季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统的制作方法

本发明属于太阳跟踪装置技术领域，涉及季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统。

背景技术：

光伏跟踪支架广泛应用于太阳能光伏发电领域，其功能是通过调整跟踪支架的工作角度，使支架上安装的光伏电池板跟踪太阳的空间位置，达到最大化接收太阳辐射能量的目的。

完全跟踪太阳的空间运动需要方位角和俯仰角两个角度的跟踪，这种支架称为双轴跟踪支架。为了提高光伏跟踪支架的费效比，可以将方位角和俯仰角中的一个固定而只跟踪另一个，这种跟踪支架称为单轴跟踪支架。旋转轴近似平行地平面的单轴光伏跟踪支架称为平单轴。平单轴光伏跟踪支架又可以分为“南北平单轴”和“东西平单轴”两种。

所谓南北平单轴是指主旋转轴南北向布置，电池板平面的法线自东向西跟踪太阳方位角的变化；所谓东西平单轴是指主旋转轴东西向布置，电池板法线方向跟踪太阳高度角的变化。南北平单轴需要每天自西向东跟踪太阳方位角变化，并在太阳落下后返回。

由于一天之中太阳高度角的变化范围较小，电池板与太阳光之间的余弦效应较弱，因此东西平单轴跟踪支架通常不考虑跟踪每天太阳高度角的变化，只需要随一年中季节变化调整光伏跟踪支架的平均俯仰角即可。这种按一年中季节变化调整俯仰角度的东西平单轴光伏跟踪支架也被称为“季节可调单轴光伏跟踪支架”。

由于跟踪动作的规律不同，每日实时跟踪太阳方位角的南北平单轴与按季节调整俯仰角的东西平单轴跟踪支架在结构上有以下重要区别：

在驱动系统机械结构方面，南北平单轴由于动作频繁，每天一个调节往返，因此其末级驱动机构多采用盘式减速机和电动推杆等有轴承和润滑的结构。季节可调东西平单轴每年一个调节往返，其动作频次显著低于南北平单轴，全使用寿命周期内只有数十次调节往返，因此其末级驱动机构多采用剪式千斤顶和齿轮齿条等简易驱动结构。

在驱动系统跟踪动作原理方面，实时动作的南北平单轴通常需要采用电动机驱动，因此需要配备电源和供电电缆等设备以支持电动驱动系统工作。南北平单轴的驱动电源通常有“厂用电集中配送”和“现场光伏电池板取电”两种工作模式。采用厂用电集中配送方式时需要在光伏发电厂内敷设大量的供电专用电缆，施工复杂成本较高。采用现场光伏电池板直接取电的供电方式时通常要求电池板功率与驱动电机功率相当。并需要为供电系统配备大容量蓄电池，用于确保在太阳辐照度下降光伏电池板发电量不足时，跟踪系统具有足够电能将电池板回转复位到第二天的发电位置，或者在极端天气下无法发电时将电池板旋转至抗风复位位置。由于需要较大容量的光伏发电装置和储能蓄电池，传统的光伏电池板现场自取电工作方式设备投资较大。

而东西平单轴由于角度变化速度极慢，通常采用人工按季节或月份进行手动调节的工作原理，省去了昂贵的电气系统，有效降低了跟踪支架系统的成本。由于季节可调东西平单轴光伏跟踪支架多采用人工按季节手动调整的工作方式，因此这种光伏跟踪支架也被简称为“手动可调支架”。

季节可调光伏跟踪支架采用按季节人工手动调整的工作方式，调整的时间间隔大，导致跟踪支架动作不及时，电池板与太阳光线之间的平均余弦效应加大，损失了一定比例的光伏发电量。

季节可调光伏跟踪支架的初始建设成本较低，但是电站运行过程中人工手动调整的工作量较大，导致后期的维护成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统，解决了现有季节可调光伏跟踪支架手动调节方式存在的工作强度大、后期维护成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是，季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统，包括光伏电池板，光伏电池板输出的电能输送至dc/dc变换器，dc/dc变换器将获取的电能分为两路进行传输，一路传输至具有检测和控制功能的跟跟踪支架控制器，用于为跟踪支架控制器提供工作电源；另一路经过电压等级变换后输出至蓄能电容器，实现电能存储；

跟踪支架控制器通过信号控制电机驱动器，电机驱动器用于驱动电动机发生旋转，电动机带动机械蓄能机构动作。

本发明的特点还在于，

机械蓄能机构包括减速齿轮箱，减速齿轮箱的输入端与电动机的主轴连接，减速齿轮箱的齿轮箱输出轴连接在姿态调节机构输入轴的一端，姿态调节机构输入轴连接在姿态调节机构上，减速齿轮箱的壳体连接在下垂设置的驱动摆臂上端。

