一种平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，特别涉及一种平单轴跟踪光伏阵列及简易方位角跟踪的调节方法。

背景技术：

2.平单轴跟踪支架是南北向排布，东西方向跟踪的一种跟踪支架形式。平单轴跟踪器工作时，依据天文算法，驱动电机带动支架，组件绕南北水平轴（旋转轴的轴线与水平面平行）自东向西跟着太阳旋转，使组件跟踪太阳的方位角，增加光伏组件表面接收的太阳直射分量，以提高发电量。因由于成本低、占地面积少等原因，平单轴跟踪技术已经广泛使用在光伏发电领域，与传统固定式最佳倾角安装光伏系统相比，通常能为光伏电站带来15%~22%的发电量提升。传统南北平单轴跟踪光伏阵列的跟踪角度范围一般为
±
45
°
，跟踪精度要求较高，一般为≤
±2°
或≤
±1°
，跟踪频率为1~2分钟跟踪一次。跟踪系统一旦发生故障，光伏组件往往卡在不恰当的位置，影响了跟踪系统的能量增益，由此还带来操作、维护等使用不便利的问题；发明人发现现有技术中存在如下问题：传统南北平单轴跟踪光伏阵列采用连续实时跟踪，跟踪精度要求较高，相关控制复杂，故障率高，而大型光伏电站为降低故障率，不得不采用价格昂贵、高质量的电机及传动、控制系统，增加了成本。实际上，在晶体或薄膜光伏电站中，即使入射角偏离垂直入射20
°
，其采光量损失少于6% （因为cos20
°
=0.94），且只要入射角小于40
°
，入射角对太阳电池转换效率几乎没有影响。如果在不明显降低系统发电量的前提下减少跟踪次数，那么系统的故障率大为降低。故此，我们提出一种平单轴跟踪光伏阵列简易方位角跟踪的调节方法，该方法可以提高光伏板调节的稳定性，大大降低了故障率和系统成本。在不考虑故障率的情况下，该方法发电性能可以达到传统南北平单轴跟踪光伏阵列总发电性能的99%以上；如果考虑到实用中的故障问题，该方法明显优于传统连续跟踪。

技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种平单轴跟踪光伏阵列，可以提高光伏板调节的稳定性，大大降低了故障率。具体技术方案如下：一种平单轴跟踪光伏阵列，包括底座，所述底座的上端前部固定连接有驱动机构，所述驱动机构的外表面中部穿插活动连接有控制连杆，所述控制连杆的前端中部开有限位槽，所述控制连杆的下端中部固定连接有齿条，所述控制连杆的外表面左部和外表面右部均穿插活动连接有限位机构，且两个限位机构的下端均与底座的上端固定连接，所述控制连杆的上端左部和上端右部均固定连接有两个连接机构，四个所述连接机构的外表面上部均穿插固定连接有转轴，四根所述转轴的前端和右端均通过轴承穿插活动连接有支撑机构，且八个支撑机构的下端均与底座的上端固定连接，四根所述转轴的外表面中部均穿插固定连接有固定板，四个所述固定板的上端均固定连接有光伏板。
4.作为上述方案的进一步改进，所述驱动机构包括固定箱，所述固定箱的前端中部固定连接有防护罩，所述防护罩的左罩壁中部和右罩壁中部均穿插固定连接有散热窗，所述固定箱的前端中部固定连接有驱动器，所述驱动器的输出端贯穿固定箱的前箱壁并固定连接有驱动轴，且驱动轴的前端和后端均通过轴承分别与固定箱的前箱壁和后箱壁活动连接，所述驱动轴的外表面中部穿插固定连接有驱动齿轮，所述固定箱的左箱壁上部和右箱壁下部均开有移动口，所述固定箱的下端与底座的上端固定连接。
5.作为上述方案的进一步改进，所述限位机构包括固定杆，所述固定杆的上端固定连接有限位框，所述限位框的前框壁中部固定连接有限位块，所述固定杆的外表面下部穿插固定连接有固定座，且固定座的下端与底座的上端固定连接。
6.作为上述方案的进一步改进，所述连接机构包括连接柄，所述连接柄的外表面下部通过活动轴穿插活动连接有连接座，且连接座的下端与控制连杆的上端固定连接，所述连接柄远离连接座的一端固定连接有连接块，所述连接块的前端中部开有连接孔，且连接孔与相对应的转轴的外表面前部固定连接。
7.作为上述方案的进一步改进，所述支撑机构包括支撑框，所述支撑框的左框壁中部和右框壁中部均开有滑槽，两条所述滑槽之间共同滑动连接有滑块，且滑块的后端通过轴承与转轴的前端穿插活动连接，所述支撑框的下端左部和下端右部均固定连接有支撑架，两个所述支撑架中横架的上端均固定连接有螺丝，两个所述支撑架的下端之间通过两个螺丝共同固定连接有支撑座，所述支撑座的下端与底座的上端固定连接。
