一种屋顶联动跟踪光伏支架及光伏发电系统的制作方法

本发明属于光伏发电设备技术领域，更具体地说，涉及一种安装在厂房、建筑屋顶联动跟踪光伏支架，还涉及一种具有该支架的光伏发电系统。

背景技术：

分布式光伏发电系统是目前应用最为广泛的光伏发电项目。根据国家《电力发展“十三五”》的规划，到2020年分布式光伏发电量将达到60吉瓦，而截至2015年，分布式光伏发电量仅为6吉瓦，还有高达50多吉瓦的缺口。因此，要想达到这个目标，在接下来的几年内，分布式光伏发电系统的年均新增装机规模有可能超过10吉瓦。随着国家土地政策的变化，地面建设光伏发电系统已受到限制，各类型建筑物屋顶被充分利用起来，但是建筑物屋顶的面积是固定的，如若能多发电使价值最大化，是当前分布式光伏发电系统能否快速顺利发展所面临的重要难题。

目前，人们不断地创新，并提出了多种解决方法，经检索，第一种方式是采用联动式发电系统，例如中国专利申请号为201610154308.0，申请公布日为2016年3月18日的专利申请文件公开了一种联动式光伏支架结构，主要由固定框架、设置在固定框架背部的安装耳、旋转轴、连接组件、连接杆和底座组成；旋转轴转动设置在安装耳上，连接杆的一端固定连接旋转轴，连接杆的另一端滑动设置在底座上，连接组件设置在旋转轴的两端；连接组件主要由设置在旋转轴一端的公座组件和设置在旋转轴另一端的母座组件组成；再如中国专利申请号为201610959298.8，申请公布日为2016年10月28日的专利申请文件公开了一种相互联动的追踪式光伏发电系统，该装置包括主动式光伏电池板角度调整模块、从动式光伏电池板角度调整模块、太阳位置检测模块、反向机械联动模块、同向机械联动模块、可拆卸式连接模块和支撑模块；每一个主动式光伏电池板角度调整模块、从动式光伏电池板角度调整模块、太阳位置检测模块的底部都分别与一个支撑模块相连；太阳位置检测模块、1-3个从动式光伏电池板角度调整模块与主动式光伏电池板角度调整模块相连；再如中国专利申请号为201110391073.4，申请公布日为2013年6月5日的专利申请文件公开了一种太阳能光伏板联动装置，包括固定支架，固定支架上设置有电动机，电动机的轴上设置有联动机构，联动机构通过丝杆和联动杆连接联动支架，联动支架通过固定支座连接有太阳能光伏板，太阳能光伏板通过转动轴与主轴联动与电动机的轴相互连接；该跟踪机构通过丝杆联动机构进行调节光伏板南北方向的角度。

上述结构存在的不足之处是，不论是哪种发电系统结构，均重量大，而建筑屋顶承载能力有限，易造成建筑屋顶损坏，因此对建筑屋顶的要求很高，这样一来，可以利用的建筑屋顶就很受限制；同时发电系统结构的迎风面面积过大，极容易引起过大风载，同样易造成建筑屋顶损坏。

此外，用最大功率的组件去安装光伏发电系统，例如若安装265瓦的组件，200平方米的面积最多只能安装总发电功率为5千瓦的组件，若换成290瓦的单晶组件，同样面积功率可以提升10％～15％，但是建设投资中，组件成本占比是投资额中最大的，因而不是最佳方案。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有光伏发电系统功率低、风阻大以及安装建筑结构条件限制的问题，本发明提供一种屋顶联动跟踪光伏支架，该光伏支架结构简单，整个光伏支架结构可以实现紧贴屋顶平面，有效降低风阻；加之整个光伏支架结构自身重量轻，降低了对整体结构强度的要求，使用寿命长。

