技术领域

[0001] 本发明涉及清洁能源技术领域， 具体涉及一种能够跟踪光源 （例如太阳） 的运 动的跟日太阳能系统。

[0002] 背景技术

[0003] 随着对环境保护的日益重视， 太阳能系统得到了越来越广泛的应用。 为了提高 对太阳能的利用效率， 一些太阳能系统配备了太阳跟踪功能， 从而成为跟曰太 阳能系统。 太阳跟踪功能主要用于随着太阳方位的变化调 整太阳能系统中的受 光面的方位和姿态， 以使得在受光面的覆盖面积有限的情况下， 尽可能多地接 收到太阳光。

[0004] 跟日太阳能系统通常可分为单轴和双轴两种， 一个轴代表一个旋转自由度。 通 常单轴系统可以提升 20%左右的太阳能利用率； 除了特殊地区 （例如赤道或南北 极） 以外， 双轴系统可以提升 30%以上的太阳能利用率。

[0005] 然而目前跟日太阳能系统的使用仍未普及， 原因之一是为每个受光面配置跟日 装置会显著增加系统成本。 而且， 两个独立运行的跟日装置之间需要具有一定 的间距， 以满足各自的活动空间， 这进一步增加了太阳能系统对地面面积的占 用。 而如果靠增大单个受光面的面积来提高跟日装 置的性价比， 则会导致系统 整体抗风能力下降。

[0006] 发明内容

[0007] 依据本发明提供一种跟日太阳能系统， 包括光能接收装置和第一驱动机构。 其 中， 光能接收装置包括一第一转轴和两个以上的光 能接收单元， 每个光能接收 单元具有至少一个受光面， 每个光能接收单元通过机械连接方式固定在第 一转 轴上； 第一驱动机构包括动力源， 用于对应于光源的移动驱动第一转轴进行旋 转。

[0008] 依据本发明的跟日太阳能系统， 将多个光能接收单元安装在同一个第一转轴上 , 通过共享驱动机构来节省系统成本。 多个光能接收单元可以在垂直方向上层 叠布置， 也可以在水平方向上并排布置， 或者釆用以上两种混合的布置方式。 由于受光面分割在每个光能接收单元中， 使得单个受光面的面积减小， 不影响 系统的整体强度。

[0009] 本发明中的多个光能接收单元与传统的单个光 能接收单元 （内部可以分割成很 多块） 的区别之处包括， 本发明中的每个光能接收单元之内的受光面是 基本连 续的， 而不同单元之间的受光面是不连续的， 并且每个单元都具有独立的安装 支架。

[0010] 以下结合附图， 对依据本发明的具体示例进行详细说明。

[0011] 附图说明

[0012] 图 1是实施例 1的跟日太阳能系统的示意图；

[0013] 图 2是实施例 2的跟日太阳能系统的示意图；

[0014] 图 3是实施例 3的跟日太阳能系统的示意图；

[0015] 图 4是实施例 4的跟日太阳能系统的示意图；

[0016] 图 5是实施例 5的跟日太阳能系统的示意图。

[0017] 具体实施方式

[0018] 实施例 1

[0019] 依据本发明的跟日太阳能系统的一种实施方式 可参考图 1， 包括光能接收装置 1

10和第一驱动机构 120。

[0020] 光能接收装置 110包括一第一转轴 111和两个光能接收单元 112。

[0021] 第一转轴 111的旋转轴线平行于地面， 两个光能接收单元 112通过在垂直方向上 层叠的双层支架 113固定在第一转轴上。

[0022] 本实施例中示例性地示出了两个光能接收单元 ， 显然可以在共享的转轴上安装 更多的光能接收单元。 多个光能接收单元可以采用与图 1类似的方式在垂直方向 上层叠布置， 这将有利于减少对地面面积的占用。 虽然垂直布置的多层太阳能 系统会在其背面产生阴影， 但这在很多应用场景中正是所希望的， 例如河边、 海边、 高速公路两侧的停车场等。 多个光能接收单元也可以在水平方向上并排 布置， 或者采用垂直和水平混合的方式， 形成阵列状的结构。 将多个光能接收 单元支撑在第一转轴上的机械连接结构可根据 其布置方式进行设计， 不再赘述 [0023] 在其他实施方式中， 第一转轴也可以垂直或倾斜于地面， 这取决于设计和安装 的需要。 作为一种优选的实施方式， 在第一转轴的旋转轴线垂直于地面的情况 下， 可以令光能接收装置的重心落在第一转轴上， 这会增加系统的稳固性， 并 有效节省驱动第一转轴的能耗。