8.作为上述方案的进一步改进，所述防护罩罩在驱动器的外表面，所述驱动齿轮的上端与齿条的下端相啮合，所述移动口的宽度与控制连杆的宽度一致，且移动口的下口壁低于齿条的下端面。
9.作为上述方案的进一步改进，所述固定座下端面的长度和宽度大于其长上端面的长度和宽度，所述限位框内框的宽度和高度与控制连杆的宽度和高度一致，所述限位块与限位槽滑动连接。
10.作为上述方案的进一步改进，所述连接柄与连接块之间设置为一体化结构，所述连接孔的直径长度与转轴的直径长度一致。
11.作为上述方案的进一步改进，所述滑块的左端中部和右端中部均设置有凸起，两个所述支撑架均设置为倾斜的l型结构，所述支撑座设置为梯形结构。
12.一种平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，光伏组串朝向东方，极限方位角γ
l
为-45
°
。当太阳时角为-ω1，通过底座上的驱动机构将控制连杆向左驱动，并通过限位机构的限位，使连接机构稳定的带动转轴转动，将pv组串旋转至偏离太阳正午的方位角为-4θa的位置；（2）当太阳时角为-ω2，将pv组串旋转至偏离太阳正午的方位角为-2θa的位置；（3）太阳正午前，在太阳时角为-ω3时，pv组串绕水平轴旋转至水平方向；（4）下午，在太阳时角为ω4时旋转pv组串朝向西方，偏离太阳正午的方位角为2θa；（5）下午，在太阳时角为ω5时旋转pv组串，偏离太阳正午的方位角为4θa；（6）傍晚，在太阳时角为ω6时，将pv组串旋转至极限方位角-γ
l
为45
°
（朝向西方）。
13.（7）傍晚，在太阳时角为ω7时，将pv组串复位至极限方位角γ
l
为-45
°
（朝向东方）。
14.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光伏板的角度，从而有利于光伏板对太阳进行跟踪，且光伏板每天只需要跟踪七次，故障率大大降低。根据实验数据，简易跟踪阵列的年采光量和发电量可以达到连续跟踪的光伏板99%以上，对比现有的连续跟踪方案，本发明每天只需要跟踪七次，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个月后，故障率是传统连续变动机构故障率的2~3%，故障率大大降低，而发电量只减少了不到1%，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。
15.2、本发明中，通过设置限位机构和连接机构，通过控制连杆带动连接柄的外表下部向左移动或向右移动，可带动转轴进行正向转动或反向转动，即可实现对光伏板角度的调节，且通过限位块在限位槽中滑动，并通过限位框对控制连杆的限位，提高了控制连杆的稳定性。
16.3、本发明中，通过设置支撑机构，通过支撑座和支撑架的支撑，可对转轴进行支撑固定，有效的提高了光伏板的稳定性，并通过滑块在支撑框中滑动，有利于连接柄的移动，且不影响转轴对光伏板的角度进行调节，便于光伏板跟踪太阳光，加强了该装置的使用效果。
附图说明
17.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。
18.图1为本发明一种平单轴跟踪光伏阵列的上午跟踪方向的整体结构示意图；图2为本发明一种平单轴跟踪光伏阵列的中午跟踪方向的整体结构示意图；图3为本发明一种平单轴跟踪光伏阵列的下午跟踪方向的整体结构示意图；图4为本发明一种平单轴跟踪光伏阵列的驱动机构的结构示意图；图5为本发明一种平单轴跟踪光伏阵列的固定箱的内部结构示意图；图6为本发明一种平单轴跟踪光伏阵列的限位机构的结构示意图；图7为本发明一种平单轴跟踪光伏阵列的连接机构的结构示意图；图8为本发明一种平单轴跟踪光伏阵列的支撑机构的结构示意图。
19.图9为本发明简易方位角跟踪系统沿跟踪轴方向的视图。
20.图中：1、底座；2、驱动机构；3、控制连杆；4、限位槽；5、齿条；6、限位机构；7、连接机构；8、转轴；9、支撑机构；10、固定板；11、光伏板；21、固定箱；22、防护罩；23、散热窗；24、驱动器；25、驱动轴；26、驱动齿轮；27、移动口；61、固定杆；62、限位框；63、限位块；64、固定座；71、连接柄；72、连接座；73、连接块；74、连接孔；91、支撑框；92、滑槽；93、滑块；94、支撑架；95、螺丝；96、支撑座。
具体实施方式
21.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。