驱动摆臂的上还设有倾角传感器，倾角传感器用于测定驱动摆臂的倾斜角度α，跟踪支架控制器用于读取倾斜角度α。

当所述驱动摆臂本身的长度和自重在偏转过程中不能提供大于或等于姿态调节机构输入轴旋转所需的扭矩时，驱动摆臂的下端连接有配重块，配重块用于：在驱动摆臂旋转过程中，随着驱动摆臂的摆动高度h增加，实现对驱动摆臂驱动能量的存储。

跟踪控制器在读取倾斜角度α后，可根据驱动摆臂的长度l和配重块的重量g计算获得姿态调节机构输入轴上施加的扭矩t，当扭矩t超过最大阈值时，跟踪支架控制器通过向电机驱动器发送信号，停止对电动机的驱动，实现停止保护。

跟踪支架控制器用于检测蓄能电容器的端口电压，当蓄能电容器的端口电压上升至预设数值后，跟踪支架控制器通过信号启动电机驱动器，利用蓄能电容器内存贮的电能驱动电动机旋转。

当所述光伏电池板的额定功率与dc/dc变换器的额定功率均小于电动机额定功率时，需利用蓄能电容器的蓄能才可产生驱动电动机工作的电功率，蓄能电容器蓄能完成后，电动机消耗蓄能电容器内储存的电能完成一次电动机驱动的最长时间不超过30s。

本发明的有益效果是，本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统，采用光伏电池板输出的小功率能量通过蓄能驱动光伏跟踪支架，简化了供电装置结构降低了成本；针对季节可调支架慢速动作且无蓄能返回要求的特点，采用电容器代替了光伏跟踪系统中常用的大容量蓄能电池，避免了蓄电池的寿命和维护问题；采用摆臂结构对电机输出进行机械势能蓄能，简化电动驱动装置支撑结构的同时提高了传动效率。

附图说明

图1是本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统的结构示意图；

图2是本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统在光伏支架上的安装示意图；

图3是本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统中机械蓄能机构与姿态调节机构输入轴的连接结构示意图；

图4是本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统中姿态调节机构与姿态调节机构输入轴的连接结构示意图；

图5是本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统中dc/dc变换器、蓄能电容器及电机驱动器支架的电路连接示意图；

图6(a)、(b)是本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统中季节可调单轴光伏跟踪支架转动带动摆臂旋转的状态示意图。

图中，1.光伏电池板，2.跟踪支架控制器，3.dc/dc变换器，4.蓄能电容器，5.电机驱动器，6.电动机，7.减速齿轮箱，8.齿轮箱输出轴，9.姿态调节机构，10.季节可调单轴光伏跟踪支架，11.姿态调节机构输入轴，12.大功率电池板组，13.驱动摆臂，14.配重块，15.倾角传感器16.俯仰机构横梁，17.俯仰转轴，18.跟踪支架立柱，19姿态调节机构上端点，20姿态调节机构下端点，21.剪式千斤顶支臂，22.剪式千斤顶水平端点，23.dc/dc控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统，如图1～3所示，包括光伏电池板1，光伏电池板1输出的电能依次输送至dc/dc变换器3、蓄能电容器4、电机驱动器5及电动机6，电动机6连接有机械蓄能机构；

还包括跟踪支架控制器2，跟踪支架控制器2分别与dc/dc变换器3、蓄能电容器4及电机驱动器5连接。

机械蓄能机构包括减速齿轮箱7，减速齿轮箱7的输入端与电动机6的主轴连接，减速齿轮箱7的齿轮箱输出轴8连接在姿态调节机构输入轴11的一端，姿态调节机构输入轴11连接在姿态调节机构9上。减速齿轮箱7的壳体连接在下垂设置的驱动摆臂13上端。减速齿轮箱7具有自锁结构。

驱动摆臂13的上还设有倾角传感器15，倾角传感器15与跟踪支架控制器2连接。

驱动摆臂13的下端连接有配重块14。

季节可调单轴光伏跟踪支架10包括大功率电池板组12，大功率电池板组12安装在俯仰机构横梁16上，俯仰机构横梁16通过俯仰转轴17连接在跟踪支架立柱18的上部，姿态调节机构9可选择剪式千斤顶、丝杠丝杆或者齿轮齿条等常用传动形式，本实施例中姿态调节机构9采用现有的剪式千斤顶；以剪式千斤顶驱动的光伏跟踪支架为例进行说明。