[0024] 每个光能接收单元 112具有一个平面受光面 1121， 例如可以是光伏板的表面。

在其他实施方式中， 根据系统设计的需要， 光能接收单元也可以有多个受光面 ， 每个受光面可以是平面也可以是曲面， 由曲率不连续的平面或曲面组合成的 受光面可以视为多个受光面。 当光能接收单元有多个受光面时， 可以将尽量正 对光源的受光面称为正面受光面， 而将设置在正面受光面一侧的受光面称为侧 面受光面。 换言之， 在同一个光能接收单元中， 来自光源的入射光与正面受光 面的中心轴线的夹角小于该入射光与侧面受光 面的中心轴线的夹角。 某些情况 下， 正面受光面可以有多个， 例如沿入射光路依次设置聚光透镜 （或筒状导光 元件） 和光伏板， 则他们的受光面均可视为正面受光面。

[0025] 优选地， 正面受光面由选自如下集合的元件提供： 光伏板， 聚光透镜 （例如菲 涅尔聚光透镜） ， 平面反射镜， 曲面反射镜， 反射式透镜 （例如反射式菲涅尔 透镜） ， 筒状导光元件等。 关于菲涅尔透镜的详细介绍可参见名称为 "菲涅尔透 镜系统"， 公布日为 2016年 6月 2日， 国际公布号为 WO/2016/082097的 PCT申请， 在此不再赘述。

[0026] 优选地， 侧面受光面由选自如下集合的元件提供： 平面反射镜， 曲面反射镜， 反射式菲涅尔透镜等。 通过在正面受光面的至少一侧布置提供侧面受 光面的反 射镜， 能够在只增加很少成本的情况下， 有效增加受光面积， 从而显著提高系 统的输出功率。 为了尽可能多地将侧面受光面接收的光线引导 到正面受光面上 , 在同一个光能接收单元中， 侧面受光面的中心轴线与正面受光面的中心轴 线 的夹角优选地大于 45度且小于 90度。

[0027] 第一驱动机构 120包括动力源 121 , 用于对应于光源的移动驱动第一转轴进行旋 转。

[0028] 作为一种优选的实施方式， 本实施例中的第一转轴并不像在传统的跟日系 统中 那样， 由直接输出到转轴上的扭力来驱动， 而是以推力或拉力的方式来驱动。 具体地， 第一驱动机构 120还包括驱动杆 122， 其垂直于第一转轴 111的旋转轴线 设置， 动力源以推或者拉驱动杆的方式驱动第一转轴 进行旋转。 这种驱动方式 有效降低了对动力源的驱动力的要求， 能够有助于降低系统的重量、 成本以及 能耗。 而且， 以推拉这种直线运动方式进行驱动可以具有自 锁的功能， 有助于 增强系统的抗风强度。

[0029] 本实施例中， 示例性地釆用旋转驱动的可伸缩的螺杆 1211作为动力源的输出结 构， 螺杆 1211通过伸缩带动驱动杆 122的一端上下移动， 驱动杆 122的该端具有 一通孔， 推杆 1211从该通孔中穿过， 并在推拉方向上被限位在该通孔中， 且能 够在与推拉方向垂直的方向上在该通孔中滑动 ， 驱动杆的另一端固定连接到支 架 113上， 从而推动第一转轴 111旋转。 在其他实施方式中， 可根据实际情况选 择适当的驱动结构， 只要不直接以扭力驱动转轴， 而是通过驱动杆的杠杆运动 来推动转轴旋转， 即能达到降低驱动力要求的效果。

