一种自调节光伏灌溉系统及其跟踪灌溉方法与流程

本发明涉及太阳能光伏组件技术领域，尤其涉及一种自调节光伏灌溉系统及其跟踪灌溉方法。

背景技术：

现有的太阳能光伏组件支架，通常包括普通的固定支架以及能够调整光伏组件角度的调节支架。一般的，为了有效的提高光伏组件的发电效率，适应太阳光的角度变化，应用调节支架的太阳能跟踪器（保持光伏组件与太阳光之间的垂直角度）开始被广泛的应用。

而现有的太阳能跟踪器支架的动力驱动方案主要采用电机驱动支架转动的方式。所述电机驱动通常包括两种驱动形式：第一种通过电机驱动电动推杆,实现大推力，从而驱动支架转轴的转动。第二种通过电机驱动回转减速器,或者涡轮蜗杆减速装置，实现较大的输出力矩，从而通过大输出力矩带动支架转动。

上述电机驱动方式由于存在电机寿命以及机械传动系统的稳定性的问题，其事实上无法满足光伏电站25年的设计使用寿命。电机、机械传动部分也需要时常检修更换，对于用户而言，维修及运营成本也较高。

因此，现有技术还有待发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种自调节光伏灌溉系统及其跟踪灌溉方法，旨在解决现有技术太阳能跟踪器运行稳定性不足，维护成本较高的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种自调节光伏灌溉系统，包括自调节光伏子系统以及灌溉系统，所述自调节光伏子系统包括若干光伏组件支架；所述光伏组件支架包括：支架立柱以及与支架立柱连接，可沿自身轴向方向转动的支架主梁，所述支架主梁上设置有向外延伸的延伸支架，其中，所述光伏组件支架还包括：

