一种用于光伏发电的太阳能跟踪装置的制作方法

本发明涉及光伏发电设备领域，具体涉及一种用于光伏发电的太阳能跟踪装置。

背景技术：

自从2009年以来，我国启动大规模的光伏发电市场应用，期望通过连续多年的国家政策支持推动，促使光伏发电应用通过技术进步与规模化发展两条路径，最终达到平价上网，从而取代化石能源之目的,其中太阳能跟踪支架是发展较快的分支技术方案之一，对提高发电量起到了推动作用,但现有跟踪支架存在以下缺点：结构复杂、造价较高、故障率较高、维护困难、适应环境能力较差、施工困难、基础体量较大占地较多、耗材较多等，因此跟踪支架的大规模应用呈现较困难局面，市场占有率大大低于一般的固定支架。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决现有技术中问题，本发明提出一种用于光伏发电的太阳能跟踪装置。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种用于光伏发电的太阳能跟踪装置，包括：至少一个跟踪支架、钢丝绳、卷扬机、重力张紧平衡器、夹绳制动器；

所述跟踪支架包括桩柱、套管、钢轮、光伏组件板固定板；

所述桩柱中埋入地下的部分称为桩，伸出地面以上的部分称为柱；

所述光伏组件板固定板包括水平檩条、斜梁、水平主梁、水平副梁、主梁支座，所述水平檩条与斜梁叠合且纵横相交，组成网格状的格栅结构，所述水平主梁设置在格栅结构的中间，所述水平副梁设置在格栅结构的两端；

所述格栅结构之上固设有光伏组件板，格栅结构固设于水平主梁之上，所述水平主梁固设于主梁支座之上，所述主梁支座固设于套管顶部之上，所述套管套设在桩柱上被桩柱支撑，套管绕桩柱轴心线旋转，所述套管底部与钢轮连接，所述套管轴心线与钢轮的中心重合；

所述钢丝绳缠绕在钢轮上不少于一圈，并将钢丝绳上的一点固定在钢轮上，缠绕的钢丝绳相对于钢轮的表面不能滑动，钢丝绳的一端缠绕在卷扬机上，卷扬机工作带动钢丝绳移动进而带动钢轮旋转；

所述钢丝绳上设有重力张紧平衡器，重力张紧平衡器使跟踪支架之间的钢丝绳或卷扬机与跟踪支架之间钢丝绳始终处于张紧状态；

所述卷扬机设有夹绳制动器。

进一步的，所述重力张紧平衡器上设有夹绳制动器，在两个跟踪支架之间的钢丝绳上设置有夹绳制动器；

所述桩柱为钢管材质，其内腔灌注混凝土；或者桩柱为圆形截面的钢筋混凝土材质，桩柱为实心截面/空心截面。

进一步的，所述钢轮由轮环、腹杆支撑构件组成，所述轮环由槽钢弯曲制作而成，所述轮环内部设置有腹杆支撑构件，所述腹杆支撑构件包括桁架、弦拉杆、加密支撑杆、斜吊杆、节点连接板，所述桁架布置成十字架形，桁架的两端与轮环内侧相连接并且和套管外侧相连接，十字架的中心与轮环的圆心重合，弦拉杆的两端与轮环内侧相连接，加密支撑杆两端与轮环内侧和桁架侧相连接，所述斜吊杆的两端分别与套管腰部外侧和轮环内侧相连接。

进一步的，还包括有高位副梁支撑杆、低位副梁支撑杆，所述高位副梁支撑杆至少有两根的两端分别与高位的水平副梁下侧和钢轮的轮环内侧相连接；所述低位副梁支撑杆至少有两根的两端分别与低位的水平副梁下侧和钢轮的轮环内侧相连接,至少有2根高位副梁支撑杆和至少有2根低位副梁支撑杆的轴心线与桩柱轴心线保持既不平行且空间不相交。

进一步的，所述桩柱的顶部固设有圆锥台体，所述圆锥台体上方在套管内设有与圆锥台体相配的内锥圆环，套管内腔底部的套管内表面与桩柱外表面之间的间隙中设有两个剖分轴瓦。

进一步的，所述钢丝绳在串联多个跟踪支架并且当钢丝绳的路径闭合时，在两个跟踪支架之间设置有一个重力张紧平衡器，保持钢丝绳始终处于张紧状态，重力张紧平衡器吸收与补偿钢丝绳弹性变形与温度变形，当钢丝绳在串联多个跟踪支架并且当钢丝绳的路径不闭合时，在钢丝绳的首尾两端设置两个重力张紧平衡器来保持钢丝绳始终处于张紧状态。