22.下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
23.如图1-8所示，一种平单轴跟踪光伏阵列，包括底座1，底座1的上端前部固定连接有驱动机构2，驱动机构2的外表面中部穿插活动连接有控制连杆3，控制连杆3的前端中部开有限位槽4，控制连杆3的下端中部固定连接有齿条5，控制连杆3的外表面左部和外表面右部均穿插活动连接有限位机构6，且两个限位机构6的下端均与底座1的上端固定连接，控制连杆3的上端左部和上端右部均固定连接有两个连接机构7，四个连接机构7的外表面上部均穿插固定连接有转轴8，四根转轴8的前端和右端均通过轴承穿插活动连接有支撑机构9，且八个支撑机构9的下端均与底座1的上端固定连接，四根转轴8的外表面中部均穿插固定连接有固定板10，四个固定板10的上端均固定连接有光伏板11。
24.驱动机构2包括固定箱21，固定箱21的前端中部固定连接有防护罩22，防护罩22的左罩壁中部和右罩壁中部均穿插固定连接有散热窗23，固定箱21的前端中部固定连接有驱动器24，驱动器24的输出端贯穿固定箱21的前箱壁并固定连接有驱动轴25，且驱动轴25的前端和后端均通过轴承分别与固定箱21的前箱壁和后箱壁活动连接，驱动轴25的外表面中部穿插固定连接有驱动齿轮26，固定箱21的左箱壁上部和右箱壁下部均开有移动口27，固定箱21的下端与底座1的上端固定连接；防护罩22罩在驱动器24的外表面，使防护罩22对驱动器24起到防护作用，可延长驱动器24的使用寿命，驱动齿轮26的上端与齿条5的下端相啮合，有利于驱动齿轮26驱动齿条5移动，移动口27的宽度与控制连杆3的宽度一致，使移动口27对控制连杆3进行限位，且移动口27的下口壁低于齿条5的下端面，使齿条5不与移动口27的下口壁接触，不影响齿条5的移动。
25.限位机构6包括固定杆61，固定杆61的上端固定连接有限位框62，限位框62的前框壁中部固定连接有限位块63，固定杆61的外表面下部穿插固定连接有固定座64，且固定座64的下端与底座1的上端固定连接；固定座64下端面的长度和宽度大于其长上端面的长度和宽度，可增加固定座64与底座1之间的接触面积，使固定座64固定得更加牢固，限位框62内框的宽度和高度与控制连杆3的宽度和高度一致，有利于控制连杆3在限位框62中滑动，可对控制连杆3起到限位作用，限位块63与限位槽4滑动连接，可对控制连杆3进行进一步限位，提高了控制连杆3的稳定性。
26.连接机构7包括连接柄71，连接柄71的外表面下部通过活动轴穿插活动连接有连接座72，且连接座72的下端与控制连杆3的上端固定连接，连接柄71远离连接座72的一端固定连接有连接块73，连接块73的前端中部开有连接孔74，且连接孔74与相对应的转轴8的外表面前部固定连接；连接柄71与连接块73之间设置为一体化结构，提高了连接柄71与连接块73之间连接的牢固性，连接孔74的直径长度与转轴8的直径长度一致，有利于连接孔74与转轴8之间爱你的连接固定。
27.支撑机构9包括支撑框91，支撑框91的左框壁中部和右框壁中部均开有滑槽92，两条滑槽92之间共同滑动连接有滑块93，且滑块93的后端通过轴承与转轴8的前端穿插活动连接，支撑框91的下端左部和下端右部均固定连接有支撑架94，两个支撑架94中横架的上端均固定连接有螺丝95，两个支撑架94的下端之间通过两个螺丝95共同固定连接有支撑座96，支撑座96的下端与底座1的上端固定连接；滑块93的左端中部和右端中部均设置有凸起，有利于滑块93通过两个凸起分别与两条滑槽92滑动连接，两个支撑架94均设置为倾斜
的l型结构，可加强支撑架94的支撑效果，支撑座96设置为梯形结构，提高了支撑座96的稳固性。
28.综合上述平单轴跟踪光伏阵列，本发明提供一种平单轴跟踪光伏阵列简易方位角跟踪的跟踪方法，具体包括如下步骤，早上，光伏板11处于极限位置（极限方位角γ
l
为-45
°
），当太阳时角为-ω1（即太阳时为-ω1τ
