具备自适应光伏跟踪性能的漂浮型光伏发电系统

1.一种具备自适应光伏跟踪性能的漂浮型光伏发电系统，包括以漂浮基座(10)漂浮于水面上的太阳能电池板(20)，以及通过正反转来驱动太阳能电池板(20)产生匹配太阳行进路径的往复摆动动作的直流驱动电机(30)，其特征在于：本系统还包括用于控制直流驱动电机(30)产生上述动作的驱动电路以及控制驱动电路作相应启闭的控制电路，驱动电路包括由主光伏板(41)构成的主电池，主光伏板(41)的受光侧板面与太阳能电池板(20)的受光侧板面平行且两者指向方向同向；直流驱动电机(30)两端分别串接继电器开关K1和继电器开关K2，且两继电器开关在两继电器的线圈同步失电时连通于主电池同一极，而同步得电时均连通于主电池另一极处；在太阳行进路径上，垂直主光伏板(41)板面布置有受光侧板面面积相等且彼此反向的左光伏板和右光伏板；控制电路包括左光伏板和右光伏板串接构成的反向串联电池组，反向串联电池组、继电器K1和继电器K2彼此并联；所述继电器K1和继电器K2均为延时动作继电器；继电器K1所在并联支路上串接二极管D1，继电器K2所在并联支路上串接二极管D2，且二极管D1和二极管D2的串接截止方向彼此反向；
所述漂浮基座(10)外形呈圆环状构造，各漂浮基座(10)间彼此并列贴靠以形成太阳能电池板(20)的阵列结构；本系统还包括贯穿相邻漂浮基座的环体的拉杆(50)，拉杆(50)的位于漂浮基座(10)内环面的两端部分别固接以直流驱动电机(30)驱动的主动轮(60)，主动轮(60)轴线平行漂浮基座(10)轴线；拉杆(50)的位于漂浮基座(10)外环面的杆体处套设第一压板(51)与第二压板(52)，两压板上均布置与主动轮(60)轴线平行的从动轮(70)，且该从动轮(70)与靠近该压板的相应侧漂浮基座的外环面间构成滚动式抵靠配合；第一压板(51)和第二压板(52)间的拉杆杆身上，以及主动轮(60)轮轴与漂浮基座(10)内环面间均布置有压缩弹簧(53)；
所述第一压板(51)和第二压板(52)外形均呈“V”字状且其内侧板面与相应漂浮基座的外环面避让布置；第一压板(51)和第二压板(52)的“V”字状尖端彼此相对并以压缩弹簧(53)驱使其产生相离动作；各压板上的从动轮(70)均为两个且相应布置于“V”字状的第一压板(51)和第二压板(52)的两端部处；
本系统包括四方箱体状的控制盒(40)，控制盒(40)固定于太阳能电池板(20)和/或漂浮基座(10)上；控制盒(40)盒体正面与太阳能电池板(20)的受光侧板面平行且两者指向方向同向；主光伏板(41)嵌设于控制盒(40)的正面处，左光伏板和右光伏板分置于与主光伏板(41)相邻的左、右两侧面处；主光伏板(41)的受光侧板面面积大于左光伏板受光侧板面面积。
2.根据权利要求1所述的一种具备自适应光伏跟踪性能的漂浮型光伏发电系统，其特征在于：以每对彼此配合的漂浮基座(10)及相应太阳能电池板(20)为一组太阳能电池板组件，所述太阳能电池板组件为多组且同平面的呈“品”字形阵列布置。

具备自适应光伏跟踪性能的漂浮型光伏发电系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于基于太阳能电池板的光伏发电领域，具体涉及一种具备自适应光伏跟踪性能的漂浮型光伏发电系统。\n背景技术\n[0002] 由于地球的自转及公转，一年春夏秋冬、每天日升日落，太阳的光照角度时刻都在变化。无论是陆基型还是漂浮型的太阳能光伏发电系统，人们都希望太阳能发电板能够时刻正对太阳，以达到最大的发电效率；尤其是漂浮型的太阳能光伏发电系统，如何在波浪颠簸的海面上准确而高效的进行太阳光光照跟踪，始终是希望解决的难题。光伏跟踪控制系统，是现有的能够保持太阳能电池板时刻正对太阳，而使太阳光的光线随时垂直照向电池板板面的一种动力控制结构。