一配重结构，所述配重结构设置在所述延伸支架上，使所述延伸支架的重心与所述支架主梁不重合；

一动力水箱，所述动力水箱通过一挂杆设置在所述延伸支架的一侧，所述动力水箱的一端设置有排水管道；

一供水系统，所述供水系统与所述动力水箱连接，向所述动力水箱供水；

设置在所述排水管道上，控制所述动力水箱定量排水，重量随时间线性变化的电磁阀控制单元；

随所述动力水箱的重量变化，所述延伸支架转动到相应能够实现延伸支架力矩平衡的倾斜角度；

所述灌溉系统通过所述电磁阀控制单元与所述排水管道连接，在所述电磁阀控制单元的控制下，动力水箱排出的水流入所述灌溉系统中进行灌溉。

所述的自调节光伏灌溉系统，其中，所述配重结构包括：

设置在所述支架主梁底部的第一配重块，所述第一配重块通过配重支撑杆与所述支架主梁刚接；

设置在所述延伸支架另一侧的第二配重块，所述第二配重块通过配重支架设置在所述延伸支架上。

所述的自调节光伏灌溉系统，其中，所述供水系统包括：用于存储水的蓄水装置，所述蓄水装置通过供水管道与所述动力水箱连接；

所述供水管道上设置有一水泵；将所述蓄水装置内的水通过所述供水管道输入至所述动力水箱中。

所述的自调节光伏灌溉系统，其中，所述排水管道还通过一回流水管与所述蓄水装置连接；

在所述电磁阀控制单元的控制下，将排水管道排出的水通过回流水管输入至所述蓄水装置中。

所述的自调节光伏灌溉系统，其中，所述电磁阀控制单元包括：电磁阀、设置在所述排水管道内的流量计以及上位机控制系统；

所述电磁阀在所述上位机控制系统控制下，控制动力水箱的排水速度并控制排水管道排出的水流向回流水管或灌溉系统。

所述的自调节光伏灌溉系统，其中，所述支架立柱与延伸支架之间设置有缓冲器；

所述缓冲器提供阻尼以阻止所述延伸支架的角动量超过预定标准。

所述的自调节光伏灌溉系统，其中，所述支架立柱与支架主梁之间通过滚动轴承连接；

所述滚动轴承的轴承座固定设置在所述支架立柱上；

所述滚动轴承外还设置有遮盖所述滚动轴承的滚动轴承保护套。

一种应用如上所述的自调节光伏灌溉系统的跟踪灌溉方法，其中，所述方法包括：

A、计算当地太阳高度角的变化情况；

B、依据所述太阳高度角，计算相对应的延伸支架倾斜角度；

C、基于所述延伸支架的力矩平衡原理，通过流量控制阀门控制动力水箱排出相应重量的水，令所述延伸支架旋转至所述延伸支架倾斜角度；

D、在需要灌溉时，电磁阀控制单元控制动力水箱中排出的水进入到灌溉系统中进行灌溉。

所述的跟踪灌溉方法，其中，所述方法还包括：在夜间时将所述动力水箱注满水，令所述延伸支架位于朝东倾斜45°的位置。

所述的跟踪灌溉方法，其中，所述步骤D还包括：

当不需要灌溉时，电磁阀控制单元控制控制动力水箱中排出的水回流至供水系统中。

有益效果：本发明提供的一种自调节光伏灌溉系统及其跟踪灌溉方法，通过设置重量可变的动力水箱，基于力矩平衡原理来驱动光伏组件支架改变倾斜角度，实现太阳跟踪的任务。

一方面，由于上述控制方式为水的排出流量控制，控制难度较低，能够达到较高的跟踪精度。而且，将排出的水与灌溉系统有机的整合，实现了排水的有效利用，除了可以实现光伏支架的角度自调节外，还可以根据需要进行灌溉，具有良好的应用效果。

另一方面，上述利用力矩平衡的驱动方式，无需使用电机及复杂的传动结构，仅需控制流量，从而使得整体太阳追踪系统运行稳定可靠，维护方便而且成本较低。

附图说明

图1为本发明具体实施例的自调节光伏灌溉系统的光伏组件支架的横截面结构示意图。

图2为本发明具体实施例的自调节光伏灌溉系统的光伏组件支架的轴承结构示意图。

图3为本发明具体实施例的自调节光伏灌溉系统的光伏组件支架的第一配重块的结构示意图。

图4为本发明具体实施例的自调节光伏灌溉系统的光伏组件支架的第二配重块的结构示意图。

图5为本发明具体实施例的自调节光伏灌溉系统的光伏组件支架的控制系统的控制流程的具体实例的方法流程图。

图6为本发明具体实施例的自调节光伏灌溉系统的光伏组件支架的缓冲器的结构示意图。

图7为本发明具体实施例的自调节光伏灌溉系统的跟踪灌溉方法的方法流程图。

图8为本发明具体实施例的自调节光伏灌溉系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种自调节光伏灌溉系统及其跟踪灌溉方法。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图8所示，为本发明具体实施的自调节光伏灌溉系统，其包括利用动力水箱400的重力变化进行调节的光伏子系统10以及与其连接的供水系统20和灌溉子系统30。

电磁阀控制单元50设置在动力水箱400的排水管道401上，控制排出的水的流量以及流向。

具体的，所述排水管道401还通过回流水管402与所述供水系统20连接。所述供水系统20可以包括用于存储水的蓄水装置21，所述蓄水装置通过供水管道22与所述动力水箱400连接；

所述供水管道上设置有一水泵23。水泵23将所述蓄水装置内的水通过所述供水管道输入至所述动力水箱中。

在实际使用中，电磁阀控制单元50可以根据实际情况需求，控制排出水流向灌溉子系统或通过回流水管402回流到供水系统20的蓄水装置21中。所述蓄水装置具体可以是任何合适的水井、水池或者其他用于存储较大量洁净水的装置。

如图1所示，则为本发明具体实施例所述的光伏组件支架。所述光伏组件支架包括：支架立柱100、与支架立柱连接，可沿自身轴向方向转动的支架主梁200以及延伸支架300。

具体的，如图2所示，所述支架立柱100与支架主梁200（为显示方便，图2中并未显示主梁）之间可以通过滚动轴承110连接。其中，所述滚动轴承的轴承座111固定设置在所述支架立柱100上，支架主梁200与所述轴承110的内圈112连接，绕自身轴向方向转动。

上述采用滚动轴承的结构设置，能够减少支架主梁的转动摩擦，保证了延伸支架转动的灵活性。

所述滚动轴承110外还设置有遮盖所述滚动轴承的滚动轴承保护套120。通过设置所述轴承保护套120能够有效的避免灰尘异物等进入轴承内部，起到保护轴承，延长轴承使用寿命等。

