具有锁定系统的太阳能跟踪器的制作方法

1.本发明涉及光伏设施。更具体地，涉及可动结构或单轴型太阳能跟踪器，其配置成使太阳能电池板组朝向捕获太阳能的最佳方向定向。


背景技术：

2.近几十年来，可再生能源的设计和改进在可持续发展领域变得非常重要。也就是说，光伏太阳能是用于产生可再生来源的电能的高效且高性价比的替代物，其通过半导体器件(通常称为光伏电池)从太阳辐射直接获得。所述电池是将光能转化为电能的电气机构或设备。因此，光伏电池通常以太阳能电池板(也称为光伏板)的形式组合在一起，其中太阳能电池板由一组电池形成，这些电池受到光照射时产生电能。
3.为了优化光伏设施中获得的太阳能量，人们寻求增加光伏板接收的太阳辐射量，使得所述设施的有效发电率更高。为此，光伏板必须保持在垂直于太阳光辐射的位置，为了实现这一点，目前已知的太阳能跟踪器是能够通过搜索算法，在一天的任何时间搜索太阳位置并相应地使光伏板运动的机械设备。
4.太阳能跟踪器是由机械系统、电气系统和电子系统组成的设备，其跟踪太阳的路径，捕捉最大的太阳辐射，并且通常包括固定部分和可动部分。固定部分通常是为系统供电的电气和电子部分，而可动部分是机械部分，通常由使机械组件运动的电机组成，继而机械组件定向跟踪器的轴的位置，而轴定向太阳能电池板。
5.也就是说，根据跟踪器的运动自由度或跟踪算法，有不同类型的跟踪器。根据太阳能跟踪器可以进行的旋转运动，太阳能跟踪器有一个轴或两个轴。具有一个轴的跟踪器通过在方位角、倾斜角、极角上或以倾斜运动的方式跟踪太阳的路径。倾斜跟踪或极轴上的跟踪是在旋转轴指向南方并具有固定倾斜度的情况下进行的。另一方面，在方位角跟踪中，围绕垂直排列的轴进行旋转，并且角度与纬度一致。然而，最常见的跟踪是在水平轴或倾斜轴上从东到西跟踪太阳。这是通过使轴沿南北方向并在一天中改变其倾斜度完成的。
6.理想情况下，太阳能跟踪器应该在光伏发电厂中运行30年以上。在此期间，其必须能够承受反复出现的雨、雪和强风，并且必须在
‑
15至50℃的温度范围内正常工作。同时，其必须是一台需要最小维护的自主机器。
7.大风是与光伏板不稳定性相关的最恶劣的天气条件。风能够引起太阳能电池板振动，从而危及系统平衡。振动问题的已知解决方案是基于阻尼器或将光伏板锁定。锁定光伏板的方式是将光伏板锁定在水平位置，即平行于地面。该锁定系统相当低效，因为其不能处于垂直于太阳光线的位置，因此不是所有的能量都被利用。
8.基于前述内容，本发明的目的是提供一种防止天气引起的不稳定性，并提高太阳能跟踪器的效率的改进的太阳能跟踪器。


技术实现要素：

9.针对前面阐述的现有技术的问题，本发明的目的主要涉及一种单轴太阳能跟踪
器。该单轴太阳能跟踪器包括：支撑件，该支撑件具有垂直于支撑件的旋转轴，并与至少一个太阳能电池板连接；和跟踪系统，该跟踪系统能够操作太阳能电池板的旋转轴，以使其相对于太阳的移动而移动。更具体地，本发明涉及根据本发明的任何权利要求所述的太阳能跟踪器。
10.跟踪器的跟踪系统优选地包括控制子系统和操作子系统，控制子系统和操作子系统能够检测太阳能电池板的位置，并根据太阳的位置和太阳辐射操作太阳能电池板的旋转轴，进行最大程度的优化。太阳能电池板的运动是由通过电缆连接到控制子系统的电机完成的。控制子系统负责通过用于检测太阳位置的传感器和连接到电机的电源，将运动命令发送到操作子系统，即发送到电机。反过来，操作子系统是太阳能跟踪器的机械部分，负责执行太阳能跟踪器的运动。
11.本发明的太阳能跟踪器的特征还在于，其包括用于锁定跟踪器旋转轴的锁定系统和连接到跟踪系统的接线盒。锁定系统连接到轴和跟踪系统的控制子系统，并且接线盒优选通过电缆连接到控制子系统、操作子系统和锁定系统。因此，接线盒位于控制子系统、锁定系统和电机之间，不同元件的所有指令都经过该接线盒。
