一种光伏跟踪支架及其链传动自旋式驱动机构的制作方法

1.本发明属于太阳跟踪装置技术领域，具体涉及一种光伏跟踪支架及其链传动自旋式驱动机构。


背景技术：

2.光伏支架是太阳能光伏发电系统的重要组成部分，目前大型地面光伏电站光伏支架的常用形式有三大类：固定倾角式、季节可调式和跟踪式，而根据支架跟踪方式的不同，跟踪式支架又分为斜单轴跟踪、平单轴跟踪和双轴跟踪。固定倾角式支架是指以一年中光伏电池板获得太阳辐射量最大的倾角作为支架的安装倾角，该倾角在电站运行过程中始终保持不变。季节可调式支架是指根据光伏电站所在地的全年光照情况，将全年时间分成若干段，计算出设定时间段内发电量最大的光伏组件倾角，每年按不同时间段的最佳倾角对光伏组件的倾角进行有限次数的人工调整，每次角度调整完毕后，将支架用连接件进行固定，形成如同固定倾角式支架一样结构的光伏支架形式。跟踪式支架主要是通过电机控制可旋转光伏支架追踪太阳高度角和方位角来获得更多太阳能辐射，从而使发电量增加的支架形式
3.在使用过程中，跟踪式支架因其能够实时跟踪太阳，所以发电量较高，但由于跟踪式支架存在旋转结构，通常抗风能力较弱。固定倾角式支架虽然发电量不及跟踪式支架，但是其结构形式简单，运营成本及维护费用很低，结构的安全稳定性好，所以在跟踪式支架相关技术未成熟时，固定倾角式支架作为主要的支架形式广泛应用于光伏电站中。与固定倾角式支架相比，季节可调型支架可提高发电量，与跟踪支架相比，季节可调型支架的成本较低。由于季节可调型支架结构形式简单，只需在固定式支架的基础上加以适当改造即可，结构稳定性好，兼顾了固定式支架与跟踪式支架的优点。
4.传统季节可调型支架根据调节方式的不同，其主要结构形式有：推拉杆式、弧梁式、千斤顶式。推拉杆式季节可调支架利用支架斜撑杆在基础底部水平杆的卡槽中往返推拉移动来实现光伏支架的角度调整，角度调整完毕后用螺栓孔位进行固定。弧梁式季节可调支架利用半圆弧梁与支架支座的销孔进行光伏支架角度调整，角度调整完毕后半圆弧梁与支架支座通过销钉进行固定。千斤顶式季节可调支架通过连接在支架斜梁与竖杆间的菱形千斤顶伸缩调整支架角度，角度调整完毕后支架依靠螺旋千斤顶自身的自锁结构实现固定。
5.目前大多数季节可调支架均采用手动季节调整的运行方式，在每年四个季节，由工人将支架手动调整到相应的最佳倾角。采用人工四季手动调整支架工作模式的电站，日常运行维护成本较高，而且由于电池板不能始终处于最佳角度，与每天自动调整到最佳倾角的自动跟踪式平单轴支架相比，会损失一些发电量。因此，如何实现季节可调型支架低成本、高效率的自动化调节也是其重要的发展前景方向。
6.当前螺旋千斤顶式季节可调支架存在以下两个主要问题，一方面，单个光伏支架规模不同承载的电池板数量变化很大，不同的支架设计使用的螺旋千斤顶数量也不同，导
致不同支架旋转调节螺杆的扭矩需求不同。而针对不同规模支架设计合适扭矩的驱动器会导致驱动器种类过多，因此如何在使用同一规格电机时，灵活调整驱动器输出扭矩大小是季节可调支架电动控制系统设计的一个重要问题。另一方面，简易的千斤顶调节螺杆暴露在外，容易发生因局部意外生锈导致的调节螺杆卡涩和电机堵转问题，如果此时大扭矩强制扭动螺杆，会导致光伏跟踪支架结构件的损坏，因此为季节可调光伏支架设计自动跟踪控制系统的时候必须考虑灵敏可靠的保护方法，防止因为卡涩引起的支架损坏。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种*方法及系统，用于解决传统季节可调型支架的防堵转驱动技术问题，实现不同大小支架驱动机构标准化。