进一步的，在有坡度的地形上布置的两个跟踪支架之间设置有至少一个高程变换器。

进一步的，钢丝绳与高程变换器组成龙门架形式，重力配重块通过滑轮悬挂在钢丝绳上。

进一步的，还设置有倾角跟踪调节机构，套管上部外侧设有三角撑式牛腿、在三角撑式牛腿上设置有推杆支座，所述推杆支座和格栅结构之间设置手动推杆或电动推杆，推杆两端均为转动铰链的连接方式，在推杆推动下调整格栅结构平面与地面的夹角角度。

进一步的，在光伏组件板整体平面的下缘设置有镜面反光板。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.在卷扬机拖动下，钢轮绕桩柱旋转，光伏组件板实时连续跟踪太阳的方位角运动，提高发电量；

2.在推杆驱动下，光伏组件板跟踪太阳的高度角运动，进一步提高发电量；

3.在镜面反光板的作用下，实时增加光伏组件板面的光辐照强度，再进一步提高发电量；

4.采用了下桩柱及上套管式的机构导致构造简单可靠，桩柱不承受扭矩，因此内应力较小，桩柱可以大幅度减少消耗材料；

5.采用了卷扬机驱动钢丝绳再拖动钢轮的传动机构，在相同的造价条件下，其可传动的扭矩数值是传统蜗杆蜗轮减速机构的数倍以上，因此其造价低廉，适应性强，安全可靠，施工与维修方便，工业标准化程度较高，传动扭矩数值与造价费用的性价比高，有利于单个跟踪支架设计制造的大型化，进一步提高性价比；

6.采用了水平副梁支撑杆，水平副梁支撑杆的中心线与桩柱轴心线既不平行亦不相交，产生了传递扭矩的第二路径，且可以传递很大的扭矩，导致套管扭矩应力很小且格栅结构空间刚度较大，有利于跟踪支架的大型化设计，进一步降低成本；

7.利用钢丝绳可拐弯特性，卷扬机与多个跟踪支架可布置灵活，平面布置可以任意拐弯，高程布置可以适应地形变化，尤其适应于平面形状不规则且场地不平整的土地，如在山坡丘陵土地上开发建设光伏电站，大幅度提高土地利用率；

8.跟踪支架的基础部分，仅为一个柱状基础，占地面积较小，可以达到实质性占地较少的效果，也减少了基础体量，减少耗材，降低施工难度，降低工程造价，支架的总体高度可以设计的较高，尤其是钢丝绳和钢轮距离地面较高时，保持地面植物生长所需要的高度空间，达到实质性占地较少的效果，便于地面进行农业种植和养殖活动；

9.由于桩柱埋入地下较深，客观上可以代替防雷地网的地下垂直接地极使用，由于钢丝绳将多个支架钢轮串联起来，客观上可以代替防雷地网的部分地下水平连接体，因此总体上可以降低全项目防雷地网的现场工作量及工程造价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中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。