12.为了更好地理解本发明，有必要描述太阳能跟踪器的操作。也就是说，当控制子系统通过传感器检测到太阳能跟踪器应该运动时，其向电机发送命令，该命令被接线盒截获，接线盒对该命令进行编程(例如，立即地或有延迟地)，并命令锁定系统解锁以允许旋转轴和太阳能电池板旋转。一旦解锁，电机接收到运动命令，将旋转轴旋转到太阳能电池板相对于太阳位置的最佳位置。一旦达到最佳位置，锁定系统将再次锁定。
13.锁定系统在每次运动后锁定可以防止太阳能跟踪器受到不稳定影响。该不稳定影响是由于跟踪器使用寿命期间的恶劣天气造成的。由此，不管太阳能电池板处于什么位置，因为太阳能电池板相对于太阳的最佳位置不会丢失，即始终最大程度地利用太阳能，锁定系统通过提高跟踪器的效率而防止了诸如振动、风等的影响。
14.此外，由于天气效应对太阳能跟踪器的影响没有如此强烈，因此节省了维护费用并延长了其使用寿命。此外，由于产生了更多的能量，因此可以实现更好的年产量，从而节省大量资金。
15.最后，本发明是一种通用性很强的标准系统，因为其可以适用于已经安装并运行的任何跟踪器。其仅需在跟踪器的旋转轴上安装带有电源系统接线盒的小型配电板和锁定系统即可。因此，可以说这是一个适用于大多数光伏设施的系统。
16.在本发明的范围内，“基本上”这一表述应理解为表示相同或包含
±
15％范围内的变化。
附图说明
17.根据本发明的详细描述以及以下参考附图所描述的优选实施例，将完全理解前述和其他特征和优点。
18.图1示出了本发明第一优选实施例中的太阳能跟踪器的正视图。
19.图2示出了本发明第一优选实施例中的太阳能跟踪器的跟踪系统的正视图。
20.图3示出了根据本发明第一优选实施例的太阳能跟踪器的锁定系统的正视图。
21.图4示出了在本发明的第一优选实施例中液压活塞与旋转轴的机械连接的透视
图。
22.图5示出了本发明的锁定系统的第二优选实施例。
23.附图标记：
24.(1)太阳能跟踪器(1a)支撑件(1b)旋转轴(1c)太阳能电池板(1d)端部支撑件(1e)球窝接头(2)跟踪系统(2a)控制子系统(2b)操作子系统(3)锁定系统(4)摇臂(5)电机(6a、6b、6c)电缆(7)接线盒(8)液压活塞(8a、8b)液压活塞的端部(9)电磁阀(10)软管(11)扁钢条(12)突起
具体实施方式
25.下面根据图1至5，参照本发明的不同优选实施例对本发明进行了详细描述。这些描述是为了说明而非限制所要求保护的发明。
26.如前所述，本发明优选地涉及一种光伏太阳能跟踪器1，其配置成通过将所述太阳能跟踪器1朝向太阳的方位定向以捕获太阳辐射。如图1所示，太阳能跟踪器1支撑在优选为金属的结构上，该结构包括一个或多个固定的(例如，被打入、支撑或固结在地面上的)支撑件1a、1d和基本垂直于支撑件1a的纵向旋转轴1b。同样，一个或多个太阳能电池板1c固定在所述结构上，使得因为旋转轴1b和太阳能电池板1c彼此附接，所以当旋转轴1b旋转时，太阳能电池板1c也旋转。在图1至5的实施例中，旋转轴1b优选地通过球窝接头1e附接到支撑件1a，如图3和图4所示。在本发明的太阳能跟踪器1的优选实施例中，其还包括用于跟踪太阳的跟踪系统2，该跟踪系统能够以编程的方式操作旋转轴1b和太阳能电池板1c以使其朝向太阳旋转。
27.在图2中可以更详细地观察到太阳能跟踪器1的跟踪系统2的实施例。跟踪系统2主要包括控制子系统2a和操作子系统2b。
28.控制子系统2a包括至少一个位置传感器，该至少一个位置传感器配置成用于测量