目前的光伏跟踪控制系统，一则为时控型设计，这在中国专利公告号为201846283U的名称为“同步太阳能光伏跟踪发电装置”的实用新型专利中有所描述，也即采用采用单片机、可编程控制器等硬件，利用高精度太阳位置算法，根据安装地经纬度、实时时钟准确计算出太阳高度角、方位角位置，采用霍尔传感器、旋转编码器或倾角传感器等形成闭环控制，通过直流驱动电机驱动电池板以跟踪太阳角度。另一个则为光控型设计，这在中国专利公告号为101777856A的名称为“利用光感差的光伏跟踪装置及基于网络的监控方法”的发明专利中有所描述：也即采用单片机、可编程控制器等硬件，将太阳光角度传感器安装在组件阵列面，利用太阳光角度传感器形成闭环控制，最终通过直流驱动电机驱动电池板跟踪太阳角度。上述两者光伏跟踪控制结构自使用以来，虽然具有跟踪精度高，方便远程通信控制等优点，但也有控制环节复杂、安装调试复杂、器件繁多乃至可靠性不高等缺点，从而给实际的光伏控制设计带来困扰。如何寻求一种新型的光伏发电系统，以在结构更为简洁的基础上，具备更高的发电效率和能够跟随太阳光角度变化而准确响应的高适应性，为光伏发电领域近十年来所亟待解决的技术难题。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的具备自适应光伏跟踪性能的漂浮型光伏发电系统，以实现光伏阵列在水面漂浮工作时，同步具备对于太阳光照射角度的自调节性和准确动作响应性，以确保高效率的太阳能光伏发电需求。\n[0004] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：\n[0005] 一种具备自适应光伏跟踪性能的漂浮型光伏发电系统，包括以漂浮基座漂浮于水面上的太阳能电池板，以及通过正、反转来驱动太阳能电池板产生匹配太阳行进路径的往复摆动动作的直流驱动电机，其特征在于：本系统还包括用于控制直流驱动电机产生上述动作的驱动电路以及控制驱动电路作相应启闭的控制电路，驱动电路包括由主光伏板构成的主电池，主光伏板的受光侧板面与太阳能电池板的受光侧板面平行且两者指向方向同向；直流驱动电机两端分别串接继电器开关K1和继电器开关K2，且两继电器开关在两继电器的线圈同步失电时连通于主电池同一极，而同步得电时均连通于主电池另一极处；在太阳行进路径上，垂直主光伏板板面布置有受光侧板面面积相等且彼此反向的左光伏板和右光伏板；控制电路包括左光伏板和右光伏板串接构成的反向串联电池组，反向串联电池组、继电器K1和继电器K2彼此并联；所述继电器K1和继电器K2均为延时动作继电器；继电器K1所在并联支路上串接二极管D1，继电器K2所在并联支路上串接二极管D2，且二极管D1和二极管D2的串接截止方向彼此反向。\n[0006] 本系统包括四方箱体状的控制盒，控制盒固定于太阳能电池板和/或漂浮基座上；\n控制盒盒体正面与太阳能电池板的受光侧板面平行且两者指向方向同向；主光伏板嵌设于控制盒的正面处，左光伏板和右光伏板分置于与主光伏板相邻的左、右两侧面处。\n[0007] 主光伏板的受光侧板面面积大于左光伏板受光侧板面面积。\n[0008] 所述漂浮基座外形呈圆环状构造，各漂浮基座间彼此并列贴靠以形成太阳能电池板的阵列结构；本系统还包括贯穿相邻漂浮基座的环体的拉杆，拉杆的位于漂浮基座内环面的两端部分别固接以直流驱动电机驱动的主动轮，主动轮轴线平行漂浮基座轴线；拉杆的位于漂浮基座外环面的杆体处套设第一压板与第二压板，两压板上均布置与主动轮轴线平行的从动轮，且该从动轮与靠近该压板的相应侧漂浮基座的外环面间构成滚动式抵靠配合；第一压板和第二压板间的拉杆杆身上，以及主动轮轮轴与漂浮基座内环面间均布置有压缩弹簧。\n[0009] 所述第一压板和第二压板外形均呈“V”字状且其内侧板面与相应漂浮基座的外环面避让布置；第一压板和第二压板的“V”字状尖端彼此相对并以压缩弹簧驱使其产生相离动作；各压板上的从动轮均为两个且相应布置于“V”字状的第一压板和第二压板的两端部处。