剪式千斤顶是一种常见的起重装置，如图4所示，它由四个呈菱形铰接的剪式千斤顶支臂21构成，并且在四个剪式千斤顶支臂21的中间水平设置有可旋转调整的丝杠。本实施实例中，剪式千斤顶的下部节点也就是姿态调节机构下端点20，通过可旋转的铰链连接在跟踪支架立柱18上。剪式千斤顶的上部节点也就是姿态调节机构上端点19，通过可旋转的铰链连接在俯仰机构横梁16上。当剪式千斤顶的水平调整丝杠，也就是姿态调节机构输入轴11，发生旋转时，可改变姿态调节机构上端点19和姿态调节机构下端点20之间的距离。当姿态调节机构上端点19和姿态调节机构下端点20之间的距离发生改变时，可驱动俯仰机构横梁16绕俯仰转轴17旋转，达到调整大功率电池板组12俯仰角度的目的。

以减小俯仰角度为例，姿态调节机构输入轴11旋转，在螺旋丝杠和螺母的作用下，剪式千斤顶两个水平端点之间的距离减小，姿态调节结构上端点19和姿态调节结构下端点20之间的高度增加，实现对俯仰机构横梁16的顶推功能。在剪式千斤顶的顶推作用下，俯仰机构横梁16绕俯仰转轴17向水平方向发生旋转，从而实现大功率电池板组12俯仰角度的减小调整。增加大功率电池板组12俯仰角度的调整过程与此类似只是方向相反。

剪式千斤顶在季节可调单轴光伏跟踪支架上可以单独安装也可多个串联安装，串联安装时需要将不同千斤顶的转轴串联连接起来同步旋转。丝杆丝杠和齿轮齿条等驱动机构应用于季节可调单轴光伏跟踪支架时情况与此类似，统一的特征是有一根水平设置的输入轴，输入轴可以水平串联，水平轴旋转时驱动机构上下两个端点之间的距离发生变化，从而实现俯仰机构横梁16角度的调整。

调整季节可调光伏支架上大功率电池板组12的俯仰角度，需要旋转姿态调节机构9的姿态调节机构输入轴11。当姿态调节机构输入轴11的端部发生位移时，本发明中由dc/dc变换器3、蓄能电容器4、电机驱动器5及电动机6组成的蓄能式驱动系统结构可以随之移动。

跟踪支架控制器2是所有自动调整跟踪式光伏支架必须具备的一种控制装置，其核心是一个具有运算处理能力的微处理器，该处理器可以根据当前光伏跟踪支架目标角度和实际角度之间的偏差自动的发出指令控制电动机，并由电动机带动跟踪支架到达目标角度范围。同时借助跟踪支架控制器2的运算处理能力还可以实现类似电源管理、工作状态监测和安全保护等功能。本发明在现有光伏跟踪支架控制器2的基础上增加了蓄能电源的管理功能。

本发明的核心在于季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式动力系统，跟踪支架控制器2检测并控制大功率电池板组俯仰角度的具体方法不影响本发明技术方案的实现，跟踪支架控制器2的具体安装位置也不影响本发明技术方案的实现。

本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统中供电部分的参数如下：

光伏电池板1：额定电压dc6v，额定电流200ma，功率1.2w；

电动机6：额定电压12v，额定电流2.2a，功率>25w，启动电流4.5a。

dc/dc变换器3：输入电压2-7v，最大输入工作电流250ma。

如图5所示，光伏电池板1输出的电能送入dc/dc变换器3，dc/dc变换器3由dc/dc控制器23和外围电气元件构成，其核心功能是实现蓄能电容器4的充电蓄能。蓄能电容器4采用耐压5.5v容量4f的c1、c2、c3、c4共计4个超级电容器串联构成。单个电容器的内阻200mω，额定电流2.5a，最大工作电流10.0a，串联后蓄能电容器组的容量为1.0f，耐压为22v，内阻0.8ω。

为了防止串联电容器因内阻差异导致的个别电容器过压，每个电容器分别并联配置有5.6v的稳压二极管d11、d12、d13、和d14进行均压处理。当单个电容器过压时，稳压二极管将提供电流旁路回路。

本实施例中的dc/dc变换器3采用具有mppt跟踪功能的可控升压型dc/dc变换器，整个电路为boost结构。dc/dc控制器23通过drv端口控制mosfet管q1，使其与电感l1和二极管d0构成boost升压电路。充电过程中dc/dc控制器23通过端口csp和csn检测取样电阻r8上的充电电流，实现对蓄能电容器4的恒流充电。电路通过分压电阻r7和r6将电容器组的端电压输入至dc/dc控制器23的fb反馈测量端，当电容器组端电压上升至预设的20v时，dc/dc控制器23停止工作，充电过程结束。

