[发明专利]机械式双轴太阳能跟踪支架

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能跟踪支架领域，尤其是一种机械式双轴太阳能跟踪支架。

背景技术

目前广泛使用的太阳能光伏自动跟踪系统跟踪方式有三种，分别是水平单轴跟踪、倾纬度角斜单轴跟踪和双轴跟踪，其中水平单轴跟踪和倾斜单轴跟踪只有一个旋转自由度，双轴跟踪具有两个旋转自由度。三种跟踪系统采用的跟踪控制策略为主动式跟踪控制策略，通过计算得出太阳在天空中的方位，并控制光伏阵列朝向。这种主动式光伏自动跟踪系统能够较好的适用于多霜雪、多沙尘的环境中，在无人值守的光伏电站中也能够可靠工作。

然而，由于现有的太阳能光伏自动跟踪系统都依靠电机来精确地控制太阳能电池板的朝向，对电机的消耗相对较大，导致整套系统容易出现故障且能耗不小。从跟踪是否连续的角度看，现在所研制的太阳能光伏自动跟踪系统采用了步进跟踪方式。与连续跟踪方式相比，步进跟踪方式虽然能够大大的降低跟踪系统自身能耗但是其一定程度降低了太阳能电池板的转化效率而且频繁启动电机减少了跟踪系统的寿命。此外，现有的系统构造相对复杂，成本高，损坏之后维修难度大。

发明内容

为了克服现有太阳能光伏自动跟踪系统高成本、结构复杂、寿命短等不足，本发明提供一种机构简单、控制容易，能够实现全天候连续跟踪并且使用寿命长、制造及维修成本相对较低的一种机械式双轴太阳能跟踪支架。

本发明的机械式双轴太阳能跟踪支架采用的跟踪方式是极轴式双轴跟踪。极轴式双轴跟踪机构中极轴固定与地轴平行，俯仰角调节轴通过机构固定在极轴之上，其跟踪原理如下所述：

太阳的东升西落是地球自转与公转共同作用的结果。根据天体运动学，可通过以下公式计算太阳理论位置：

sinγ＝cosδsinω/cosα    (2)

式中：α为太阳高度角；γ为太阳方位角；为当地纬度；δ为太阳赤纬角，仅与日期有关，第n天的赤纬角可表示为：ω为太阳时角，可近似通过时间来获得，其误差可忽略，ω＝15(12-t)(t为当地时间)。

由上述式子(1)、(2)可知，太阳高度角α、方位角γ可由当地纬度太阳赤纬角δ和太阳时角ω来确定。在纬度一定的情况下，可由太阳时角ω与太阳赤纬角δ确定太阳高度角α与太阳方位角γ。

由天体运动学可知，将太阳能电池板的旋转轴(极轴)调整至与地轴平行，其安装角即为当地纬度角此时可以通过极轴旋转抵消地球的自转所产生的太阳光偏角。因为太阳的东升西落是由于地球的自转决定的，而地球自转速度恒定，所以在地球上，同一时刻，对同一经度，不同纬度的人来说，太阳对应的时角是相同的。地球自转一周360度，对应的时间为24小时，即每小时相应的时角为15度。因此太阳能电池板的旋转轴在工作时间内的旋转速度为15度每小时。此外，太阳能电池板一天内所能接受太阳光的时间一般是小于24小时(极昼时会出现24小时)，所以跟踪系统每天实际需要运转的时间一般也是小于24小时的。

同时为保证太阳能电池板与太阳光垂直，使电池板与极轴夹角为太阳赤纬角δ。这样可以抵消赤纬角变化所产生的太阳光偏角。极轴式跟踪一天之内太阳能电池板的俯仰角变化不大于0.4°。即使按照一个星期或者半个月调节一次，由赤纬角变化所产生的太阳光与电池板法线的偏角也很小。因此，太阳能电池板的俯仰角可以周期性机械调节。

因此，极轴式双轴跟踪可以保证跟踪精度的基础上将太阳能板的椭圆跟踪轨迹转化为绕旋转轴旋转跟踪太阳时角，以及俯仰角跟踪太阳赤纬角。其优点在于其可以将坐标式中两个相关联的二维运动转化为太阳时角以及太阳能电池板俯仰角两个互不干涉的简单一维运动。这样可以大大简化跟踪系统的机械结构和电子控制装置。

针对上述原理，为了实现前述目的，本发明的机械式双轴太阳能跟踪支架具体方案如下：一种机械式双轴太阳能跟踪支架包括立柱、太阳时角跟踪机构、涡卷弹簧蓄力机构、擒纵调速机构、传动锁定机构、高度角跟踪机构以及太阳能电池板，其中：所述的立柱(1)安装在太阳时角跟踪机构中的太阳时角跟踪电机(3)下端；涡卷弹簧蓄力机构中的卷簧轴(7)一端与太阳时角跟踪机构齿轮连接；擒纵调速机构通过过渡齿轮(10)与涡卷弹簧蓄力机构中卷簧轴(7)另一端设置的卷簧轴输出齿轮(9)连接；传动锁定机构的锁死爪(14)锁死或松开擒纵调速机构输入齿轮(11)；高度角跟踪机构的太阳时角安装板(23)外部安装有太阳能电池安装板(27)，太阳能电池安装板(27)上固定安装太阳能电池板(2)。