图1是本发明实施例一中跟踪支架的主视图；

图2是本发明实施例一中跟踪支架的左视图；

图3是图2的局部放大图；

图4是本发明实施例二中桩柱16与套管8的第二种结合构造形式示意图；

图5是本发明实施例一中的跟踪支架的后视图；

图6是本发明实施例一中重力张紧平衡器左视图；

图7是本发明实施例一中重力张紧平衡器前视图；

图8是本发明实施例一中的卷扬机、钢丝绳、跟踪支架、重力张紧平衡器在钢丝绳路径不闭合时的组合关系平面图；

图9是本发明实施例一中的卷扬机、钢丝绳、跟踪支架、重力张紧平衡器在钢丝绳路径闭合时的组合关系平面图；

图10是本发明实施例一的跟踪支架与卷扬机17连接示意图；

图11是本发明实施例一的第二种重力张紧平衡器示意图；

图12是本发明实施例一中的钢轮结构的腹杆支撑构件平面示意图；

图13是本发明实施例一中的斜吊杆平面布置图；

图14是本发明实施例一中的钢轮的侧面图；

图15是本发明实施例一在缓坡地形中布置的跟踪支架的示意图；

图16是本发明实施例一在陡坡地形中布置的跟踪支架的示意图；

图17是本发明实施例三的左视图；

图18是本发明实施例四的不带镜面反光板的左视图；

图19是本发明实施例四的带镜面反光板的左视图。

附图标记说明：

1、跟踪支架；2、光伏组件板；3、水平檩条；4、斜梁；41、曲尺斜梁；5、水平主梁；6、水平副梁；7、主梁支座；8、套管；81、管身；82、管顶封口板；83、管腰法兰；84、挂耳；85、管底方法兰；86、剖分圆法兰；9、内锥圆环；10、圆锥台体；11、剖分轴瓦；111、套筒；12、钢轮；121、轮环；122、水平面桁架；123、弧弦拉杆；124、加密撑杆；125、节点板；126、斜吊杆；13、主梁支撑杆；14、高位副梁支撑杆；141、高位可调节支撑杆；15、低位副梁支撑杆；151、低位可调节支撑杆；16、桩柱；161、锚筋；162、混凝土；163、支承大法兰；164、支承小法兰；17、卷扬机；18、重力张紧平衡器；181、高程变换器连杆；182、配重块；19、钢丝绳；20、高程变换器；21、定滑轮；22、滑车；23、夹绳制动器；24、铰链；25、三角撑式牛腿；26、手动推杆；27、电动推杆；28、镜面反射板；29、推杆支座。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1、2、3、5所示，所述跟踪支架1包括：桩柱16、套管8、钢轮12、光伏组件板固定板；

所述桩柱16为钢管或钢筋混凝土材质圆形截面构件，可为实心亦可为空心截面形状的构件，埋入地下部分称为桩，伸出部分称为柱，为了节约桩柱16的材料且为增强对地的锚固效果，桩柱16底部焊接有锚筋161，埋入地下部分周边用混凝土162灌注捣实。桩柱16轴心线与地面垂直正交。当桩柱16采用钢管材料时，钢管内灌注混凝土，以大幅度提高桩柱16的抗弯抗剪抗扭性能；

所述光伏组件板2安装于水平檩条3之上，所述水平檩条3安装于斜梁4之上，所述斜梁4安装于水平主梁5和水平副梁6之上，所述水平主梁5安装于主梁支座7之上，所述主梁支座7安装于套管8顶部，所述套管8安装于内锥圆环9之上并且两件之间可旋转滑动，所述内锥圆环9安装于圆锥台体10之上，所述圆锥台体10安装于桩柱16之上，所述桩柱16下部埋入地面之下；所述套管8内腔下部的套管81内表面与桩柱16外表面之间设置一副剖分轴瓦11；

所述套管8包括管身81、管顶封口板82、管腰法兰83、挂耳84、管底方法兰85、剖分圆法兰86,剖分圆法兰86的作用是从下部托住剖分轴瓦11。

所述水平主梁5靠近两端部与管身81腰部设置有主梁支撑杆13，以减少水平主梁5的悬臂长度和内弯矩应力；所述水平副梁6与钢轮12之间或与套管8腰部之间设置有高位副梁支撑杆14和低位副梁支撑杆15，高位副梁支撑杆14至少3根，低位副梁支撑杆15至少3根，以增强格栅结构空间刚度并保持格栅结构的空间稳定性，所述高位副梁支撑杆14和低位副梁支撑杆15至少各有2根的中心线与桩柱16的轴心线既不平行且空间不相交，两中心线之间有较大的距离，可以传递较大的扭矩,这种支撑杆件建立了传递扭矩的第二路径。

所述内锥圆环9、圆锥台体10、剖分轴瓦11三个关键零件实现了对上部套管8的两处径向定位和一处轴向定位，并保持在旋转运动状态下可传递竖向荷载和水平荷载。

如图12所示，轮环121外缘为槽钢，槽钢背面向圆心且开口向外，轮环121是槽钢弯曲制作的圆环构件，轮环121内有众多的腹杆，腹杆分为三种类型，其一为水平面桁架122，主要起到向外支撑的作用和传递扭矩的作用，其二为弧弦拉杆123，主要起到加密支撑点和分散扭矩的作用，其三为加密撑杆124，主要起到加密支撑点和分散扭矩的作用，钢丝绳19拖动轮环121旋转，轮环121通过三种腹杆传递扭矩到套管8，从而拖动套管8做旋转运动，由于钢轮12可以做到半径达到数米的数量级，因此可以传递很大的扭矩，由于水平面桁架122结构的力学特征可以实现传递较大扭矩的效果。