为了实现由dc/dc变换器3和蓄能电容器4组成的电容充电电路与跟踪支架控制器2之间的信号连接，dc/dc变换器3中的dc/dc控制器23可以通过shdn端口接收来自跟踪支架控制器2的启动和停止命令。当shdn端口为低电平时，给蓄能电容器4充电，当shdn端口为高电平时，蓄能电容器4停止充电。在蓄能电容器4充电过程中，dc/dc控制器23的chrg端为低电平，当充电至预设的20v电压时chrg端输出高电平，告知跟踪支架控制器2，蓄能电容器4充电完毕，具备工作条件。

充电工作过程中，dc/dc控制器23通过取样电阻r5检测q1上流过的电感电流，并通过r4和c02构成的滤波电路后输入dc/dc控制器23，实现对电感工作电流的检测和保护。

当光照强度不足时，光伏电池板1的输出能量不足，无法按预设额定电流向蓄能电容器4充电。dc/dc控制器23通过取样电阻网络r1和r2将光伏电池板1的电压状态通过mppt端口输入，当光伏电池板1电压低于额定值6v时，dc/dc控制器23自动调整充电电流设定值，降低实际充电电流数值，实现光伏电池板1功率的最大功率跟踪，简称mppt控制。

在图5中，光伏电池板1输出的电能在dc/dc变换器3内部分支一路电源向跟踪支架控制器2提供工作电源。dc/dc变换器3电路可以根据情况在电压变换前和电压变换后向跟踪支架控制器2提供电源。本实施实例是在电压变换前提供电源。

在充电完成的状态下，如果跟踪支架角度偏差超限，则跟踪支架控制器2可以启动电机驱动器5对电动机6进行驱动。本实施实例中电机驱动器5是一个由四个晶体管q1、q2、q3、q4构成的h桥型直流电机驱动电路，内含pwm型降压驱动功能，可将20.0-14.0v的电容器组端电压降压至12v输出，其最大启动工作电流>5a，额定工作时2.2a。

在此工作参数下，等效电容1.0法拉的蓄能电容器4从20v至14v一次放电释放的电能为：

w＝0.5cu²＝0.5×1×20×20＝200j。

w＝0.5cu²＝0.5×1×14×14＝98j。

最大一次放电量为102j＝200j-98j

假定h桥型pwm驱动电路的效率约为85％，102焦耳储能的有效输出大约为86.7焦耳，可以驱动25w电动机6工作超过3.47s。设定电动机6经过减速齿轮箱7减速后其齿轮箱输出轴8的转速为0.5rpm，3.47s时间可旋转超过10.4度。

辐照度达到电池板额定值时，光伏电池板1的功率为1.2w，设定boost升压电路转换效率为82％，则充电功率为0.98w。充入98j电能需要100s即可完成。

由于采用了电容器蓄能结构，光伏电池板1的功率明显小于电动机6的功率，光伏电池板1的功率可以达到电动机6功率的10％甚至更小。降低了光伏电池板1的成本的同时还缩小了体积，方便现场安装。蓄能电容器4相比于蓄电池虽然储电容量小且电能保存时间短，但恰好满足季节可调平单轴支架的慢速间歇性驱动要求。

本实施例中设定的参数为，驱动摆臂13长l＝0.5m，配重块14质量m＝4kg，配重块14的重量为g＝mg。

不失一般性，如图6(a)所示，图6(a)为驱动摆臂的初始安装状态图；初始安装后驱动摆臂13垂直向下，齿轮箱输出轴8对姿态调节机构输入轴11没有扭矩输出。如图6(b)所示，6(b)为驱动摆臂13随姿态调节机构输入轴11旋转角度α的状态示意图；当齿轮箱输出轴8逆时针旋转后，驱动摆臂13在反力作用下向左侧摆动，随着驱动系统不断获取太阳能驱动电动机6旋转，驱动摆臂13的偏角α不断增加，配重块14的高度增量h不断升高，实现机械蓄能驱动的目的。

蓄能量e可以采用下式计算

e＝mgh＝mg(l-l×cosα)(1)；

同时驱动摆臂13和配重块14对姿态调节机构输入轴11形成的扭矩可用下式计算：

t＝mglsinα(2)；

当驱动摆臂偏角α＝90度时，驱动摆臂13与配重块14对姿态调节机构输入轴11形成的扭矩最大，在本实例中l＝0.5m，配重块14质量4kg的条件下，最大输入扭矩为：t＝4×9.8×0.5×1＝19.6n.m。