8.本发明采用以下技术方案：
9.一种光伏跟踪支架用链传动自旋式驱动机构，包括配重摆臂，配重摆臂的一端连接配重块，另一端经第一链轮连接螺旋千斤顶调节机构，第一链轮通过滚子链连接第二链轮，第二链轮与配重摆臂上设置的驱动器的输出轴连接；
10.驱动器驱动第二链轮旋转牵拉滚子链形成拉力，使得第二链轮带动配重摆臂绕第一链轮中心旋转的同时举升配重块，配重块在重力作用下将对螺旋千斤顶调节机构的螺杆产生一个驱动扭矩，驱动螺杆旋转运动带动千斤顶调节机构作伸张或收缩运动，实现光伏跟踪支架的角度调整；根据配重摆臂的旋转角度调节光伏跟踪支架的俯仰角度，实现光伏电池板的跟踪角度调节。
11.具体的，第一链轮的直径大于第二链轮的直径，驱动系统通过链轮减速方法增大驱动器向螺杆输入的扭矩，扭矩放大倍数等于第一链轮与第二链轮的直径比。
12.具体的，驱动器与光伏电池板一侧设置的跟踪控制器电连接，跟踪控制器根据光伏支架的角度调节要求输出电信号，控制驱动器正向旋转、反向旋转或者停止。
13.具体的，配重块上设置有用于采集配重摆臂旋转角度的陀螺仪；陀螺仪与跟踪控制器电连接；跟踪控制器根据陀螺仪测量的最大偏角，计算支架螺旋千斤顶调节机构的输入扭矩，并在扭矩超过最大设定值时停止驱动器的动作，防止光伏支架驱动机构发生损坏。
14.本发明的另一个技术方案是，一种光伏跟踪支架，包括光伏跟踪支架用链传动自旋式驱动机构，链传动自旋式驱动机构通过螺杆连接调节机构，调节机构的一端连接横梁，横梁上间隔设置有多个檩条，光伏电池板依次设置在檩条上；链传动自旋式驱动机构通过自旋产生驱动扭矩举升配重块，配重块在重力作用下对螺杆产生一个驱动扭矩；通过调节机构实现对光伏跟踪支架的角度调节。
15.具体的，横梁或檩条上设置有跟踪控制器，跟踪控制器连接驱动器，用于测量光伏电池板的实际倾角，并根据实际倾角与目标倾角的偏差关系控制驱动器正向旋转、反向旋转或者停止。
16.进一步的，跟踪控制器与光伏电池板一侧设置的自供电电池板电连接。
17.具体的，调节机构包括多个，多个调节机构之间通过螺杆连接，链传动自旋式驱动机构设置在螺杆的一端或设置在多个调节机构之间能够扭动螺杆的位置处。
18.进一步的，调节机构为螺旋千斤顶结构，能够自锁承载重量，并可通过旋转螺杆调
整驱动机构两个端点支架距离的机械驱动机构。
19.具体的，光伏电池板的调节角度为+15
°
～+55
°
。
20.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
21.一种链传动自旋式驱动机构，第一链轮通过滚子链连接第二链轮组成链传动机构，该传动机构可以通过设定链轮大小比值，方便的调整驱动机构的输出扭矩，有利于以较低成本实现不同规模光伏支架驱动电机的标准化；配重摆臂驱动方式结构简单，可以采用配重块质量和力臂长度精确设定跟踪支架的最大输入扭矩，确保跟踪支架的安全运行。
22.进一步的，陀螺仪能够实时监测配重摆臂角度，通过测量摆臂偏转角度，间接计算驱动系统的实际输出扭矩并进行扭矩超限保护。
23.综上所述，本发明结构简单，实施方便，能够改善季节可调支架电动驱动系统设计生成的标准化和运行的安全性。
24.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
25.图1为链传动自旋式驱动机构结构示意图；
26.图2为链传动自旋式驱动机构光伏跟踪支架系统示意图；
27.图3为光伏跟踪支架及其链传动自旋式驱动机构系统实例示意图。