本发明又提供一种屋顶联动跟踪光伏发电系统，该光伏发电系统可以安装在建筑物的屋顶上，安装风阻小，对安装建筑物的强度要求低，适用范围广，在相同发电效率的前提下，组件成本占比可以降低，提高本发明的光伏发电系统的市场竞争力。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种屋顶联动跟踪光伏支架，包括驱动机构、导轨和组件单元，所述导轨铺设于屋顶上且固定；所述组件单元跨设在相邻的两根导轨上，其包括组件框架、滑移部和连杆，滑移部置于导轨内，连杆一端与滑移部铰接，另一端与组件框架铰接；所述驱动机构施力于组件单元的滑移部，在光伏支架使用状态下，推动连杆撑起或躺放组件框架。

作为本发明的进一步改进，所述驱动机构包括减速机链轮、曳引缆绳和传动链，传动链绕设在减速机链轮上，减速机链轮带动传动链作往复运动，在传动链的两端分别连接有两根曳引缆绳，两根曳引缆绳各配接一个配重，用于保持传动链和曳引缆绳的自动补偿张紧力；曳引缆绳穿设于导轨内且串联滑移部，曳引缆绳牵引滑移部沿导轨往复移动，然后由连杆推动组件框架转动，组件单元可以形成阵列式的排列，阵列最外边前后两排组件框架也能保持同其他排组件框架一样角度同步转动。

作为本发明的进一步改进，所述滑移部为滑块，滑块包括套接部及与套接部一体成型的连接部，套接部与导轨相配合，连接部上开设有安装孔，连接部伸出导轨；转轴穿设于安装孔内，两端套接连杆，滑块的滑动摩擦力小，多个滑块便于同时移动，有利于实现组件单元的同步转动。

作为本发明的进一步改进，所述导轨由方形钢管制作而成，方形钢管上开设有槽口，安装时，槽口垂直朝下，方形钢管内壁光滑，滑块由方形钢管的端口装入管内，滑块的连接部伸出导轨且与连杆铰接。

作为本发明的进一步改进，该光伏支架还包括限位器，所述限位器设置于导轨内，相邻两限位器分别位于一个组件单元的滑块行程的两端，一方面当滑块在导轨内滑动时，通过限位器的限位作用，使得组件单元不会发生移位，避免相邻两排组件单元发生干涉；另一方面通过调节限位器的位置，调整组件框架与屋顶的高度差。

作为本发明的进一步改进，所述驱动机构还包括曳引器，曳引缆绳通过曳引器与滑块锁紧连接，并在导轨内将各滑块串联，通过曳引缆绳的牵引作用，实现组件单元的多个滑块同时移动，保证了整个支架的组件单元联动；此外，曳引器使牵引力分布在各滑块上，避免了因某个组件框架转动的角度误差而引起累积误差的连锁反应，消除整个组件单元阵列跟踪失步现象。

作为本发明的进一步改进，该光伏支架还包括转角轮，所述转角轮设置在屋檐的转角处或导轨的端部，曳引缆绳沿着转角轮转过屋檐或导轨端部与传动链连接，避免曳引缆绳与屋檐或导轨产生摩擦，损坏曳引缆绳，延长曳引缆绳的使用寿命；还可根据屋面层数或高低起伏的复杂程度，可多用几组转角轮导向连接，满足复杂屋面需要。

作为本发明的进一步改进，该光伏支架还包括光伏控制器和防水配电箱，所述光伏控制器、驱动机构设置于防水配电箱内，防水配电箱安装在地面或墙壁上，光伏控制器控制减速机链轮动作，驱动机构的减速机链轮以及光伏控制器不受恶劣气候环境影响，其可靠性得到最大限度的提升，也方便了日常检修工作。

作为本发明的进一步改进，该光伏支架还包括风速传感器，所述风速传感器安装在屋顶上，风速传感器与光伏控制器电气连接，风速传感器实时测定风速，并将风速测量值输入光伏控制器，当风速超过临界值时，光伏控制器控制减速机链轮动作，组件单元躺放下来紧贴在屋顶上，迎风面减小，风阻减小，降低了对支架强度的要求。