[0030] 作为一种优选的实施方式， 本实施例系统还包括图像分析装置 130， 用于通过 采集图像来确定光源的位置， 并据此控制第一驱动机构的工作。

[0031] 传统的跟日系统中通常釆用两种方式来进行太 阳的跟踪： 一种是通过反馈 （例 如来自输出功率的反馈） 来判断光强最大的角度， 另一种是通过 GPS来计算太阳 方位。 而本实施例中则采用图像分析的方式来确定光 源的位置， 从而计算出光 源与光能接收单元的朝向之间的角度差， 或者确定出光能接收装置的受光面的 最佳朝向。 所称光源可以是太阳或最强光源， 当系统周边地形复杂且存在大规 模反射面 （例如玻璃幕墙） 时， 太阳本体可能会被阻挡， 但是能够通过大规模 反射面获得最强光源。 这种基于影像的控制方式不仅精确， 而且成本低廉， 同 吋该图像分析装置还可兼具安全监控的功能。 图像分析装置可以通过有线或无 线通信 （未图示） 的方式控制第一驱动机构的工作。 在其他实施方式中， 当系 统中存在多个驱动机构时， 图像分析装置可分别控制每个驱动机构的工作 。

[0032] 本实施例中， 图像分析装置固定在支架 113的顶部， 从而与第一转轴 111固定连 接， 能够随第一转轴一起转动。 在其他实施方式中， 图像分析装置也可以固定 在系统的固定部分上， 或者独立设置。 当图像分析装置与系统的其他部分物理 分离时， 釆用无线通信方式控制驱动机构的工作将是优 选的。

[0033] 实施例 2

[0034] 依据本发明的跟日太阳能系统的另一种实施方 式可参考图 2， 包括光能接收装 置 210， 第一驱动机构 220和图像分析装置 230。

[0035] 光能接收装置 210包括一第一转轴 211和两个光能接收单元 212。 清楚起见， 图 2 中省去了安装在每层支架上的光能接收单元的 平面受光面， 仅示出了框架。

[0036] 第一转轴 211的旋转轴线垂直于地面， 两个光能接收单元 212通过在垂直方向上 层叠的双层支架 213固定在第一转轴上。 第一转轴同时充当为中心支架， 光能接 收装置的重心落在第一转轴上， 这样既减轻了支架的重量， 又降低了对驱动力 的要求。

[0037] 第一驱动机构 220包括动力源 221和驱动杆 222， 驱动杆 222垂直于第一转轴 211 的旋转轴线设置。 动力源 221通过伸缩运动的推杆 2211带动驱动杆 222的一端左 右摆动， 驱动杆 222的该端从推杆 2211上的通孔中穿过， 能够在与推拉方向垂直 的方向上滑动， 驱动杆的另一端与第一转轴固定连接， 从而推动第一转轴旋转

[0038] 作为一种优选的实施方式， 本实施例中的每个光能接收单元还包括一第二 转轴 2122， 其能够相对于第一转轴进行旋转， 使得本实施例系统成为具有两个转动 自由度的双轴跟日系统。 每个光能接收单元的受光面 （未图示） 固定在第二转 轴上， 每个第二转轴具有各自的第二驱动机构， 例如旋转电机 2123。 在其他实 施方式中， 也可以通过设置传动机构使得所有的第二转轴 共享同一第二驱动机 构。 为了使得双轴系统的角度调整能力最大化， 优选地， 第二转轴的旋转轴线 垂直于第一转轴。

[0039] 此外， 在其他实施方式中， 第二驱动机构也可优选地采用与第一驱动机构 类似 的杠杆驱动方式， 即， 不通过扭力直接驱动第二转轴旋转， 而是通过一驱动杆 以推或者拉的方式驱动第二转轴进行旋转， 从而达到降低对驱动力的要求的效 果。

[0040] 图像分析装置 230独立设置， 通过无线通信方式 （未图示） 控制第一驱动机构 和第二驱动机构的工作。 本实施例中的图像分析装置可以被多个跟日太 阳能系 统所共享， 从而进一步降低系统的成本。

[0041] 实施例 3

[0042] 依据本发明的跟日太阳能系统的另一种实施方 式可参考图 3， 包括光能接收装 置 310和第一驱动机构 320。

[0043] 光能接收装置 310包括一第一转轴 311和四个光能接收单元 312。

[0044] 第一转轴 311的旋转轴线垂直于地面， 四个光能接收单元 312通过在水平方向上 并排布置的支架 313固定在第一转轴上。 第一转轴同时充当为中心支架， 光能接 收装置的重心落在第一转轴上。