28.其中：1.链传动自旋式驱动机构；2.跟踪控制器；3.自供电电池板；4.调节机构；5.螺杆；101.驱动器；102.配重摆臂；103.第一链轮；104.第二链轮；105.滚子链；106.陀螺仪；107.配重块；601.横梁；602.檩条；603.光伏电池板。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
33.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
34.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
35.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
36.本发明提供了一种季节可调的光伏跟踪支架及其链传动自旋式驱动机构，通过链传动机构根据放大电机输出扭矩，通过链条牵引配重摆臂自旋，将配重块不断举升，配重块在重力作用下将对螺杆产生一个驱动扭矩，进而带动螺杆作旋转运动，螺杆的旋转运动将带动与螺杆相连的丝母套沿着螺杆作直线运动，丝母套将带动千斤顶调节机构中的上、下支撑臂作伸张或收缩运动，从而以较低代价实现光伏跟踪支架的角度调整。
37.请参阅图1和图2，一种链传动自旋式驱动机构，包括驱动器101、配重摆臂102、第一链轮103、第二链轮104、滚子链105、陀螺仪106和配重块107；
38.配重摆臂102的一端与配重块107固接，陀螺仪106设置在配重块107上，配重摆臂102的另一端经调节机构4的螺杆5与第一链轮103连接，第一链轮103通过滚子链105与第二链轮104连接，第二链轮104固接在驱动器101的输出轴上，驱动器101固接在配重摆臂102上。
39.其中，第一链轮103的直径大于第二链轮104的直径。
40.驱动器101驱动第二链轮104沿滚子链105爬升的同时将配重块107举升，被举升的配重块107在重力作用下对螺杆5产生一个驱动扭矩，从而驱动螺杆5作旋转运动，螺杆5的旋转运动将带动调节机构4作伸张或收缩运动，从而以较低代价实现光伏跟踪支架的角度调整。
41.自供电电池板3用于为驱动器101与跟踪控制器2供电，驱动器101在跟踪控制器2的控制下动作。
42.请参阅图3，本发明还公开了一种光伏跟踪支架，包括链传动自旋式驱动机构1、跟踪控制器2、自供电电池板3、调节机构4、螺杆5、横梁601和檩条602，光伏电池板603依次设置在檩条602上，多个檩条602平行设置，檩条602之间通过横梁601固定连接，链传动自旋式驱动机构1的配重摆臂102通过螺杆5依次连接多个调节机构4，调节机构4及其对应的跟踪控制器2分别与横梁601连接，自供电电池板3固定在光伏电池板603的一侧。
43.链传动自旋式驱动机构1的配重块107在重力作用下从被举升的最高点回落，同时驱动螺杆5作旋转运动，当配重块107回落至停止时，配重摆臂102绕螺杆5转过一个角度θ，用于角度检测的陀螺仪106采集配重摆臂102的转过角度θ并反馈给跟踪控制器2，跟踪控制
器2通过配重摆臂102转过的角度来计算出光伏跟踪支架6中光伏电池板603转过的角度，从而确定光伏跟踪支架的跟踪角度是否调节到位。
44.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
45.应用实例
46.本实例中平单轴跟踪器上承载的光伏组件尺寸为1956mm
×
990mm，采用双排竖放结构，即电池板的长边(1956)与檩条垂直，双排电池板竖向放置在檩条上。檩条采用30mm
×
30mm壁厚2mm的c型钢，横梁采用60mm