设定姿态调节机构输入轴11旋转100圈跟踪支架俯仰角度调整45度，则平均的旋转减速比为800，假设本实例中这种剪式千斤顶(姿态调节机构9)的传动效率为30％。同时假定跟踪支架的末级电池板调整的扭矩需求为1920n.m。

则输入扭矩需求为8n.m(1920＝800×30％×8)

假定姿态调节机构9克服静摩擦旋转的扭矩需求为8n.m，则启动跟踪支架动作的输入扭矩需求为：

t＝8+8＝16n.m

当角度增加到α＝54.8度时，输入扭矩t＝4×9.8×0.5×sin54.8＝16n.m，此时16n.m的输入扭矩克服8n.m的静摩擦扭矩后，季节可调单轴光伏跟踪支架10的姿态调节机构输入轴11输入8n.m的净扭矩。在减速比800倍，传动效率30％的条件下，可向末级电池板支架输入1920n.m的扭矩，从而驱动季节可调单轴光伏跟踪支架10开始旋转，配重块14开始下落，同时偏角α减小。

假定季节可调单轴光伏跟踪支架10的驱动机构克服动摩擦的扭矩需求为2n.m，当偏角持续下降至α＝30.7度以下时，输入扭矩小于t＝4×9.8×0.5×sin30.7＝10.0n.m，驱动摆臂13输入的扭矩小于克服季节可调单轴光伏跟踪支架10阻力8n.m以及动摩擦的2n.m的扭矩之和，姿态调节机构输入轴11停止动作。

本实例中季节可调单轴光伏跟踪支架10偏角α从0°增加到54.7度，驱动季节可调单轴光伏跟踪支架10动作后回落至30.7度的过程为一次驱动调节。动作范围为24度，需要电气系统进行2-3次蓄能。一次驱动调节完成后系统在电动机6和减速齿轮箱7的作用下继续增大偏角α，开始下一个调整过程。

α＝54.7度时驱动摆臂13与配重块14的势能为：

e＝4×9.8×(0.5(1-cos54.7°))＝4×9.8×0.422＝16.5j

α＝30.7度时驱动摆臂13与配重块14的势能为：

e＝4×9.8×(0.5(1-cos30.7°))＝4×9.8×0.14＝5.5j

释放的能量为16.5-5.5＝11焦耳。

在驱动摆臂13工作过程中，倾角传感器15可以实际测量驱动摆臂的倾侧角度α，并可通过上述公式(2)计算获得驱动扭矩t，当驱动摆臂13达到水平位置后驱动扭矩t可达到最大值。通过调整驱动摆臂13长度l和配重块14重量g可以控制系统的最大驱动扭矩t。

当发生机械故障导致支架无法旋转时，偏角α持续增大，跟踪支架控制器2通过倾角传感器15测量偏角α并计算出姿态调节机构输入轴11的驱动扭矩t后可实现最大扭矩保护。本实施实例中设定α>＝75度时扭矩超限报警，此时对应的保护扭矩为：

t＝4×9.8×0.5×sin75＝19.0n.m

当α超过最大设定值后75度，扭矩超过19.0n.m，系统将停止电动机6驱动并报警，实现停止保护。

本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统中，光伏电池板1的额定功率与dc/dc变换器3的额定功率，均小于电动机6额定功率的20％，需要通过蓄能电容器4的蓄能才可以产生驱动电动机6工作的电功率，蓄能完成后，电动机6消耗蓄能电容器4内储存的电能完成一次短时电动机6驱动的最长时间不超过30s；

光伏电池板1可以单独设置，也可取自大功率电池板组12。

本发明中电容蓄能结构和机械蓄能机构可以联合使用构成一个整体，也可单独分开独立使用。

当驱动摆臂13本身的长度和自重在偏转后可以提供大于姿态调节机构输入轴11旋转所需要的扭矩时，可以取消配重块14。

本发明季节可调单轴光伏跟踪支架的蓄能式驱动系统的特点为，针对间歇式短时动作机械需要经常克服静摩擦力而引起的驱动效率低下问题，以及驱动轴端头位置随支架姿态变化的问题，设计了基于悬垂摆臂和配重块的机械储能子系统，通过悬垂摆臂与配重块的配合工作向跟踪支架驱动轴输入驱动扭矩，同时借助配重块旋转升高的势能实现机械能存储，达到简化驱动机构安装方式和提高能量利用效率的目的。