\n[0010] 以每对彼此配合的漂浮基座及相应太阳能电池板为一组太阳能电池板组件，所述太阳能电池板组件为多组且同平面的呈“品”字形阵列布置。\n[0011] 本系统还包括轴线铅垂的布置于漂浮基座顶端面的立柱，立柱顶端设置以直流驱动电机驱动的回转台且位于该回转台顶端的回转面固接于太阳能电池板底端面处，所述回转台的回转轴线铅垂设置。\n[0012] 所述立柱包括固接于漂浮基座顶端面的的下立柱以及套设在下立柱的中空管腔内的上立柱，上立柱顶端固定回转台；下立柱具备多棱柱状的管腔构造，上立柱外部轮廓呈与之适配的多棱柱状并可与下立柱间构成铅垂向的直线导向配合关系。\n[0013] 本发明的主要优点在于：\n[0014] 1)、摒弃了传统的时空型和光控型的光伏跟踪控制结构所带来的诸如控制环节复杂、安装调试复杂、器件繁多乃至可靠性不高等诸多缺点。本发明采用一块安装在太阳能电池板受光侧板面处的主光伏板作为直流驱动电机的动力来源，以受光侧板面彼此反向且均垂直主光伏板板面的左光伏板和右光伏板构成转向纠正源。当主光伏板及太阳能电池板与太阳光角度不一致时，左光伏板和右光伏板接收太阳光辐射不同，至少会有一个板块输出直流电流而使得相应继电器产生得电动作，进而使得同极连通的其中一个继电器开关产生“延时”的断开或闭合动作，随之接通驱动电路而使得直流驱动电机得电启动，最终带动光伏阵列旋转。而当左光伏板和右光伏板与太阳光光线平行时，其接收太阳光辐射相同，继电器均不会动作，驱动电路始终断开，电机也就不会转动。\n[0015] 在上述结构基础上，有几点重点需要注意：首先，作为与太阳能电池板同向且平行布置的主光伏板，只要太阳能电池板始终准确朝向太阳光线，主光伏板的受光效率就始终处于最大化，其受光充足，发电电流大，使得直流电机M电力供应充足。其次，采用了驱动电路与控制电路完全分开的设计方式，直流驱动电机与反向串联电池组间彼此互不干涉。直流驱动电机不会因始终连接反向串联电池组而产生长时间弱电流流通现象，也就不存在发热而损伤绝缘的问题。最后，反向串联电池组两端只需要驱动继电器线圈，负载轻、功率小、承受反向电流小；电池组不会产生过热状况，可靠性高，使用寿命长。此外，通过采用延时动作继电器，依靠设置合适延时时间，使得其得电一段时间后相应的继电器开关方产生相应动作，即可有效避免因系统响应过于灵敏而导致的电机不断因水面颠簸产生无用的正、反转动作，进而有利于提升电机和机械结构的实际使用寿命。\n[0016] 2)、具体到各光伏板的装配结构，本发明提供了一种简洁的实现方式：采用四方箱体状的盒式控制盒构造；通过在该控制盒的正面以及左右两侧面布置相应光伏板，从而实现正面提供直流驱动电机电源而侧面形成反向串接电池组的目的。盒式结构一体性强，便于搬运及组装，线路等部件可直接整理至控制盒的密封盒体内，从而避免海水环境的腐蚀，工作安全性更高，使用寿命亦可得到进一步保证。\n[0017] 3)、对于各光伏板的受光侧板面面积的限制，一则保证了控制电路的快速可靠响应；另一侧则利用了更大面积的主光伏板，从而提供直流驱动电机更可靠的电力转化和供给效果。\n[0018] 4)、对于具体的基于太阳能电池板的驱动功能的实现，或可采用现有的陆基或漂浮型结构方式，只需改进其驱动电机的控制电路即可。如采用传统的轴承式结构，依靠驱动电机正、反转带动齿轮驱动等方式，来确保相应的太阳能电池板的转动需要。而本发明提供了以下两种具体的实施方式：\n[0019] a、采用圆环状的漂浮基座，太阳能电池板倾斜状的位于漂浮基座的环状结构内，并利用漂浮基座沿其环面轴线的水平转动，来实现太阳能电池板的转动动作。此时，根据前述的控制电路带动驱动电路进而使得直流电机产生相应的转向，从而带动主动轮产生相对漂浮基座内环面的碾动动作。随着主动轮的转动，与之平面或防滑纹或齿条配合的漂浮基座内环面随之产生转动，进而带动整个漂浮基座连同太阳能电池板产生正对太阳光照射方向的转动动作。