如图13所示，在轮环121的背面，焊接有多个节点板125，在套管的腰部也焊接有多个挂耳84，挂耳84与节点板125之间安装斜吊杆126，增强钢轮12整体空间刚度，保持轮环121构件的空间位置准确，结构稳定安全。

如图14所示，轮环121、水平面桁架122、斜吊杆126、上部套管8形成了稳定的空间结构。

如图6、7所示，利用配重块182，使用滑轮22对拖动跟踪支架1的钢丝绳从侧面施加外力，来消纳吸收与补偿钢丝绳19的各种变形，还要保持钢丝绳19能够正常的机械运动，并保持钢丝绳19对卷扬机17产生一定的反力以实现力的平衡作用，反力可以反向拖动跟踪支架的旋转。

如图8所示，将所述一根钢丝绳19逐个串联多个跟踪支架1，钢丝绳在跟踪支架的钢轮上至少缠绕一圈，并在A点固定，钢丝绳与钢轮之间不能滑动，再串联重力张紧平衡器18，再串联卷扬机17，钢丝绳19首尾相接形成闭环，然后由卷扬机17旋转驱动钢丝绳19牵引，便可拖动若干个跟踪支架1统一同步旋转，达到跟踪太阳方位角变化的目的，清晨太阳出地平线，光伏组件板2面对正太阳，随后全日跟随太阳方位角移动，直至傍晚太阳落下地平线，随后跟踪支架1快速回转，回复到清晨的方位，进入待机状态，等待第二天太阳升起。在夏至日跟踪支架的方位角旋转最大角度为240度，在春风日和秋风日跟踪支架的方位角旋转角度为180度，在冬至日跟踪支架的方位角旋转角度为120度。如图9所示，当钢丝绳19在串联多个跟踪支架1并且当钢丝绳19的路径不闭合时，在钢丝绳19的首尾两端设置两个重力张紧平衡器18来保持钢丝绳19始终处于张紧状态。

如图10所示，在两个跟踪支架1之间设置卷扬机17，卷扬机17的正向或反向旋转，便可拖动跟踪支架1的正向与反向旋转，实现支架跟踪太阳方位角变化的目的，鉴于跟踪支架1旋转运动极其缓慢，为了延长卷扬机工作时间达到降低电机配置功率，通过合理配置滑车组22和定滑轮21，便可选用小功率的卷扬机，有利于降低电功率与电流，降低成本。

如图11所示，在两个跟踪支架1之间设置重力张紧平衡器18的第二种形式，所述重力张紧平衡器18包括钢丝绳19、高程变换器20、高程变换器连杆181、重力块182；所述高程变换器20为在混凝土桩顶上安装定滑轮21组成，四根高程变换器20排在一条直线上，利用高程变换器连杆181连成一体，钢丝绳19绕过桩顶定滑轮21形成龙门状，在中间的两桩之间的钢丝绳上悬挂着一个配重块182并附着此部位安装夹绳制动器23，这对于光伏电站的设计建造大有好处，对于地块高程地形的选择大大减少了约束，可以提高土地利用率。在配重182重力作用下，保持张紧钢丝绳19且保持一定的内应力，可以吸收或补偿钢丝绳因为弹性、塑性、疲劳、蠕变、温差而产生的各种长度变形量，还可以消除各种冲击性的外来荷载。遇到8级及以上大风时，为了保护全装置系统安全，卷扬机17将停止工作，夹紧制动器23夹紧钢丝绳19，形成了卷扬机17和夹绳制动器23多处对钢丝绳19的制动作用，实现分段制动，降低钢丝绳19的应力极限，分散钢丝绳19对结构体的总体荷载效应，通常卷扬机17自身带有制动器或传动机构可以自锁，也相当于是一处钢丝绳夹绳制动器23，夹绳紧制动器23与卷扬机17实行电路互锁，互相切换工作状态。

在卷扬机17与重力张紧平衡器18之间的一根钢丝绳19串联拖动多个跟踪支架1，钢丝绳19可以任意拐弯，即相邻的跟踪支架可以不在一根直线上，这对于光伏电站的设计建造大有好处，对于地块平面形状的选择大大减少了约束，可以提高土地利用率。