所述支架立柱100一端固定在固定平面上，例如水泥基础等，从而固定光伏支架的具体设置位置。所述支架立柱具体可以采用任何合适形状或者结构的固定立柱或者支撑件，例如如图1所示的A型支撑件等。

所述延伸支架300设置在支架主梁200上，随支架主梁200的旋转而改变倾斜角度。光伏组件10可以固定设置在所述延伸支架300上。

所述光伏组件支架还包括：配重结构（图中未示出）以及动力水箱400。

所述配重结构是指设置在所述延伸支架上，使所述延伸支架的重心与所述支架主梁不重合的特定的结构设置。

所述配重结构具体可以采用多种不同的结构予以实现，例如可以通过在延伸支架上增设额外的配重块，改变延伸支架两侧的重量分布；或者在延伸支架的一侧使用密度较大的材料，另一侧使用密度较轻的材料，使延伸支架两侧的重量不相等，或者是其他合适的，能够改变延伸支架两侧重量，使其重心偏移的结构。

应当理解的是，为了保证所述光伏组件支架能够方便的实施，所述延伸支架两侧的重量分布应当具有足够的或者是较大的区别。

所述动力水箱400通过一挂杆设置在所述延伸支架的一侧。排水管道401设置在动力水箱400的一端。所述电磁阀控制单元来控制动力水箱400的重量以线性变化。

由于动力水箱400与延伸支架300的总的偏心力矩能够在特定的角度上实现力矩平衡。因此，随所述动力水箱400的重量变化，延伸支架300实现力矩平衡的角度会随之变化。

根据上述力矩平衡原理，在动力水箱400的重量变化时，所述延伸支架300将转动到相应能够实现延伸支架300力矩平衡的倾斜角度。

较佳的是，所述支架立柱，支架主梁以及挂杆等为桁架结构，其具有受力大，跨度大，节省材料，结构稳定的优点。

以下以如图1所示的具体实施例的光伏组件支架为例来陈述力矩平衡的计算原理。

在本具体实施例中，如图1、图3及图4所示，所述配重结构具体包括：

设置在所述支架主梁200底部的第一配重块311。所述第一配重块311通过配重支撑杆500与所述支架主梁200刚接。

设置在所述延伸支架300另一侧的第二配重块312。所述第二配重块通过配重支架510设置在所述延伸支架上。

具体的，所述第一及第二配重块具体可以采用任何合适的材质制成，例如混凝土配重块，铁配重块等等。较佳的是，所述支撑杆500以及配重支架510可以采用如图3及图4所示的结构，具有一穿过配重块的纵向延伸的轴部。配重块分为若干配重块单元，中间设置相对应的通孔，套入所述轴部上。

上述结构设置，能够方便的改变配重块单元的数量从而便捷的调整第一配重块311或者第二配重块312的重量。

相对应地，力矩平衡的中心原点为支架主梁的转动中心（或转动轴承位）。令Mo表示动力水箱的力偶、M1表示第二配重块重力偶、M2表示第一配重块重力偶、M3表示设置在支架上的光伏组件重力偶、M4表示支架结构重力偶。

在早上到中午的时间段，延伸支架的力偶平衡关系如下：

Mo+M3+M4=M1+M2。

在中午到下午的时间段，延伸支架需要翻过0度，朝向另一侧。因此，新的力偶平衡关系如下：

Mo+M2=M3+M4+M1。

具体的力偶计算方法为本领域技术人员所熟知。因此，以下以在早上到中午时间段为例，作简要陈述。

如图1所示，设动力水箱400质量为m1，第一配重块312质量为m3，第二配重块311质量为m2，延伸支架的倾斜角度为θ，L为动力水箱400与第二配重块之间中心的距离，h为第一配重块与所述支架主梁的距离。

为符合力偶平衡，应当有：

（m1-m2）*L*COSθ=m3*h*sinθ

根据上述等式，在第一及第二配重块质量不变的前提下，可以通过改变动力水箱400的质量m1来改变延伸支架的倾斜角度θ。

较佳的是，所述电磁阀控制单元可以包括：电磁阀、设置在所述排水管道内的流量计以及上位机控制系统。

其可以分为两个功能模块，第一个个功能模块包括流量计和电磁阀，用于实现动力水箱400的排水速度随时间线性变化的控制。另一个功能模块则用于控制排水管道排出的水流向回流水管或灌溉系统。

