1自动从西到东转动，当固定架1转动至165°时，挡板20抬起原先压住的机械开关18，使得该机械开关18再次被触发后将滚动毛刷19锁于毛刷滑轨21里，而在固定架1重新转动到日出位置时又形成高度落差(如图8所示)，重复上述操作使得滚动毛刷19在自由下落过程中再次清扫光伏支架面板设备能量转换部分所在平面。总之在一天内，完成两次清扫操作，以提高发电量。与没有清扫机构的光伏支架相比，能够提高发电量3％～23％。

如图2所示，本实用新型的光伏支架还包括连杆机构7和自锁装置4；所述的连杆机构7固定于仰角斜轴5与支撑柱10之间。如图4、5所示，该连杆机构包括：连杆箱12、支撑杆13、连动杆14、齿条15、齿轮16和连杆17；所述连杆箱12的底端通过支撑杆13将其固定于支撑柱10上，其顶端穿设有连动杆14；所述连动杆14的一端与仰角斜轴5固定，其另一端通过连杆17与连杆箱12内设置的齿轮16铰接；所述的齿轮16与连杆箱12内壁上设置的齿条15啮合，以锁定仰角斜轴5在静止状态下的仰角位置，并通过齿轮16在齿条15上进行往复滚动，使得连动杆14因仰角斜轴5转动而在连杆箱12上实现伸缩运动。

如图2所示，所述的自锁装置4套设于仰角斜轴5的一端，并与转动机构3连接；该自锁装置4通过旋转控制机构9控制其锁定转动机构3的方位角位置。

如图6a所示，所述的驱动机构8与转动机构3相连接，套设于仰角斜轴5一端上，该驱动机构8与转动机构3可安装于仰角斜轴5的任意位置，使得光伏支架的结构简单，安装灵活。根据天文公式计算太阳在一天内的运行轨迹，按时间程序控制算法控制驱动机构8驱动转动机构3围绕仰角斜轴5旋转，从而带动固定架1转动，从东限位位置(也指零点位置)，以每小时15°在0°到180°范围内向西方向位置转动，在转动到某个位置时，通过自锁装置锁定转动机构3，以限定固定架方位，追踪到太阳方位角。所述的自锁装置在东方位置设有限位开关，目的是驱使机构归零，精确计算角度；而在西方位置也设有限位开关，其目的是防止固定架超出180°旋转角度。在日落后，太阳光线消失，已不能发电，此时固定架1随转动机构3围绕仰角斜轴5旋转，自动从西方位180°到0°转回东方位，自动停止跟踪操作。

如图6b所示，根据天文公式计算太阳运行轨迹，按季节变化驱动旋转动力装置6使仰角斜轴5围绕支撑柱10顶点转动，从而带动连杆机构7在仰角斜轴5与支撑柱10之间往复运动，并通过连杆机构7锁定仰角斜轴5的仰角位置，以追踪到太阳高度角。在下雪时，旋转动力装置6通过旋转控制机构控制其驱动仰角斜轴5旋转至仰角最小角20°，并自动停止跟踪操作，使固定架1上的能量转换部分所在平面不形成堆雪。而在日出时，系统即时响应，自动找到太阳，实现跟踪定位。

如图9、图10、图11所示，为利用上述结构的光伏支架在青海格尔木地区以不同季节追踪太阳(日出、中午、日落时刻)的运动轨迹示意图，青海格尔木地理位置的经度：94.9°，纬度：36.41°，正北方向设定为太阳方位角为0°。当日出时，光伏支架停在东方位置；此时能够看见太阳清晨从东方升起，通过旋转控制机构程序控制算法，发出追踪启动命令，根据天文公式计算太阳当天的运行轨迹，并按季节变化驱动旋转动力装置使仰角斜轴围绕支撑柱顶点顺时针转动，带动连杆机构向固定架方向移动。仰角斜轴与支撑柱顶点之间形成仰角，此仰角的角度在20°到90°范围内变化，待转动至最佳仰角后，旋转控制机构发出停止旋转命令，使得仰角斜轴停止动作，并通过连杆机构锁定该最佳仰角位置，以追踪到太阳高度角。同时，根据天文公式计算太阳一天内运行轨迹，通过旋转控制机构发出启动命令，使得自锁装置松开，按时间程序控制算法控制驱动机构驱动转动机构围绕仰角斜轴旋转，从而带动固定架转动从东限位位置以0°到180°范围向西方向位置转动，追踪到太阳方位角，并通过不断改变固定架方位角和高度角，追踪太阳光线的最佳入射角。

如图9a-9c所示，以春分和秋分日为例，太阳直射赤道，太阳轨迹移到赤道上空，太阳日照时间为12小时。太阳从日出到日落方位角变化范围为：89°到271°，高度角变化范围为：0°到54°，在太阳日出日落时，太阳辐射量很小。为了高效追踪太阳最佳入射角，在日出时，太阳从正东方升起，光伏支架以太阳方位角90°开始，通过天文公式计算太阳运行轨迹，用程序控制算法的参数与位置机构间配合，按最佳入射角追踪太阳光线，以1小时15°转动，实时追踪太阳方位角。在中午时，太阳逐渐向西移动，此时太阳方位角为180°，在日落时，太阳从正西方落下，此时太阳方位角为270°，固定架在这个时候形成高度落差，清扫装置对太阳能电池板清扫一次。在日落后，太阳光线消失，已不能发电，旋转控制机构程序控制算法发出启动命令，控制自锁装置松开，通过驱动机构带动转动机构从西向东返回东限位后，东限位开关触发，驱动机构归零，此时旋转控制机构控制算法发出停止命令，控制自锁装置锁定转动机构，以限定固定架方位，光伏支架自动停止跟踪操作。此时光伏支架在日出位置再次形成高度落差，清扫机构又清扫一次太阳能电池板。

如图10a-10c所示，以冬至日为例，太阳直射南回归线，太阳轨迹移到南端，太阳清晨从东南方升起，黄昏由西南方落下。太阳从日出到日落的方位角变化范围为：119°到241°，其高度角变化范围为：0°到30°，在中午时，高度角为30°。如图11a-11c所示，以夏至日为例，太阳直射北回归线，太阳轨迹移到北端，太阳清晨从东北方向升起，黄昏由西北方落下。太阳从日出到日落的方位角变化范围为：60°到300°，其高度角变化范围为：0°到77°。在中午时，高度角为77°。由此可见，光伏支架在追踪太阳方位角时，固定架只有在0°到180°范围内以不同的方向不断变化，才能实现追踪太阳不同的方位角。另外，由于季节变化，太阳的高度角也在变化，只有通过旋转动力装置驱动仰角斜轴不断转动，以实现固定架与支撑柱顶点间夹角的变化，才能实现追踪太阳不同的高度角。通过在有效范围之间切换追踪太阳方位角和高度角，并结合清扫功能，最终形成具有光能高效转换的光伏支架。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。