×
100mm壁厚3mm的矩形钢管，立柱采用16号工字钢，其截面高度为160mm，腿宽为88mm，腰厚为6mm。通过调节机构调节光伏跟踪支架上的光伏组件在南北+15
°
～+55
°
度范围内进行太阳跟踪。
47.光伏电池板603(光伏组件)有单排竖放，双排竖放，双排横放等不同安装方式，这些安装方式都属于光伏跟踪支架的常用方式，其结构在横梁以上，因此具体采用什么上层安装方式不影响本专利调节光伏支架跟踪角度的技术方法。
48.本实例每套光伏跟踪支架安装4个电池板组串，每串7块光伏电池板603，共28块光伏电池板603(光伏组件)。该套支架东西长度为13990mm，南北长宽为3936mm，共有4根支撑立柱，立柱由东向西编号，1号立柱为最东端立柱，4号立柱为最西端立柱。每根立柱之间的中心间距为4340mm，最外侧1号和4号两跟立柱上檩条各出头485mm。
49.请参阅图3，本实例中链传动自旋式驱动机构1安装在最东侧靠近1号立柱的调节机构4中的螺杆5的端头，跟踪控制器2安装在与1号立柱相邻的横梁601上，自供电电池板3安装在最东侧光伏支架的檩条602的端头，设计采用四组调节机构4并列安装，采用数个扭力杆将四组调节机构4中的螺杆5串联在一起。扭力杆采用外径φ22mm，壁厚3mm的镀锌钢管，扭力杆两端采用开口销与螺杆相连接，每套调节机构4中的螺杆5采用m16
×
2的镀锌丝杆。
50.上述实例中链传动自旋式驱动机构1、跟踪控制器2以及自供电电池板3的具体安装位置不影响本发明调节光伏支架跟踪角度的技术方案，调节机构4并列数量以及螺杆的具体结构形式也不影响本专利的技术方法。
51.一种光伏跟踪支架的工作原理具体如下：
52.自供电电池板3为驱动器101与跟踪控制器2供电，驱动器101在跟踪控制器2的驱动下转动，驱动器101驱动第二链轮104沿着滚子链105爬升的同时将配重块107举升，被举升的配重块107在重力作用下将对螺杆5产生一个驱动扭矩，从而驱动螺杆5作旋转运动，螺杆5的旋转运动将带动各个千斤顶调节机构4作伸张或收缩运动，从而以较低代价实现光伏跟踪支架的角度调整。
53.配重块107在重力作用下从被举升的最高点回落，同时驱动螺杆5作旋转运动，当配重块107回落至停止时，配重摆臂102绕螺杆转过一个角度θ，安装在配重摆臂上102的角
度检测陀螺仪106可将其转过的角度θ测量出来并反馈给跟踪控制器2，跟踪控制器2通过配重摆臂102转过的角度来计算出光伏跟踪支架6中光伏电池板603转过的角度，从而确定光伏跟踪支架6的跟踪角度是否调节到位。
54.综上所述，本发明一种光伏跟踪支架及其链传动自旋式驱动机构，第一链轮通过滚子链连接第二链轮组成链传动机构，可靠性高、结构简单、环境适应性强，有利于以较低成本实现光伏支架的自动跟踪；采用配重块的驱动方式结构简单，利于降低驱动成本，而且配重块具有过载保护和扭矩自适应的优势。
55.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光伏跟踪支架用链传动自旋式驱动机构，其特征在于，包括配重摆臂(102)，配重摆臂(102)的一端连接配重块(107)，另一端经第一链轮(103)连接螺旋千斤顶调节机构(4)，第一链轮(103)通过滚子链(105)连接第二链轮(104)，第二链轮(104)与配重摆臂(102)上设置的驱动器(101)的输出轴连接；驱动器(101)驱动第二链轮(104)旋转牵拉滚子链(105)形成拉力，使得第二链轮(104)带动配重摆臂(102)绕第一链轮(103)中心旋转的同时举升配重块(107)，配重块(107)在重力作用下将对螺旋千斤顶调节机构(4)的螺杆产生一个驱动扭矩，驱动螺杆旋转运动带动千斤顶调节机构(4)作伸张或收缩运动，实现光伏跟踪支架的角度调整；根据配重摆臂(102)的旋转角度调节光伏跟踪支架(6)的俯仰角度，实现光伏电池板的跟踪角度调节。