旋转轴1b和/或太阳能电池板1c的位置。操作子系统2b进而包括电机5，该电机配置成操作用于使旋转轴1b和/或太阳能电池板1c运动的机构。控制子系统2a和/或操作子系统2b优选包括例如通过电缆6a、6c连接到电机5的电源。传感器和电源未在图中示出。
29.位置传感器的目的是使用连接到太阳位置跟踪算法的光学检测装置(例如，相机，尽管这些装置在本发明中不是必需的)，优选地以编程的方式检测太阳能电池板1c是否相对于太阳处于最佳位置。因此，当传感器检测到太阳能电池板1c不在正确位置时，控制子系统2a命令电机5动作，以便使旋转轴1b和太阳能电池板1c移动到正确位置，该位置对应于产生最大太阳能捕获的位置，即太阳能电池板1c的表面垂直于太阳光线的位置。
30.本发明的太阳能跟踪器1的主要特征在于包括连接到旋转轴1b的锁定系统3，使得当太阳能电池板1c位于相对于太阳的最佳位置并且旋转轴1b处于待机状态时，太阳能跟踪器1的方位被锁定。因此，太阳能跟踪器1在太阳能电池板1c的每个运动序列之后被锁定，直到其最佳位置，使得太阳能跟踪器1)不会受到由于恶劣天气造成的不稳定影响或由于风的影响造成的振动。此外，这提高了太阳能跟踪器1的效率，因为在任何时候都可以利用最大的太阳能。
31.在本发明的优选实施例中，太阳能跟踪器1包括连接到锁定系统3和跟踪系统2(优选地连接到控制子系统2a和操作子系统2b)的接线盒7，还包括用时间序列编程的微芯片(或等效的可编程计算装置)。因此，所述微芯片配置成使得由控制子系统2a发送到电机5的命令与位置传感器的位置检查同步或协调。同样，接线盒7可以向锁定系统3发送解锁命令，使得当执行从控制子系统2a发送到电机5的命令时，旋转轴1b可以旋转。
32.接线盒7优选通过相应的电缆6a、6b和6c连接到跟踪系统2、电机5和锁定系统3。在图2的实施例中，接线盒7通过第一电缆6a连接到控制子系统2a，通过第二电缆6c连接到包括电机5的操作子系统2b，并通过第三电缆6b连接到锁定系统3。因此，控制子系统2a的信号在到达预期元件之前先通过接线盒7，并根据所述接线盒7的编程，被立即转发到电机5，或者在初始信号中产生延迟。
33.另外，在图1和图3的实施例中，锁定系统3固定到太阳能跟踪器1的至少一个端部支撑件1d。然而，在本发明的其他优选实施例中，锁定系统3可以固定到任何其他支撑件1a(例如，已经发现靠近端部支撑件1d的支撑件1a也非常节能)。此外，锁定系统3也连接到旋转轴1b，因为其负责锁定或允许旋转轴1b旋转，并且连接到太阳能电池板1c。同时，锁定系统3通过电缆6b连接到接线盒7，其中接线盒7负责向旋转轴1b的锁定系统3发送锁定或解锁信号。
34.图3示出了锁定系统3的实施例，其中可以观察到锁定系统3包括带有电磁阀9的液压活塞8，其中液压活塞8包括端部8a、8b。液压活塞8的一个端部8a固定到支撑件1d，并且液压活塞8的另一端部8b连接到旋转轴1b。也就是说，液压活塞8的端部8b优选附接到旋转轴1b，该附接通过法兰型机械部件实现，该法兰型机械部件优选将液压活塞8的端部8b与固定到旋转轴1b的突起12附接，如图3和图4的实施例所示。
35.此外，在图3中还可以观察到，当太阳能电池板1c位于相对于太阳位置的最佳位置时，电磁阀9保持液压活塞8锁定，并且旋转轴1b也随之被锁定。因此，液压活塞8包括可变长度l，当液压活塞8打开时，该可变长度可以随着旋转轴1b旋转而延伸或缩短。同样，在旋转轴1b每次运动之后，液压活塞8优选被具有固定长度l’的电磁阀9再次锁定。在每次运动之
后，太阳能跟踪器1由此被锁定，即保护其免受前述恶劣天气的影响。
36.此外，电磁阀9连接到液压活塞8，使得当其接收到来自接线盒7的信号时，电磁阀9打开或关闭，从而允许油流过液压活塞8，并允许液压活塞8伸长或缩短，从而改变长度l并允许旋转轴1b自由旋转。