作为本发明的进一步改进，该光伏支架还包括固定横杆，所述固定横杆由槽钢制作而成，固定横杆铺设在屋顶的受力结构上，导轨按设计间距要求铺设在固定横杆上。

本发明的另一目的是提供一种联动跟踪屋顶光伏发电系统，该系统包括太阳能电池组件和光伏支架，所述光伏支架为上述的光伏支架，太阳能电池组件设置于光伏支架的组件框架内。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的屋顶联动跟踪光伏支架采用躲风设计思路及仿生学理论，本发明通过将风速传感器或天气预报，当风速达到预警值时，光伏控制器控制减速机链轮动作，在一分钟内，自动躺放在屋顶上，不会增加建筑物的风阻，确保自身及建筑物的安全，避免灾害造成的损失，进一步降低了对整体结构强度的要求，使用寿命长；

(2)本发明的屋顶联动跟踪光伏支架采用的导轨既可以承载全部组件单元的重量，也可以作为推动组件单元转动的滑行道，导轨的整体结构强度高、质量轻，减轻了屋顶的载重量，在不增加过多投资，减轻自身重量的情况下，解决了提高发电效率的问题，同时也解决了许多载荷有限的厂房屋顶(尤其彩钢瓦屋顶)建设光伏发电系统的困境；

(3)本发明的屋顶联动跟踪光伏支架采用曳引缆绳来牵引组件单元，不论各组件单元存在间距差和高低差，可以通过曳引器调节曳引缆绳的距离差，或者通过调节限位器在导轨上的位置调节高度差，保证了每个组件单元同一角度同步转动，实现支架的联动；

(4)本发明的屋顶联动跟踪光伏支架采用滑块和连杆，以动态三角形形式作用于各组件框架的两端，运行时更为平稳，不会产生颤抖现象，使跟踪太阳的精度更高，使用寿命也更长；

(5)本发明的屋顶联动跟踪光伏支架采用传动链带动曳引缆绳运转，并设有配重调节张紧，可以避免直接用曳引缆绳因老化变形、磨损造成摩擦力下降和打滑的困扰，由于曳引缆绳配有配重，能自动补偿曳引缆绳的张紧度，能大幅度减轻减速机链轮的压轴力，运转也平稳，传动比更恒定，更省力，使电机的自身耗能更低，其结构简单也轻便，易于安装；

(6)本发明的屋顶联动跟踪光伏支架驱动机构安装在地面或者墙壁上防水配电箱里，不受恶劣气候环境影响，其可靠性得到最大限度的提升，也方便了日常检修工作；

(7)本发明的屋顶联动跟踪光伏支架采用由方形钢管制作而成的导轨，曳引缆绳在其空间内运行，不受风吹雨打更加安全可靠，再多余的空间用于敷设电线电缆；

(8)本发明结构简单，设计合理，易于制造。

附图说明

图1为本发明屋顶联动跟踪光伏支架实施例1的结构示意图；

图2为图1的a部放大图；

图3为本发明屋顶联动跟踪光伏支架实施例1的安装示意图；

图4为本发明屋顶联动跟踪光伏支架实施例2的结构示意图；

图5为图4的b部放大图。

图中：1、固定横杆；2、导轨；3、曳引缆绳；4、减速机链轮；5、传动链；6、组件框架；7、配重；8、滑块；9、连杆；10、限位器；11、转角轮；12、曳引器；13、三角支撑架；14、太阳能电池组件；15、防水配电箱。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

如图1所示的是在彩钢瓦屋顶安装的联动跟踪式光伏支架实例。这里的彩钢瓦是采用彩色涂层钢板，经辊压冷弯成各种波型的压型板，适用于工业与民用建筑、仓库、特种建筑、大跨度钢结构房屋的屋顶，目前常用的彩钢瓦有角弛型彩钢瓦、180度咬合彩钢瓦、360度咬合彩钢瓦，该结构的屋顶承载能力受限，但是彩钢瓦的使用面积很大，屋顶得不到有效利用，而现有技术的光伏支架质量均较大，需要通过大量的受力承载计算，即使在彩钢瓦屋顶做出一些结构调整，其承载能力仍然无法安装现有技术的光伏支架，更不用说安装光伏发电系统了。

