一种斜单轴跟踪光伏阵列及其方位角跟踪调节方法

1.本发明涉及太阳能发电技术领域，特别涉及一种斜单轴跟踪光伏阵列及其方位角跟踪的调节方法。
2.

背景技术：

3.光伏水泵是光伏技术的应用之一，基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能,然后驱动电机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。随着pv电池成本的降低，大功率(40kw~1mw)光伏灌溉系统越来越多的推入市场。跟踪太阳可以减少给定输出所需的pv组件面积的尺寸，提高发电量和整体效率，延长峰值抽水的时间，降低整体系统成本。由于传统跟踪装置（双轴跟踪、单轴跟踪）需要连续实时跟踪，跟踪机制及其相关控制复杂，故障率高，使得传统跟踪式光伏水泵系统难以推广使用。尤其在偏远地区，一旦发生故障，维护维修非常困难。因此，光伏水泵系统中pv组件往往采用固定式安装，朝向正南，倾角等于当地地理纬度，需要使用过多的pv组件。虽然固定式系统比使用跟踪系统需要更少的维护，但是系统整体性能和太阳能利用率低，仅能利用太阳正午前后的太阳辐射。传统斜单轴跟踪式光伏设备pv组串的旋转轴在南北方向、与地面成一定的倾角放置，一般根据当地最佳安装倾角设定，且该类型设备的电池面板跟踪太阳方位角绕旋转轴东西方向转动。与固定式光伏设备和平单轴跟踪设备相比，南北斜单轴跟踪系统既可以设置最佳安装倾角，又可跟踪太阳方位角，能够更大程度地提高光伏电站的发电量，比固定式光伏设备可有效提高发电量20%-30%；与双轴跟踪系统相比，南北斜单轴跟踪系统减少了一个跟踪轴和电机，成本大为降低，但仍然存在连续实时跟踪带来的故障率高的问题。开发廉价、简易的跟踪系统成为光伏水泵领域未来的一个重要发展方向；发明人发现现有技术中存在如下问题：传统太阳跟踪技术采用连续实时跟踪，故障率高，维护、维修困难，难以推广应用于光伏水泵。固定式光伏水泵系统仅能利用太阳正午前后的太阳辐射，存在过度设计、太阳能利用率低的缺陷。故此，我们提出一种适用于大功率光伏水泵系统的斜单轴跟踪光伏阵列简易方位角跟踪的调节方法，该方法可以改善光伏水泵系统的性能，大大降低了故障率和系统成本，而抽水量可以达到相同配置的传统南北斜单轴跟踪光伏水泵系统抽水量的98%以上。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种斜单轴跟踪光伏阵列及其简易方位角跟踪的调节方法，该方法可以提高光伏板调节的稳定性，大大降低了故障率，同时发电量几乎和连续调整的光伏板差距不大。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种斜单轴跟踪光伏阵列简易方位角跟踪的调节方法，包括以下步骤：（1）早上，pv组串朝向正南，当太阳时角为-ω
l
（即太阳时为-ω
l
τ
day
/2π），将太阳电
池板旋转朝向东方，偏离太阳正午的方位角为-γ1；（2）正午，在太阳时角为-ω1（即太阳时为-ω1τ
day
/2π）时pv组串绕着倾斜轴旋转至正南方向；（3）下午，在太阳时角为ω1（即太阳时为ω1τ
day
/2π）时旋转pv组串朝向西方，偏离太阳正午的方位角为γ1；（4）傍晚。当太阳时角为ω
l
（即太阳时为ω
l
τ
day
/2π），将pv组串复位至正南位置。
6.一种斜单轴跟踪光伏阵列，包括光伏板，所述光伏板设置有大于2的任意数量，最佳数量为4~40个光伏板连接一个电机。每个所述光伏板的下端中部均固定连接有调节机构，每个所述调节机构的下端后部均固定连接有固定板，每个所述固定板的下端左部和下端右部均通过连接座穿插活动连接有伸缩杆，且若干个伸缩杆的下端和每个调节机构的下端前部均固定连接有水泥墩，每个所述调节机构的外表面前部共同啮合有传动机构，所述传动机构的后端右部固定连接有防护机构，所述传动机构的外表面右部通过轴承穿插活动连接有支撑板。