[0045] 每个光能接收单元具有一个平面受光面 3121以及一第二转轴 3122, 第二转轴的 旋转轴线垂直于第一转轴。 每个光能接收单元的受光面固定在第二转轴上 ， 每 个第二转轴具有各自的第二驱动机构 （未图示） 。

[0046] 第一驱动机构 320既可釆用传统的扭力驱动方式直接驱动第一 转轴 310旋转， 也 可釆用与实施例 1或 2中类似的以驱动杆驱动的方式 （未图示） 。

[0047] 本实施例示出了一种光能接收单元以水平方式 并排布置的情况。

[0048] 实施例 4

[0049] 依据本发明的跟日太阳能系统的另一种实施方 式可参考图 4， 包括光能接收装 置 410和第一驱动机构 420。

[0050] 光能接收装置 410包括一第一转轴 411和两个光能接收单元 412。

[0051] 第一转轴 411的旋转轴线垂直于地面， 两个光能接收单元 412通过在垂直方向上 层叠的双层支架 413固定在第一转轴上。 第一转轴同时充当为中心支架， 光能接 收装置的重心落在第一转轴上。

[0052] 每个光能接收单元具有一个正面受光面 4121以及三个侧面受光面 4121'。 侧面受 光面可以由廉价的镜面来提供， 从而以极低的成本获得系统效率的大幅提升。

[0053] 第一驱动机构 420既可釆用传统的扭力驱动方式也可以釆用本 发明中提出的推 拉驱动方式。

[0054] 由于在每个光能接收单元的正面受光面周围还 设置了侧面受光面， 能够大大提 升系统对光照角度的适应性， 因此本实施例系统只采用一个旋转自由度就能 达 到很好的太阳能利用效率。 [0055] 实施例 5

[0056] 依据本发明的跟日太阳能系统的另一种实施方 式可参考图 5， 包括光能接收装 置 510和第一驱动机构 520。

[0057] 光能接收装置 510包括一第一转轴 511和两个光能接收单元 512。

[0058] 第一转轴 511的旋转轴线垂直于地面， 两个光能接收单元 512通过在垂直方向上 层叠的双层支架 513固定在第一转轴上。 第一转轴同时充当为中心支架， 光能接 收装置的重心落在第一转轴上。

[0059] 本实施例中的每个光能接收单元可视为一具有 平面受光面的元件 5121与一内表 面为反射面的锥形导光器件 5121 '的组合， 元件 5121位于锥形导光器件 5121 '幵口 较小的另一端； 也可将中间的平面受光面视为正面受光面， 将锥形导光器件视 为四个侧面受光面。

[0060] 每个光能接收单元还包括一第二转轴 5122, 由各自的第二驱动机构 （未图示） 驱动旋转。 轴线垂直于第一转轴。 元件 5121和锥形导光器件 512Γ均固定在第二 转轴上。

[0061] 第一驱动机构 520既可釆用传统的扭力驱动方式也可以釆用本 发明中提出的推 拉驱动方式。

[0062] 作为一种优选的实施方式， 本实施例系统还包括至少一个振动装置 540， 从而 实现一个或多个受光面的自清洁。 振动装置 540包括一振动元件 541及其驱动电 路 （未图示） 。 本实施例中， 振动元件 541安装在锥形导光器件的一个背面。 显 然每个振动元件都可以通过机械连接关系使整 个光能接收单元产生抖动， 但直 接安装振动元件的受光面会具有更好的自清洁 效果， 因此可以根据应用的需要 在多个受光面的背面配置振动装置。 在其他实施方式中， 还可以将振动元件设 置在第一转轴或多层支架上， 使得多个光能接收单元共享同一个振动装置。