如图15所示，在卷扬机17与重力张紧平衡器18之间的一根钢丝绳19串联拖动多个跟踪支架1旋转，钢丝绳19可以实现高程变换，即多个跟踪支架1可以不在同一高程水平面上。在缓坡地形条件下，两个跟踪支架1之间设置有一个高程变换器20，此变换器的一根桩顶含有两个定滑轮，即可实现高程变换的目的效果。

如图16所示，当遇到陡坡地形时，只要在两个跟踪支架1之间设置两个高程变换器18，此高程变换器的一根桩顶只有一个定滑轮，即可实现大高程差的变换。

将夹绳制动器23安装在任意两个跟踪支架1之间，以抵抗大风荷载效应，保护全系统安全。

一根钢丝绳19串联驱动多个跟踪支架1的方案，可以适应苛刻的地块地形地貌条件，在很大程度上缓解了投资开发光伏电站与当地的土地供给能力的尖锐矛盾。

实施例二

如图4所示，与实施一唯一不同的是桩柱16与套管8的结合构造还有另外一种形式，桩柱16对套管8的竖向支撑力不在桩柱16顶部，而在套管8的底部。在桩柱16腰部焊接一个支承大法兰163，套管套入桩柱时，套管8底面正好坐落在支承大法兰163面上，形成了桩柱16对套管8的竖向支承作用，支承大法兰163的上表面与套管8和管底方法兰85的底面便是滑动摩擦面。而在套管8内腔，设置两个径向定位轴承实现径向定位支承，在下的径向定位支承为剖分式轴瓦11，在上的径向定位支承为一个圆形套筒111，套筒111下方有一个支承小法兰164焊接在桩柱16上，以支撑套筒111的空间位置。

图4与图3的支承方式在技术理论是相同的，即都是两处径向支承和一处轴向支承，图3的圆锥台体10配合内锥圆环9的支承件，实际上是一处径向支承与一处轴向支承的复合体。图17与图3的两种支承方式在使用的技术效果上也是相同的。图17的支承方式更加适用于超大面积的大型跟踪支架。

实施例三

如图17所示，在实施例一中跟踪支架的基础上，首先将斜梁4与水平大梁5之间的连接方式改为铰链24的连接方式，斜梁4可以绕铰链24的轴心旋转，将高位的水平副梁6与低位的水平副梁6之下的高位副梁支撑杆14或低位副梁支撑杆15改为可伸缩调节长度的高位可调节支撑杆141和低位可调节支撑杆151，高位可调节支撑杆141和低位可调节支撑杆151上下两端均采用铰链连接，在套管8上增加三角撑式牛腿25和推杆支座29，最后设置简易的手动推杆26，即可利用手动推杆2调节光伏组件板2的倾角，每年按照春夏秋冬调节光伏组件板2的倾角，以提高电池组件板2全年度接收光辐照的能量。

实施例四

如图18所示，与实施三唯一不同的是将手动推杆26更换为电动推杆27，实时连续跟踪太阳移动的方位角变化和高度角变化，保持光伏组件板2与太阳直射光垂直正交，因此可以大幅度地提高年度发电量。

如图19所示，在太阳能光伏组件板2的平面下缘增加镜面反光板28，镜面反光板28与光伏组件板2之间形成一个θ夹角，镜面反光板将收集到的太阳直射光反射到太阳能光伏组件板上，以提高太阳能光伏组件板2的年度发电量。

根据光学空间几何分析，当镜面反射板28面积与光伏组件板2的面积比为1:4时可提高光伏组件板面2的光辐照强度16.2％，当面积比为1:3时可提高光伏组件板2的光辐照强度21％，当面积比为1:2时可提高光伏组件板2的光辐照强度30％，当面积比为1:1时可提高光伏组件板2的光辐照强度50％。

为了增加安装镜面反射板28，其斜梁4的构件也要相应作出变化，其斜梁4的形状亦改为L形的曲尺斜梁41，材料截面应加大，为了能够实现镜面反射板28的反射光全部且均匀的反射到光伏组件板2之上，其镜面反射板28与太阳能光伏组件板2之间的夹角角度θ要相适应，可由几何分析确定夹角角度θ。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。