7.优选的，所述调节机构包括调节轴，所述调节轴的外表面上部穿插固定连接有调节板，且调节板的上端与光伏板的下端固定连接，所述调节轴的外表面前部和外表面后部均通过轴承穿插活动连接有调节块，且两个调节块的外表面下部均通过连接座与相对应的水泥墩的上端活动连接，所述调节轴的前端穿插固定连接有第一锥齿。
8.优选的，所述传动机构包括固定杆，所述固定杆设置有两根，两根所述固定杆的外表面左部、外表面中部和外表面右部均通过轴承穿插活动连接有固定框，两根所述固定杆的外表面均穿插固定连接有四个第二锥齿，两根所述固定杆的外表面右部均通过轴承穿插活动连接有固定箱，两个所述固定箱的相对面中部之间通过轴承共同穿插活动连接有驱动杆，所述驱动杆的前端和后端均穿插固定连接有第三锥齿。
9.优选的，所述防护机构包括防护箱，所述防护箱的前箱壁中部固定连接有步进电机，且步进电机的输出端依次贯穿防护箱的前箱壁和后侧的固定箱的后箱壁并与驱动杆的后端固定连接，所述防护箱的左端中部和右端中部均开有若干个散热口，若干个所述散热口内均固定连接有防尘网，所述防护箱的左端和右端均固定连接有若干个挡板，所述防护箱的前端与后侧的固定箱的后端固定连接。
10.优选的，左侧每个所述第二锥齿分别与相对应的每个第一锥齿相啮合，两个所述第三锥齿的方向一致，且两个第三锥齿分别与右侧相对应的两个第二锥齿相啮合。
11.优选的，若干个所述挡板均呈向下倾斜设置，且若干个挡板与若干个散热口之间呈上下交错分布。
12.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、本发明中，通过设置驱动机构，通过驱动器带动驱动齿轮转动，然后通过驱动齿轮与齿条之间的啮合传动，即可带动控制连杆向右移动，通过控制连杆的移动可调节太阳电池板的角度，从而有利于太阳电池板对太阳进行跟踪，且太阳电池板每天只需要跟踪四次，故障率大大降低。根据实验数据，四方位跟踪阵列的发电量和抽水量可以达到连续跟踪的光伏板98%以上。对比现有的连续跟踪方案，本发明每天只需要跟踪四次，机械机构适用于山地、潮湿、水面、风沙大的恶劣气候地区，根据实验检测结果表明，本发明运行2个月是传统连续变动机构故障率的2~3%，故障率大大降低，而抽水量只减少了1~2%，因此在没有削
减电量的前提下降低了光伏发电站的运行维护成本，值得各种光伏发电企业推广。
13.如果将本发明的装置用于光伏水泵，比固定式光伏水泵大大提高了抽水量，使用了南北水斜轴跟踪器来延长每天的灌溉小时数，并提供灌溉期间光伏组件功率的每日恒定剖面。此外，使用该跟踪器可以使pv发电机的额定功率比固定结构的相同体积的水减少40%。适用于大功率光伏水泵系统。
14.2、本发明中，通过设置调节机构和传动机构，通过第三锥齿与第二锥齿之间的啮合传动，并配合第二锥齿与第一锥齿之间的啮合传动，这种结构安装和拆卸方便，可以根据齿轮的传动同时对多个太阳能光伏板的采光角度进行调节，同时，该结构可以便于维修，一个光伏板出现故障不需要停机，只要把相关的齿轮拔出即可，根据申请人使用两个月的情况来看，其故障率是传统的跟踪式斜单轴光伏机构的0.6%；本发明的电机通过设置防护机构，通过防护箱可对步进电机起到防护作用，可避免步进电机直接暴露在室外，而导致不同的温度、湿度等对其损坏的问题，再通过防尘网和挡板，可避免灰尘和雨水进入到防护箱中，从而加强了对步进电机的防护效果，有效的延长了步进电机的使用寿命。
15.3、本发明的一种斜单轴跟踪光伏阵列具有结构简单，稳定性强，易安装，故障率低的特点，相比连续式跟踪光伏板的发电量下降很少，但故障率大大降低，降低了维护成本，提高了光伏发电的经济效益。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明一种斜单轴跟踪光伏阵列的整体结构示意图；图2为本发明一种斜单轴跟踪光伏阵列的调节机构整体结构示意图；图3为本发明一种斜单轴跟踪光伏阵列的传动机构整体结构示意图；图4为本发明一种斜单轴跟踪光伏阵列的防护机构整体结构示意图；图5为本发明四方位跟踪系统沿跟踪轴方向的视图。
18.图6为本发明光伏板与太阳光的位置示意图。
