一种俯仰‑方位角双轴追踪系统的制作方法

本发明属于光伏/光热装置的支撑结构领域，具体涉及一种俯仰-方位角双轴追踪系统。

背景技术：

太阳能是地球分布最广的可再生能源，针对太阳能的光伏发电、光热利用等光热利用装置目前已广泛得到应用。为最大程度提高光伏、光热装置接收太阳光照的效率，通常同时采用追踪太阳方位角和俯仰角(高度角)的双轴追踪系统。

授权公告号为cn203708178u的专利公开了一种双轴联动的定日发电装置，包括使用电机和涡轮蜗杆减速装置驱动的可沿水平方向旋转的方位角支架，以及位于方位角支架上的俯仰角支架，俯仰角支架连接有电机和螺杆结构用于驱动俯仰角支架沿南北方向的转向发生变化，从而实现同时追踪太阳方位角和俯仰角的双轴追踪目的。

现有的双轴追踪装置，电机通常是按照自动控制装置的指令进行点动式调节，调节不能连续进行；追日过程往往需要电机频繁启动，而每次电机启动均需要克服较大的静态转矩，且由于一套电机及减速装置往往对应多个光伏装置，造成每次电机启动时的机械应力较为集中，以上因素导致现有的追日装置追踪精度较低、可靠性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种俯仰-方位角双轴追踪系统，从而解决现有双轴追踪装置可靠性差的问题。

为实现上述目的，本发明俯仰-方位角双轴追踪系统所采用的技术方案是：

一种俯仰-方位角双轴追踪系统，包括用于支撑光能利用装置的支撑架，以及通过万向连接结构与支撑架连接的基座，支撑架上沿东西轴线设有方位角配重结构和与方位角配重结构产生力矩平衡的方位角弹性部件，沿南北轴线设有俯仰角配重结构和与俯仰角配重结构产生力矩平衡的俯仰角弹性部件，随方位角配重结构和/或俯仰角配重结构的配重变化，支撑架的力矩平衡状态改变，实现方位角和/或俯仰角追踪。

本发明的俯仰-方位角双轴追踪系统，利用支撑架的力矩平衡状态改变，调节支撑架沿基座转向，实现支撑架的方位角和/或俯仰角追踪；该双轴追踪系统的转向结构简单、稳定性好，转向过程受力均衡，运行可靠性大大提高。

方位角配重结构、方位角弹性部件位于万向连接结构的两侧，方位角弹性部件为方位角拉力弹簧。俯仰角配重结构、俯仰角弹性部件位于万向连接结构的两侧，俯仰角弹性部件为俯仰角拉力弹簧。

方位角配重结构、方位角弹性部件均位于万向连接结构的同侧，方位角弹性部件为方位角压力弹簧。俯仰角配重结构、俯仰角弹性部件均位于万向连接结构的同侧，俯仰角弹性部件为俯仰角压力弹簧。

以上方位角配重结构、方位角弹性部件，俯仰角配重结构、俯仰角弹性部件的布置方式可灵活组合。

所述方位角配重结构包括方位角液箱和与方位角液箱连接的用于排出和流入液体的方位角连接管；所述俯仰角配重结构包括俯仰角液箱和与俯仰角液箱连接的用于排出和流入液体的俯仰角连接管。

优选的，方位角配重结构还包括供方位角液箱和俯仰角液箱共用的下液箱，方位角连接管、俯仰角连接管均与下液箱相连接，方位角连接管、俯仰角连接管上均串接有双向计量泵。进一步优选的，方位角液箱和俯仰角液箱均为密封结构，方位角液箱和下液箱之间，俯仰角液箱和下液箱之间均设有通气管。

使用上述液箱结构作为配重，可通过控制系统设定相应的目标值，并与实测值进行比较，作为反馈调节液箱的配重连续变化，实现较高精度的追踪；在不需要较高精度的情形下，配重结构可使用固体等重配重块，进行间歇式调节。

万向连接结构可采用以下形式，如所述万向连接结构为球铰结构；包括设于基座上的球头和设于支撑架上的与球头配合的球壳。

所述万向连接结构包括上下设置的上轴承、下轴承，上轴承、下轴承的转向轴线交叉，所述支撑架连接于上轴承的转向轴上。

本发明的俯仰-方位角双轴追踪系统，可采用连续调节方式或间歇调节方式实现对太阳的双轴追踪，控制系统简单，可靠性好，简化了传统双轴追踪系统的结构，降低了维护难度和制造成本。

附图说明

图1为本发明实施例1的俯仰-方位角双轴追踪系统结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中万向连接结构的示意图；

图4为本发明实施例2的俯仰-方位角双轴追踪系统结构示意图；

图5为实施例1和实施例2中下水过程的水量变化示意图；

图6为实施例1和实施例2中上水过程的水量变化示意图；

图7为实施例1中第二支撑梁的受力分析图；

图8为实施例1和实施例2中方位角追踪的系统控制框图；

图9为实施例1和实施例2中俯仰角追踪的系统控制框图；

图10为本发明所使用的另一种万向连接结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的俯仰-方位角双轴追踪系统的实施例1，如图1至图3所示，包括支撑柱1和通过万向连接结构2与支撑柱1连接的支撑架3，支撑架具有沿南北方向延伸的第一支撑梁30和沿东西方向延伸的第二支撑梁31(图1中支撑架的框架部分未示出)，第一支撑梁30的北侧设有俯仰角水箱40，南侧通过相应的俯仰角拉力弹簧80固定于支撑架下方的支持物上，第二支撑梁的西侧设有方位角水箱41，东侧通过相应的方位角拉力弹簧81固定于支撑架下方的支持物上；位于俯仰角水箱、方位角水箱的下方设有共用的下水箱5，俯仰角水箱40和下水箱5之间通过俯仰角连接管600和俯仰角双向计量泵60连接，方位角水箱41和下水箱5之间通过方位角连接管610和方位角双向计量泵61连接，俯仰角水箱、方位角水箱均密闭，俯仰角水箱和下水箱之间还连接有俯仰角通气管70，方位角水箱和下水箱之间还连接有方位角通气管71，通气管用于保持相接的两个水箱内的气压一致，不影响水的流动；