\n[0020] 上述结构中，最为主要的即为采用的拉杆式的结构，配合各压缩弹簧，从而实现相应轮体与漂浮基座的紧密面抵靠配合。同时的，主动轮处的压缩弹簧，从而确保主动轮基于漂浮基座的紧密贴合需求。而利用穿设在拉杆杆身的两压板间的压缩弹簧，则在满足上述贴合需求的同时，更是起到了在漂浮基座转动或者海水拍击时的相邻漂浮基座的缓冲吸振目的，从而使得整个太阳能电池板组件不受海水漂浮冲击影响。上述结构简洁合理，无需复杂的海水缓冲技术，使用成本及效果均能得到有效保证。\n[0021] b、上立柱与下立柱间的棱柱式的自由滑动套接方式，保证了太阳能电池板的可升降效果，搭配特定的电机，即可使其具备跟随海水落潮涨潮的自动调节效果。换句话说，上立柱与下立柱间，是无任何控制部件而仅仅是彼此滑动套接的，海潮涨落，上立柱即可随之起伏，从而保证太阳能电池板始终处于海面以上处。而回转台的布置，则可直接搭配本发明上述的直流驱动电机，进而满足的针对性的可控转向调节需求\n附图说明\n[0022] 图1是控制盒的装配结构示意图；\n[0023] 图2为直流驱动电机处于停止状态时，控制电路的电路状态图；\n[0024] 图3为直流驱动电机处于停止状态时，驱动电路的电路状态图；\n[0025] 图4-5为直流驱动电机处于正转状态时，控制电路与驱动电路的电路状态图；\n[0026] 图6-7为直流驱动电机处于反转状态时，控制电路与驱动电路的电路状态图；\n[0027] 图8为太阳能电池板的其中一种结构示意图；\n[0028] 图9为图8的I部分结构的局部放大图；\n[0029] 图10为太阳能电池板的另一种结构示意图。\n[0030] 图示各标号与本发明各部件对应关系如下：\n[0031] 10-漂浮基座 20-太阳能电池板 30-直流驱动电机\n[0032] 40-控制盒 41-主光伏板 42-左光伏板\n[0033] 50-拉杆 51-第一压板 52-第二压板 53-压缩弹簧\n[0034] 60-主动轮 70-从动轮 81-回转台 82-下立柱 83-上立柱\n具体实施方式\n[0035] 为便于理解，此处结合图1-10对本发明的其中一种实施结构及其工作流程作以下进一步描述：\n[0036] 本发明的整个电路控制及驱动结构，可集成于四方箱体状的控制盒40内。控制盒\n40的密闭内腔用于布置线路，其盒体的外表面取三个相邻面以安装主光伏板41、左光伏板\n42和右光伏板。具体如1所示，在控制盒40与太阳能电池板20的受光侧板面平行且同向的正面安装一块较大功率的主光伏板41，在控制盒40左、右两侧分别安装两块小功率的左光伏板42和右光伏板。将控制盒40固定在漂浮基座10和/或太阳能电池板20上，无论是连杆固定还是直接焊固等均可，以随整个光伏发电系统一同旋转移动。\n[0037] 为便于理解且与图2-7对应，此处将左光伏板42和右光伏板分别简化为图示反向串联电池组中的B1和B2，并直接以左电池B1和右电池B2表示。反向串联电池组，也即左电池B1和右电池B2的正极直接串接正极或负极直接串接负极形成。主光伏板41以主电池B3表示。而继电器开关K1和继电器开关K2均选用常闭开关，以便于描述。当然，实际使用时，继电器开关K1和继电器开关K2均选用常开开关亦可，同样可实现下述动作效果：\n[0038] 1)、如图2-3所示，当控制盒40正面正对太阳光方向时，左电池B1和右电池B2受光相同，控制电路中的电压相互抵消。继电器K1和继电器K2线圈均不得电，继电器开关K1和继电器开关K2常闭触点闭合。直流驱动电机30两端通过继电器开关K1常闭触点和继电器开关K2常闭触点连接在主电池B3正端，直流驱动电机30不得电，不会旋转或停止旋转。\n[0039] 2)、如图4-5所示，当太阳光偏向左电池B1侧时，左电池B1受光发电，右电池B2不受光。