37.在本发明的优选实施例中，接线盒7另外还包括二极管整流桥，该整流桥确保保持锁定元件中的极性(例如，通过电磁阀9)，从而可以在锁定系统3中控制反向电流。所述整流桥的输出优选地由电感器和电容器滤波，甚至更优选地，整个电路由可复位保险丝保护，该保险丝的功能可以编程为在一段时间后复位。
38.在电机5具有低功率或容量不足的实施例中，接线盒7还可以包括辅助电池，该辅助电池适于为锁定系统3供电。更优选地，在这些实施例中，接线盒7可以配备有充电控制器，例如最大功率点跟踪(mppt，maximum power point tracking)或脉宽调制(pwm，pulse width modulation)类型的充电控制器，通过该充电控制器从太阳能电池板1c接收电流并对电池进行充电或维护。
39.在根据前述示例的不同实施例中，还可以用选自现有技术中已知的任何绝缘元件或组件，隔离包括在接线盒7的电路中的控制级和功率级。
40.同样，在根据图5的本发明的另一个优选实施例中，锁定系统3包括两个优选进行往复运动的液压活塞8(即，当一个活塞的长度增大时，另一个活塞的长度减小)，并且更优选以v形布置，其下部连接到支撑件1a、1d(例如，通过扁钢条11)并且其上部连接到旋转轴1b(例如通过摇臂4连接到所述旋转轴1b，其中摇臂4允许通过使旋转轴1b成角度地定向并在给定的倾斜角下锁定其位置，传递所述液压活塞8的力)。
41.在该实施例中，液压活塞8优选通过连通其油室的软管10连接，从而允许油从一个活塞8流到另一个活塞。电磁阀9优选地布置在该软管10中，并且将负责允许或保持油通过，使得当阀9关闭时(假设电流没有到达，例如如果其是常闭阀9)，锁定系统3将处于锁定位置，由于不允许油从一个液压活塞8流向另一个液压活塞，因此阻止了杆或端部8b在气缸8内运动。同样，当太阳能跟踪器1的电机5开始运行时，阀9打开，进而打开液压活塞8之间的油路。
42.在本发明的另一个优选实施例中，锁定系统3具有安全子系统，以备电磁阀9失效并且不能打开的情况，或者接线盒7和阀9之间的连接出现电气故障的情况。所述安全子系统优选包括限压阀，例如机械操作的限压阀，其功能是当液压缸8中的压力增加时，即当跟踪器1试图移动其位置但阀9由于某种原因已经关闭时，允许油在液压缸8之间流动。
43.优选地，在本文描述的任何实施例中，太阳能跟踪器1的操作从读取跟踪系统(2)的位置传感器开始，该位置传感器每隔一段时间便检查跟踪器1的位置，其中传感器优选地根据操作者期望的检查时间编程。对于每次位置检查，如果传感器没有检测到太阳相对于太阳能电池板1c的位置移动，即太阳能电池板1c处于最佳位置，则太阳能跟踪器1将保持待机状态，并且液压活塞8被锁定。相反，如果检测到太阳已经移动，则位置传感器向控制子系统2a发送信号以启动旋转轴1b的运动。电源由此向电机5发送运动信号，该信号也被接线盒7截获。接线盒7由此通过微芯片(或等效的计算装置)对电机5的运动信号进行编程，并使电磁阀9打开，从而允许释放液压活塞8。在所述液压活塞8解锁之后，运动信号结束，并且接线盒7命令电机5动作，以旋转旋转轴1b。因为液压活塞8未被锁定，并且可以改变其长度l，所
以旋转轴1b可以旋转。旋转轴1b因此继续旋转，直到太阳能电池板1c朝向其最佳位置。
44.最后，通过位置传感器，跟踪系统2确定太阳能电池板1c处于最佳位置，然后控制子系统2a切断接线盒7的电源，并且锁定系统3被激活，即电磁阀9关闭，以固定长度l’锁定液压活塞8，防止旋转轴1b进行任何形式的运动，并因此防止太阳能跟踪器1进行任何形式的运动。