19.图中：1、光伏板；2、调节机构；3、固定板；4、伸缩杆；5、水泥墩；6、传动机构；7、防护机构；8、支撑板；21、调节轴；22、调节板；23、调节块；24、第一锥齿；61、固定杆；62、固定框；63、第二锥齿；64、固定箱；65、驱动杆；66、第三锥齿；71、防护箱；72、步进电机；73、散热口；74、防尘网；75、挡板。
具体实施方式
20.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
21.下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
22.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种斜单轴跟踪光伏阵列，包括光伏板1，光伏板1设置有六个，当然，此斜单轴跟
踪光伏阵列的光伏板1为两个以上均可以，按照现有电机功率，最佳数量为4~40个，本实施例采用六个作为示例，所述六个光伏板1的下端中部均固定连接有调节机构2，六个调节机构2的下端后部均固定连接有固定板3，六个固定板3的下端左部和下端右部均通过连接座穿插活动连接有伸缩杆4，且若干个伸缩杆4的下端和六个调节机构2的下端前部均固定连接有水泥墩5，六个调节机构2的外表面前部共同啮合有传动机构6，传动机构6的后端右部固定连接有防护机构7，传动机构6的外表面右部通过轴承穿插活动连接有支撑板8。
23.本实施例中，调节机构2包括调节轴21，调节轴21的外表面上部穿插固定连接有调节板22，且调节板22的上端与光伏板1的下端固定连接，调节轴21的外表面前部和外表面后部均通过轴承穿插活动连接有调节块23，且两个调节块23的外表面下部均通过连接座与相对应的水泥墩5的上端活动连接，调节轴21的前端穿插固定连接有第一锥齿24；传动机构6包括固定杆61，固定杆61设置有两根，两根固定杆61的外表面左部、外表面中部和外表面右部均通过轴承穿插活动连接有固定框62，两根固定杆61的外表面均穿插固定连接有四个第二锥齿63，两根固定杆61的外表面右部均通过轴承穿插活动连接有固定箱64，两个固定箱64的相对面中部之间通过轴承共同穿插活动连接有驱动杆65，驱动杆65的前端和后端均穿插固定连接有第三锥齿66；左侧六个第二锥齿63分别与相对应的六个第一锥齿24相啮合，两个第三锥齿66的方向一致，且两个第三锥齿66分别与右侧相对应的两个第二锥齿63相啮合，可通过第三锥齿66与第二锥齿63之间的啮合传动，配合第二锥齿63与第一锥齿24之间的啮合长度，即可通过一个步进电机72同时控制多个调节轴21进行转动，可实现同时调节多个光伏板1的目的，调节板22设置为梯形结构，可增加调节板22与光伏板1之间的接触面积，使调节板22与光伏板1之间固定的更加牢固，从而便于对光伏板1进行角度调节，八个第二锥齿63分别位于六个固定框62和两个固定箱64内，可对第二锥齿63起到防护作用，且六个固定框62的后端面均设置敞开式。
24.本实施例中，防护机构7包括防护箱71，防护箱71的前箱壁中部固定连接有步进电机72，且步进电机72的输出端依次贯穿防护箱71的前箱壁和后侧的固定箱64的后箱壁并与驱动杆65的后端固定连接，防护箱71的左端中部和右端中部均开有若干个散热口73，若干个散热口73内均固定连接有防尘网74，防护箱71的左端和右端均固定连接有若干个挡板75，防护箱71的前端与后侧的固定箱64的后端固定连接；若干个挡板75均呈向下倾斜设置，且若干个挡板75与若干个散热口73之间呈上下交错分布，使挡板75对散热口73起到遮挡作用，避免雨水通过散热口73进入到防护箱71内，从而在防雨的同时还有利于步进电机72的散热。
25.需要说明的是，本发明为一种斜单轴跟踪光伏阵列，在使用过程中，首先通过水泥墩5将六个光伏板1安装固定在屋顶，并使光伏板1面朝南方，然后根据屋顶当时实际情况，可通过调节伸缩杆4的长度来调整光伏板1与地面的夹角，让光伏板1尽可能与太阳照射的光垂直，使光伏板1能充分照射到太阳光，当光伏板1与地面的夹角确定好后，再将传动机构6也安装在屋顶上，并使传动机构6中左侧的六个第二锥齿63分别与六个第一锥齿24相啮合，当一天之中太阳光的照射角度发生变化时，通过步进电机72带动驱动杆65转动，通过两个第三锥齿66与右侧两个第二锥齿63之间的啮合传动，使两个固定杆61分别带动其上的第二锥齿63一同转动，再通过左侧六个第二锥齿63分别与六个第一锥齿24之间的啮合传动，使六个调节轴21同时带动六个调节板22进行转动，即可同时对多个光伏板1的采光角度进