所述电磁阀和流量计具体可以采用现有技术中任何常用的电磁阀门。所述上位机控制系统可以采用普通的工控设备。当然，也可以使用人工控制电磁阀开启关闭的方式，控制排水的流向。

上述使用电磁阀及流量计的方式可以实现计算机自动化控制排水速度。具体为将流量计获取的流量信息提供给上位机控制系统，控制系统计算当前排水量是否达到要求，并据此控制电磁阀开启或者关闭。

如图5所示，为本具体实施例中，控制系统的控制流程的具体实例。

S1、在A1时刻，电磁阀开启（持续t1时间）。

S2、获取流量计信息。

S3、判断是否达到设定流量，若是，电磁阀关停（S4）；若否，继续开启(S1)。

另外，在达到傍晚（即没有阳光的时间）的时刻时，启动水泵，注满动力水箱。所述傍晚的时刻依据当地以及当期实际的情况预先确定（即地理学上的日落时刻，通常与当地维度等相关，例如下午6时，6时15分等）。

在本发明的较佳实施例中，如图6所示，所述支架立柱100与延伸支架200之间设置有缓冲器600。当延伸支架200处于水平位置时，所述缓冲器的伸出量为10mm±1。

所述缓冲器600用于在延伸支架的旋转速度过快时，提供足够的阻尼以阻止所述延伸支架的角动量超过预定标准。

由于本发明所述的自调节光伏支架采用的力矩平衡原理来实现倾斜角度的调整，因此，在有强烈侧风或者急风的情况下，支架的平衡状态将会被打破，延伸支架可能会以较高的速度撞向支架立柱造成光伏组件支架的损毁等。

设置上述缓冲600能够有效的防止上述情况的发生，提供足够的阻力来降低上述情况下延伸支架的角动量以避免相互碰撞造成损坏。

所述缓冲器600具体可以采用现有任何合适的缓冲器，其仅在角动量较大时提供较强的阻力来避免延伸支架的高速转动。

更具体的，所述的光伏组件支架的主要零件，例如支架的A型支架立柱、支架主梁、延伸支架、连杆等均采用热镀锌表面处理，有效提高材质的耐腐性，为光伏组件支架在户外恶劣环境下的使用提供了良好的保障。

采用上述基于力矩平衡原理，控制水流量的支架倾斜角度控制方式，与传统电力驱动等方式相比，其控制稳定性好，控制实现简便而且跟踪太阳的精度更好，精度可以达到±2°以内。

在本发明一具体实施例中，所述支架立柱上还可以设置有限制所述延伸支架转动角度的限位结构，将所述延伸支架的摆动角度限制在±45°。

如图7所示，本发明还提供了一种应用如上所述的系统的跟踪灌溉方法。所述方法包括如下步骤：

S100、计算当地太阳高度角的变化情况。所述太阳高度角变化情况可以依据天文历等来进行计算。

S200、依据所述太阳高度角，计算相对应的延伸支架倾斜角度。

S300、基于所述延伸支架的力矩平衡原理，通过流量控制阀门控制动力水箱排出相应重量的水，令所述延伸支架旋转至所述延伸支架倾斜角度。

S400、判断是否需要灌溉，若是执行步骤S500；若否，则执行步骤S600。

S500、电磁阀控制单元控制动力水箱中排出的水进入到灌溉系统中进行灌溉。

进一步的，若不需要灌溉时，电磁阀控制单元控制控制动力水箱中排出的水回流至供水系统的蓄水装置中（S600）。

如上所述，当使用电磁阀及流量计时，可以通过电控系统来实现太阳能光伏支架的摆动角度自动调节。

更具体的，所述方法还包括：在夜间时将所述动力水箱注满水，令所述延伸支架位于朝东倾斜45°的位置（东偏角）。

上述控制方法，通过控制水流量来实现对于支架摆动的控制，与电机驱动控制相比，控制难度较低，能够实现非常精确的角度控制，从而有效的提高了光伏组件的发电效率。而且将动力水箱调节过程中的排水与灌溉系统有机的整合，实心了灌溉与光伏跟踪的联动。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。