因二级管的单向导电性，二级管D2导通，二级管D1截止。电流从左电池B1正端流出，经过继电器K2，二级管D2，右电池B2，流回左电池B1负端。此时，继电器K2线圈得电，继电器开关K2常闭触点延时断开以连接至直流驱动电机30的另一极处，且再次过程中继电器K1线圈不得电，继电器开关K1常闭触点继续闭合。直流驱动电机30、继电器开关K1和电器开关K2、主电池B3间形成正向回路，直流驱动电机30正向旋转。\n[0040] 3)、如图6-7所示，当太阳光偏向右电池B2侧时，右电池B2受光发电，左电池B1不受光。因二级管的单向导电性，二级管D1导通，二级管D2截止。电流从右电池B2正端流出，经过继电器K1，二级管D1，左电池B1，流回右电池B2负端。此时，继电器K1线圈得电，继电器开关K1常闭触点延时断开以连接至直流驱动电机30的另一极处，且再次过程中继电器K2线圈不得电，继电器开关K2常闭触点继续闭合。直流驱动电机30、继电器开关K1和电器开关K2、主电池B3间形成反向回路，直流驱动电机30反向旋转。\n[0041] 上述控制结构的优点如下：\n[0042] a、控制系统元器件少，连接简单，可靠性高，故障率低。\n[0043] b、主光伏板41采用较大功率组件，且正面迎向太阳，受光充足，发电电流大；直流驱动电机30电力供应充足。\n[0044] c、当太阳光正朝控制盒40的正面时，利用两继电器的失电动作，直流驱动电机30与主光伏板41完全断开，直流驱动电机30没有长时间弱电流流过，不存在发热损伤绝缘的问题。\n[0045] d、继电器K1和继电器K2采用延时动作继电器，通过设置合适的直流驱动电机30动作间隔时间，调整跟踪控制精度，有效避免整个系统因水面晃动而时刻发生电机正、反转状况，提升设备的工作可靠性及使用寿命。\n[0046] e、左电池B1和右电池B2只需要驱动继电器的线圈动作，负载轻、功率小、承受反向电流小，避免了彼此同极性串接导致的电池组发热状况，可靠性高，使用寿命长。\n[0047] 根据上述控制结构，本发明还提供了相应的具体实施结构，其安装及工作状态如下：\n[0048] 1)、根据建设地经纬度、气象环境等因数，为整个光伏发电系统设置合适的安装倾角和前后间距。将光伏发电系统布置成图示结构，并采用浮筒、导轨等将作为漂浮基座10而将太阳能电池板阵列漂浮在水面上。\n[0049] 2)、对于图10所示的实施结构，通过在漂浮基座10上甚至在海底固定下立柱82，在下立柱82顶部插入直径稍小一些的上立柱83。上、下立柱之间可自由伸缩，两个立柱截面均为正六边或正八边，也可为其他棱柱型，防止上、下立柱之间旋转。在上立柱83顶部安装回转台81，回转台81顶部与太阳能电池板20中心连接固定。依靠浮筒的浮力，上述各结构可自由漂浮在水面，随着水位的涨落而上下起伏。太阳能电池板20可在回转台81的带动下，利用直流驱动电机30的正、反转，从而产生旋转，实现太阳能电池板20的水面光伏方位角跟踪功能。\n[0050] 而对于如图8-9所示的实施结构，则通过在太阳能电池板20的外围安装固定圆形导轨以形成漂浮基座10，并将多个漂浮基座形成品字型阵列排布。在漂浮基座10接触处，安装如图9所示的互动旋转连接装置。\n[0051] 互动旋转连接装置为：在漂浮基座10的圆形导轨外侧安装两个从动轮70，漂浮基座10的环形内侧安装一个主动轮80。采用压缩弹簧53将主动轮80压紧在漂浮基座10内侧。\n通过直流驱动电机30驱动内圈的主动轮80产生旋转，从而带动漂浮基座10及相应阵列旋转。为增大摩擦力，主动轮80外表面可采用凹槽花纹甚至的齿轮齿条设计。采用压缩弹簧53连接图9所示的两个压板，通过压缩弹簧53自身的弹性缓冲，以避免相邻的漂浮基座间因水力拍击而发生冲击碰撞状况。工作时利用直流驱动电机30的正、反转，从而带动主动轮80产生动作，进而以漂浮基座10的转动进而实现太阳能电池板20的水面光伏方位角跟踪功能。