行调节，从而提高了对太阳光的利用率，也提高了实用性，同时，通过防护箱71可对步进电机72起到防护作用，避免步进电机72直接暴露在室外容易损坏的问题，且通过若干个散热口73的设置，有利于步进电机72的散热，然后通过防尘网74的防尘过滤，可避免灰尘进入到防护箱71内，再通过挡板75的阻挡，可避免雨水进入到防护箱71内，即可对步进电机72进行防尘防水，从而加强了对步进电机72的防护效果，有效的延长了步进电机72的使用寿命。
26.综合上述，本发明在使用过程中，先通过底座1将整个装置安装固定好，早上，太阳电池板11处于水平位置，当太阳时角为-ω
l
（即太阳时为-ω
l
τ
day
/2π）时，驱动器24启动，使驱动轴25带动驱动齿轮26进行转动，然后通过驱动齿轮26与齿条5之间的啮合传动，可使带动控制连杆3向左移动，且通过限位块63在限位槽4中滑动，并通过限位框62对控制连杆3的限位，提高了控制连杆3的稳定性，可使控制连杆3稳定的带动连接座72向左移动，可带动连接柄71的外表下部一同向左移动，使连接块73带动转轴8进行正向转动，可使固定板10带动太阳电池板11一同进行正向转动，可将太阳电池板11旋转朝向东方，同时，在支撑座96和两个支撑架94的支撑下，可加强对支撑框91对转轴8的支撑效果，从而转轴8的稳定性，也提高了太阳电池板11的稳定性；在太阳正午前，当太阳时角为-ω1（即太阳时为-ω1τ
day
/2π）时，驱动器24反向转动驱动控制连杆3向右移动一半，连接柄71将转轴8向上推动，可使滑块93在支撑框91中向上滑动，这时可将太阳电池板11旋转至水平方向；下午，当太阳时角为ω1（即太阳时为ω1τ
day
/2π）时，驱动器24继续反向转动，并驱动控制连杆3再向右移动一半，连接柄71将转轴8向下拉动，可使滑块93在支撑框91中向下滑动，这时可将太阳电池板11旋转朝向西方，偏离太阳正午的方位角为γ1；傍晚，当太阳时角为ω
l
（即太阳时为ω
l
τ
day
/2π）时，驱动器24正向转动驱动控制连杆3向左驱动一半，可将太阳电池板11复位至水平位置，从而使装置在四个计算好的时间点，将太阳电池板11调整至一定角度，只需每天跟踪光伏四次，无需连续跟踪，且对跟踪精度的要求较低，通过四方位跟踪阵列的年采光量和发电量可达到连续跟踪的97%以上，可用于光伏水泵，比固定式光伏水泵大大提高了抽水量，使用了南北倾斜轴跟踪器来延长每天的灌溉小时数，并提供灌溉期间光伏组件功率的每日恒定剖面，此外，使用该跟踪器可以使pv发电机的额定功率比固定结构的相同体积的水减少40%。
27.本发明的光伏板四方位跟踪阵列的日运行方案如下：（1）早上，pv组串朝向正南，当太阳时角为-ω
l
（即太阳时为-ω
l
τ
day
/2π），将太阳电池板旋转朝向东方，偏离太阳正午的方位角为-γ1；；（2）正午，在太阳时角为-ω1（即太阳时为-ω1τ
day
/2π）时pv组串绕着倾斜轴旋转至正南方向；（3）下午，在太阳时角为ω1（即太阳时为ω1τ
day
/2π）时旋转pv组串朝向西方，偏离太阳正午的方位角为γ1；（4）傍晚。当太阳时角为ω
l
（即太阳时为ω
l
τ
day
/2π），将pv组串复位至正南方向。
28.相应的四方位跟踪pv组串的跟踪方位角γ表示为：
λ为当地地理纬度，δ为赤纬角，τ
day
为一天的时长。假定阵列东西间距为d
ew
, pv组串的宽度为w
pv
。如图6所示, ω
l
为pv组串极限遮挡位置对应的时角,可由下式计算求出：γ1通过寻优计算获得，推荐范围为45
°
~50
°
。
29.本发明采用四方位跟踪光伏水泵系统的年抽水量达到斜单轴连续跟踪的98%以上，每天只需要跟踪四次，能耗和故障率大大降低。