万向连接结构2包括设于支撑柱1上的球头20和设于支撑架上的与球头20配合球壳21，球头、球壳形成球铰结构，在外力作用下，支撑架可沿球头完成相应转向。

本发明的俯仰-方位角双轴追踪系统的实施例2，如图4所示，与实施例1的区别在于，与俯仰角水箱40相应设置的俯仰角压力弹簧90、俯仰角水箱40均位于万向连接结构的北侧，与方位角水箱41相应设置的方位角压力弹簧91、方位角水箱41均位于万向连接结构的西侧，其他结构可参考实施例1。

实施例1和实施例2中，方位角水箱和下水箱之间的水量变化过程如图5和图6所示，下水时，方位角水箱经双向计量泵，通过水箱底部的通水管向下水箱泵水，水箱顶部相接的通气管内，下水箱内的气体流向方位角水箱内；上水时，下水箱经双向计量泵，通过水箱底部的通水管向方位角水箱泵水，水箱顶部相接的通气管内，方位角水箱内的气体流向下水箱内；俯仰角水箱和下水箱之间的水量变化过程相同。

实施例1中，第二支撑梁所受到的方位角弹簧拉力、方位角水箱重力的作用示意图如图7所示，以万向结构为杠杆支撑点，以第二支撑梁为杠杆，方位角弹簧拉力和方位角水箱重量之间形成的力矩方向相反，大小相等；左图为第二支撑梁呈水平状态的示意图，拉力弹簧受到的拉力与其形变量是线性关系，表示为f＝kx，水箱及其内水的重力mg，减小方位角水箱内的水量，第二支撑梁顺时针方向转动，拉力弹簧收缩，直至达到两侧力矩平衡，如右图所示。

方位角水箱的重力方向始终朝向地面，方位角拉力弹簧的作用力方向随着第二支撑梁的转动而发生改变，因此，方位角水箱的重力变化和拉力弹簧的形变之间是正相关关系，而非线性正相关，方位角水箱的重力变化和支撑架东西向转过的角度之间也并非线性正相关。要保持支撑架方位角的连续匀速变化，方位角双向计量泵的流速需要根据控制系统的要求进行变化，不宜采用定速泵；反之，增大方位角水箱内水量，第二支撑梁的转向情况相反。第一支撑梁的转向和受力分析与上述类同。

在无光照、大风停用期间，可以保持支撑架在水平状态，减小风力影响；在风雪、冰雹等恶劣天气下，保持方位角和弹性部件的作用力最大状态；本发明的双轴追踪系统采用弹簧和配重结构的力矩平衡，实现平稳转向，对外界环境具有优异的适应性，装置的运行稳定性得以大大提升。在其他情况下，也可将本发明的装置布置于玻璃房内，进一步提高转向调节的稳定性和精确性。

实施例1和实施例2的双轴追踪系统的追踪控制框图如图8和图9所示，图8为方位角追踪的控制框图，每日中太阳方位角持续均匀变化，每小时15°，适宜采用连续式调节以获得更好的追踪效果；控制系统设定的控制方位角可由当前时间计算得到，作为控制前馈量；实测的方位角作为反馈量，和控制方位角比较，得出差值，根据差值修正方位角双向计量泵的流速。

图9为俯仰角追踪的控制框图，由于俯仰角的变化角度较小，每天的变化量为0.26°左右，通过间歇式追踪方式，即可获得良好的追踪精度；控制系统设定的控制俯仰角可由当前时间计算得到，作为控制前馈量；实测的俯仰角作为反馈量，和控制俯仰角比较，得到差值，若使用连续调节方式，根据差值修正俯仰角双向计量泵的流速值；若使用间歇式调节，则当偏差达到设定值时，启停一次俯仰角双向计量泵，水泵按照给定的流向、给定运转时间进行一次泵水即可。

在本发明的俯仰-方位角双轴追踪系统的其他实施例中，在间歇式调节的情形下，方位角水箱、俯仰角水箱可使用固体配重块代替，通过调整配重块的数目，间歇调节支撑架的转向；万向连接结构可采用图10的形式，包括上下设置的俯仰角转向轴承10和方位角转向轴承11，俯仰角转向轴承10、方位角转向轴承11的转向轴线垂直设置，支撑架连接于俯仰角转向轴承的转向轴上，方位角转向轴固定于支撑柱伸出的两条侧边之间，俯仰角转向轴承的外圈100和方位角转向轴承的外圈110固定连接，在外力作用下，即可实现沿南北方向和/或东西方向的转动；水箱内的液体可以是油、防冻液等其他流体；支撑架上布置光伏、光热组件，即可形成光伏、光热装置的定日追踪装置；支撑架上布置反射镜，可以用于塔式光热装置的反射镜追踪装置。