[0063] 为了达到良好的振动效果， 振动元件通常工作于共振模态。 需要注意的是， 振 动元件在工作时所具有的"机械共振频率 "不应被理解为孤立的或分离的振动元件 的机械共振频率， 而是振动元件在当前安装状态下的机械共振频 率， 这通常与 振动元件所固定连接的机械结构有关， 可根据实际装置结构， 采用公知数学手 段进行计算， 或者通过实验测量来获得。 [0064] 作为一种优选的实施方式， 振动装置的驱动电路包括串联的至少一个电感 元件 和至少一个电容元件， 使得能够将驱动电路的电路共振频率 C0C设置为与振动元 件的机械共振频率 (om相匹配 （包括相同或接近） 。 本文中所称"频率"均指圆频 率 ω , 对于通常采用 "次 /秒"来表示的机械运动频率 f， 可按照周知的公式 ω=2πί进 行换算。 上述特性可以被简单地表示为 c _C =com=lA/(L*C)， 其中 L和 C分别为与驱 动电路等效的串联 LC回路的电感值和电容值。 当输入驱动电路的驱动信号 （交 变电流或电压） 的频率为 COC时， 振动装置即可工作于机械和电路同吋共振的"� � 共振"状态。 在双共振状态下， 驱动电路的功耗将明显降低， 从而降低自清洁功 能的使用成本。

[0065] 根据不同的机电转换原理， 振动装置可以被设计为不同的类型。 例如， 振动装 置可以是压电振动装置， 振动元件釆用压电元件 （例如压电振动片） ， 其串联 在驱动电路中并同吋充当为驱动电路中的电容 元件； 或者， 振动装置也可以是 电磁振动装置， 振动元件釆用片状受磁材料， 其不是驱动电路的一部分， 驱动 电路通过电感元件激发片状受磁材料产生振动 。

[0066] 需要注意的是， 由于振动元件在工作状态下的"机械共振频率 "与安装结构有关 , 因此可能在安装后产生机械共振频率的漂移。 可以优选地将驱动电路中的电 感元件或电容元件设置为参数可调的元件， 从而在安装后能够对驱动电路进行 参数调整以保持与机械共振频率的匹配。 优选的实施方式是， 对于压电振动装 置， 可以将驱动电路中的电感元件设为可调； 对于电磁振动装置， 可以将驱动 电路中的电容元件设为可调。 相应地， 提供驱动信号的外部电源也应当采用输 出频率可调的交变电源。

[0067] 振动装置可以手动启动， 或者也可以优选地配置控制电路， 定吋地或按照外部 指令或在设定条件下启动振动装置执行淸洁操 作， 以提高自淸洁功能的智能化 程度。 在简单的情况下， 控制电路可以只具备定吋清洁的控制功能。 为了更精 确地控制执行清洁操作的时机， 控制电路也可以根据设定条件来启动清洁操作 。 设定条件可以是设定的气象条件， 例如下雨、 下雪、 刮风等。 设定条件也可 以是发电过剩的情况， 从而可以利用过剩的电能进行预防性清洁， 进一步降低 对能耗的需求。 设定条件还可以是至少一个被振动装置振动的 受光面的清洁程 度。 可通过设置传感器来判断设定条件是否满足， 或者通过进一步配置通信模 块来获取外部指令或天气预报来为控制电路提 供所需要的信息。 通信模块除了 用于与远程的控制中心进行通信以外， 也可用于在多个光能接收装置之间进行 通信 （例如进行状态通知或联动开启） 。 通信模块的通信方式可选自红外通信 , WiFi, 蓝牙通信， 3G/4G/5G通信， 光通信等。

[0068] 除了使用振动装置来进行受光面的自清洁以外 ， 替代地或补充地， 也可采用传 统的清洁方式。 例如， 可配置喷水管道， 吸尘管道或电动刷子等 （未图示） 。 其中， 喷水管道可用于向受光面喷水， 吸尘管道可用于抽吸受光面上的异物， 而电动刷子可用于对受光面进行刷洗。 控制电路可控制喷水管道或吸尘管道与 振动装置同时工作以获得增强地清洁效果。

[0069] 通过配置振动装置， 本实施例系统能够实现自清洁， 从而长期保持高效率地运 行。

[0070]

[0071] 以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式 进行了阐述， 应该理解， 以上实 施方式只是用于帮助理解本发明， 而不应理解为对本发明的限制。 对于本领域 的一般技术人员， 依据本发明的思想， 可以对上述具体实施方式进行变化。 技术问题

问题的解决方案

发明的有益效果