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带动光伏板11一同进行正向转动，可将光伏板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，也提高了光伏板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，这时可将光伏板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，这时可将光伏板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，可将光伏板11复位至水平位置，从而使装置在四个计算好的时间点，将光伏板11调整至一定角度，只需每天跟踪光伏七次，无需连续跟踪，且对跟踪精度的要求较低，通过七方位跟踪阵列的年采光量和发电量可达到连续跟踪的99%以上。
29.本发明的光伏板七方位角跟踪阵列的日运行方案如下：（1）早上，光伏组串朝向东方，极限方位角为-45
°
。当太阳时角为-ω1（即太阳时为-ω1τ
day
/2π，τ
day
=86400s），通过底座上的驱动机构将控制连杆向左驱动，并通过限位机构的限位，使连接机构稳定的带动转轴转动，将pv组串旋转至偏离太阳正午的方位角为-4θa的位置；（2）当太阳时角为-ω2（即太阳时为-ω2τ
day
/2π），将pv组串旋转至偏离太阳正午的方位角为-2θa的位置；（3）太阳正午前，在太阳时角为-ω3（即太阳时为-ω3τ
day
/2π）时，通过驱动机构将控制连杆向右驱动一半，使转轴在支撑机构的支撑下稳定转动， pv组串绕着水平轴旋转至水平方向；（4）下午，在太阳时角为ω4（即太阳时为ω4τ
day
/2π）时旋转pv组串朝向西方，将pv组串旋转至偏离太阳正午的方位角为2θa的位置；（5）下午，在太阳时角为ω5（即太阳时为ω5τ
day
/2π）时继续旋转pv组串，将pv组串旋转至偏离太阳正午的方位角为4θa的位置；（6）傍晚，在太阳时角为ω6时，将pv组串旋转至极限方位角-γ
l
为45
°
。
30.（7）傍晚，使连接机构带动转轴转动，将pv组串复位至极限方位角为-45
°
。
31.相应的跟踪pv组串的跟踪方位角γi表示为：
或λ为当地地理纬度，δ为赤纬角。θa为设定的角度，θa=7.5
°
。投影入射角θ
p
由下式进行计算求解：每天的调整时角ω由θ
p
的公式以及γi的范围计算求出。
32.本发明采用七方位跟踪阵列的年采光量和发电量达到平单轴连续跟踪的99%以上，每天只需要跟踪7次，能耗和故障率大大降低。

技术特征：

1.根据权利要求1所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，包括底座（1），其特征在于：所述底座（1）的上端前部固定连接有驱动机构（2），所述驱动机构（2）的外表面中部穿插活动连接有控制连杆（3），所述控制连杆（3）的前端中部开有限位槽（4），所述控制连杆（3）的下端中部固定连接有齿条（5），所述控制连杆（3）的外表面左部和外表面右部均穿插活动连接有限位机构（6），且两个限位机构（6）的下端均与底座（1）的上端固定连接，所述控制连杆（3）的上端左部和上端右部均固定连接有两个连接机构（7），四个所述连接机构（7）的外表面上部均穿插固定连接有转轴（8），四根所述转轴（8）的前端和右端均通过轴承穿插活动连接有支撑机构（9），且八个支撑机构（9）的下端均与底座（1）的上端固定连接，四根所述转轴（8）的外表面中部均穿插固定连接有固定板（10），四个所述固定板（10）的上端均固定连接有光伏板（11）。2.根据权利要求1所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，其特征在于：所述驱动机构（2）包括固定箱（21），所述固定箱（21）的前端中部固定连接有防护罩（22），所述防护罩（22）的左罩壁中部和右罩壁中部均穿插固定连接有散热窗（23），所述固定箱（21）的前端中部固定连接有驱动器（24），所述驱动器（24）的输出端贯穿固定箱（21）的前箱壁并固定连接有驱动轴（25），且驱动轴（25）的前端和后端均通过轴承分别与固定箱（21）的前箱壁和后箱壁活动连接，所述驱动轴（25）的外表面中部穿插固定连接有驱动齿轮（26），所述固定箱（21）的左箱壁上部和右箱壁下部均开有移动口（27），所述固定箱（21）的下端与底座（1）的上端固定连接。3.根据权利要求1所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，其特征在于：所述限位机构（6）包括固定杆（61），所述固定杆（61）的上端固定连接有限位框（62），所述限位框（62）的前框壁中部固定连接有限位块（63），所述固定杆（61）的外表面下部穿插固定连接有固定座（64），且固定座（64）的下端与底座（1）的上端固定连接。