2.根据权利要求1所述的光伏跟踪支架用链传动自旋式驱动机构，其特征在于，第一链轮(103)的直径大于第二链轮(104)的直径，驱动系统通过链轮减速方法增大驱动器(101)向螺杆(5)输入的扭矩，扭矩放大倍数等于第一链轮(103)与第二链轮(104)的直径比。3.根据权利要求1所述的光伏跟踪支架用链传动自旋式驱动机构，其特征在于，驱动器(101)与光伏电池板(603)一侧设置的跟踪控制器(2)电连接，跟踪控制器(2)根据光伏支架的角度调节要求输出电信号，控制驱动器(101)正向旋转、反向旋转或者停止。4.根据权利要求1所述的光伏跟踪支架用链传动自旋式驱动机构，其特征在于，配重块(107)上设置有用于采集配重摆臂(102)旋转角度的陀螺仪(106)；陀螺仪(106)与跟踪控制器(2)电连接；跟踪控制器(2)根据陀螺仪(106)测量的最大偏角，计算支架螺旋千斤顶调节机构(4)的输入扭矩，并在扭矩超过最大设定值时停止驱动器(101)的动作，防止光伏支架驱动机构发生损坏。5.一种光伏跟踪支架，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的光伏跟踪支架用链传动自旋式驱动机构(1)，链传动自旋式驱动机构(1)通过螺杆(5)连接调节机构(4)，调节机构(4)的一端连接横梁(601)，横梁(601)上间隔设置有多个檩条(602)，光伏电池板(603)依次设置在檩条(602)上；链传动自旋式驱动机构(1)通过自旋产生驱动扭矩举升配重块(107)，配重块(107)在重力作用下对螺杆(5)产生一个驱动扭矩；通过调节机构(4)实现对光伏跟踪支架的角度调节。6.根据权利要求5所述的光伏跟踪支架，其特征在于，横梁(601)或檩条(602)上设置有跟踪控制器(2)，跟踪控制器(2)连接驱动器(101)，用于测量光伏电池板(603)的实际倾角，并根据实际倾角与目标倾角的偏差关系控制驱动器(101)正向旋转、反向旋转或者停止。7.根据权利要求6所述的光伏跟踪支架，其特征在于，跟踪控制器(2)与光伏电池板(603)一侧设置的自供电电池板(3)电连接。8.根据权利要求5所述的光伏跟踪支架，其特征在于，调节机构(4)包括多个，多个调节机构(4)之间通过螺杆(5)连接，链传动自旋式驱动机构(1)设置在螺杆(5)的一端或设置在多个调节机构(4)之间能够扭动螺杆(5)的位置处。9.根据权利要求8所述的光伏跟踪支架，其特征在于，调节机构(4)为螺旋千斤顶结构，能够自锁承载重量，并可通过旋转螺杆(5)调整驱动机构两个端点支架距离的机械驱动机构。10.根据权利要求5至9中任一项所述的光伏跟踪支架，其特征在于，光伏电池板(603)的调节角度为+15
°
～+55
°
。

技术总结
本发明公开了一种光伏跟踪支架及其链传动自旋式驱动机构，通过链轮直径比的变化，实现系统最大输出扭矩的调整；通过配重块质量和力臂长度的配合，设定驱动系统最大保护扭矩。从而以较低代价，灵活适应不同规模光伏跟踪支架的驱动和安全保护要求。架的驱动和安全保护要求。架的驱动和安全保护要求。


技术研发人员：宋子华 王利 于昊正 安宏超 王丹江 李佳东
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/16