发明人首先用螺栓将固定横杆1在所有屋架主梁上方的多个檩条上固定，用于承载联动跟踪式光伏支架结构，按照设计间距(按照太阳能电池板的尺寸进行设计)，将两根或两根以上的导轨2平行铺设并固定在固定横杆1上。固定横杆1可以采用轻质的金属板材或其他的高强度硬质材料等等，这样增大了屋顶的受力面积，单位面积的承载力提高。

为了使得光伏发电系统的发电效率达到最大，充分利用彩钢瓦屋顶上部空间，在图3中，整个彩钢瓦屋顶安装有本发明的光伏支架，本实施例的组件框架6可以随太阳转动，因此组件单元需要由驱动机构提供动力，同时发明人发现需要解决多个组件单元的同步转动问题，这也是目前光伏领域的一个技术难题。本发明的组件单元包括组件框架6、滑块8和连杆9，本实施例中组件框架6按设计间距躺放导轨2上，组件框架6两边各连接连杆9的一端，连杆9的另一端连接滑块8，滑块8和连杆9以动态三角形形式作用于组件框架6的两端，相比现有的同步缆绳，同步缆绳为柔性，转动过程中极容易颤抖，而连杆9刚性强，滑块8移动更为精确，因此运行时更为平稳，不会产生颤抖现象，使跟踪太阳的精度更高，使用寿命也更长。

考虑到滑块8在导轨2内极容易产生滑动，且为了避免相邻两排组件单元发生干涉，在滑块8的行程起始端和终点端均设有限位器10，这里的限位器10不仅起到限位作用，防止组件单元发生移位，而且通过调节限位器10的位置，便于调整组件框架6与屋顶的高度差。

此外，如图3所示，对于目前的彩钢瓦屋顶，长度长，宽度大，驱动机构的功率设计满足单个屋顶的需求，驱动机构设置在导轨2长度方向的任意一侧，可以安装在墙壁上，也可以安装在地面上，驱动机构包括减速机链轮4、曳引缆绳3、传动链5和曳引器12，传动链5绕设在减速机链轮4上，减速机链轮4带动传动链5作往复运动，在传动链5的两端分别连接有两根曳引缆绳3，两根曳引缆绳3各配接一个配重7，用于保持传动链5和曳引缆绳3的自动补偿张紧力；曳引缆绳3穿设于导轨2内且通过曳引器12与滑块8锁紧连接，并在导轨2内将各滑块8串联，通过曳引缆绳3的牵引作用，实现组件单元的多个滑块8同时移动，保证了整个支架的组件单元联动。

值得说明的是，驱动机构的曳引器12使牵引力分布在各滑块8上，避免了因某个组件框架6转动的角度误差而引起累积误差的连锁反应，消除整个组件单元阵列跟踪失步现象；组件单元可以形成阵列式的排列，阵列最外边前后两排组件框架6也能保持同其他排组件框架6一样角度同步转动。

在图2中可以看出，导轨2由方形钢管制作而成，方形钢管上开设有槽口，安装时，槽口垂直朝下；滑块8包括套接部及与套接部一体成型的连接部，套接部与导轨2相配合，连接部上开设有安装孔，滑块8由方形钢管的端口装入管内，连接部伸出导轨2；转轴穿设于安装孔内，两端套接连杆9。中空的导轨2既可以承载全部组件单元的重量，也可以作为推动组件单元转动的滑行道，导轨2的整体结构强度高、质量轻，屋顶的载重小，特别适合彩钢瓦屋顶；另外，由于方形钢管内壁光滑，滑块8所受的滑动摩擦力小，多个滑块8便于同时移动，有利于实现多个组件单元的同步转动。