4.根据权利要求1所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，其特征在于：所述连接机构（7）包括连接柄（71），所述连接柄（71）的外表面下部通过活动轴穿插活动连接有连接座（72），且连接座（72）的下端与控制连杆（3）的上端固定连接，所述连接柄（71）远离连接座（72）的一端固定连接有连接块（73），所述连接块（73）的前端中部开有连接孔（74），且连接孔（74）与相对应的转轴（8）的外表面前部固定连接。5.根据权利要求1所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，其特征在于：所述支撑机构（9）包括支撑框（91），所述支撑框（91）的左框壁中部和右框壁中部均开有滑槽（92），两条所述滑槽（92）之间共同滑动连接有滑块（93），且滑块（93）的后端通过轴承与转轴（8）的前端穿插活动连接，所述支撑框（91）的下端左部和下端右部均固定连接有支撑架（94），两个所述支撑架（94）中横架的上端均固定连接有螺丝（95），两个所述支撑架（94）的下端之间通过两个螺丝（95）共同固定连接有支撑座（96），所述支撑座（96）的下端与底座（1）的上端固定连接。6.根据权利要求2所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，其特征在于：所述防护罩（22）罩在驱动器（24）的外表面，所述驱动齿轮（26）的上端与齿条（5）的下端相啮合，所述移动口（27）的宽度与控制连杆（3）的宽度一致，且移动口（27）的下口壁低于齿条（5）的下端面。7.根据权利要求3所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，其特征在于：所述固定座（64）下端面的长度和宽度大于其长上端面的长度和宽度，所述限位框（62）内框的宽度和高度与控制连杆（3）的宽度和高度一致，所述限位块（63）与限位槽（4）滑动连接。
8.根据权利要求4所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，其特征在于：所述连接柄（71）与连接块（73）之间设置为一体化结构，所述连接孔（74）的直径长度与转轴（8）的直径长度一致。9.根据权利要求5所述的一种平单轴跟踪光伏阵列，其特征在于：所述滑块（93）的左端中部和右端中部均设置有凸起，两个所述支撑架（94）均设置为倾斜的l型结构，所述支撑座（96）设置为梯形结构。10.一种基于权利要求1所述平单轴跟踪光伏阵列的其方位角跟踪调节方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）早上，光伏组串朝向东方，极限方位角γ
l
为-45
°
，当太阳时角为-ω1，通过底座上的驱动机构将控制连杆向左驱动，并通过限位机构的限位，使连接机构稳定的带动转轴转动，将pv组串旋转至偏离太阳正午的方位角为-4θ
a
的位置；（2）当太阳时角为-ω2，将pv组串旋转至偏离太阳正午的方位角为-2θ
a
的位置；（3）太阳正午前，在太阳时角为-ω3时，pv组串绕着水平轴旋转至水平方向；（4）下午，在太阳时角为ω4时旋转pv组串朝向西方，偏离太阳正午的方位角为2θ
a
；（5）下午，在太阳时角为ω5时旋转pv组串，偏离太阳正午的方位角为4θ
a
；（6）傍晚，在太阳时角为ω6时，将pv组串旋转至极限方位角-γ
l
为45
°
；（7）傍晚，在太阳时角为ω7时，将pv组串复位至极限方位角γ
l
为-45
°
。

技术总结

本发明公开了一种平单轴跟踪光伏阵列，属于光伏发电技术领域，包括底座、驱动机构、控制连杆、限位槽、齿条、限位机构、连接机构、转轴、支撑机构、固定板、光伏板等结构，电动机可以带动光伏板进行多角度调节，同时本发明也提供一种平单轴跟踪光伏阵列的其方位角跟踪调节方法，采用每隔一段时间调整一次跟踪方位角的简单跟踪技术，可在7个计算好的时间点将光伏组件调整至一定角度，光伏发电效率为全天候跟踪的99%以上，同时具有机械故障率极低的特点，可以提高发电量，降低维修成本，具有很高的经济效益，适合广泛运用。适合广泛运用。适合广泛运用。