从图1中还可以看出，为了减小曳引缆绳3与屋檐产生摩擦，损坏曳引缆绳3，延长曳引缆绳3的使用寿命转角轮11设置在屋檐的转角处，曳引缆绳3沿着转角轮11转过屋檐与传动链5连接；还可根据屋面层数或高低起伏的复杂程度，可多用几组转角轮11导向连接，满足复杂屋面需要。

本实施例的光伏支架的光伏控制器设置于防水配电箱15内，防水配电箱15安装在地面或墙壁上。驱动机构的减速机链轮4以及光伏控制器内具有大量的电元器件，安装在防水配电箱15内，不受恶劣气候环境影响，其可靠性得到最大限度的提升，也方便了日常检修工作。同时发明人通过巧妙地设计，将驱动机构整体设置在墙面或地面上，也减轻了本发明光伏支架的质量，运行稳定，不会造成彩钢瓦屋顶的振动，这是目前的联动跟踪光伏支架无法实现的。

本实施例的风速传感器安装在防水配电箱15一侧，风速传感器(图中未标注)与光伏控制器(图中未标注)电气连接，风速传感器实时测定风速，并将风速测量值输入光伏控制器，当风速超过临界值时，光伏控制器控制减速机链轮4动作，组件单元躺放下来紧贴在屋顶上，迎风面减小，风阻减小，进一步降低了对光伏支架强度的要求。

此外，也可以将最近几天的实时天气预报输入到光伏控制器上，当风速达到预警值时，或者是检测到其强度对结构有风险时，在一分钟内，自动躺放在彩钢瓦上，不会增加建筑物的风阻。

在本实施例的基础上，将太阳能电池组件14设置于光伏支架的组件框架6内，即可得到一种屋顶联动跟踪光伏发电系统。太阳能电池组件14随着太阳转动，将光能转化为电能，实现太阳能的高效发电。在相同发电效率前提下，本发明的光伏发电系统所使用的太阳能电池板采为目前常用的，同样达到单晶组件的效率。

实施例2

如图4所示是本发明在高层建筑屋顶联动跟踪式光伏支架结构示意图。这里的高层建筑屋顶由混凝土浇注而成，在屋顶上铺设有防水层，一般单个屋顶长度小、宽度窄，从而面积较小，此外，高层建筑屋顶存在高低参差不齐，因此，需要将相邻的高层建筑屋顶利用起来，或规避高低参差不齐带来的不利影响，这是目前公开的联动跟踪式光伏支架无法解决的技术难题。

本实施例的技术措施是，充分利用建筑物的女儿墙作防风屏障，整个光伏支架低于女儿墙的高度，将三角支撑架13搁置在防水层上，按照设计间距(按照太阳能电池板的尺寸进行设计)，将两根或两根以上的导轨2固定在三角支撑架13上。

本实施例的屋顶的联动跟踪式光伏支架，在结构上与实施例1结构类似。不同之处在于，曳引缆绳3经转角轮11转过屋檐引领到与之相邻错层屋顶的其他导轨2内，并与驱动机构相联，驱动机构安装在导轨2的中间部位，传动链5的两端连接曳引缆绳3，在曳引缆绳3配置一个配重7，配重7由屋顶的侧面悬挂。

如图5所示，本实施例的风速传感器安装在屋顶上，风速传感器与光伏控制器电气连接，风速传感器实时测定风速，并将风速测量值输入光伏控制器，也可以将最近几天的天气预报输入到光伏控制器上，当风速达到预警值时，或者是检测到其强度对结构有风险时，光伏控制器控制减速机链轮4动作，在一分钟内组件单元躺放下来，组件单元所在的平面低于女儿墙，风阻大大减小，进一步降低了对光伏支架强度的要求。

本实施例的屋顶联动跟踪式光伏支架可重复无损拆迁安装，为租赁房顶经营发电系统的投资方减少投资风险，适用于所有建筑屋顶结构的建筑物上建设光伏发电系统。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。