專利名稱：太陽能電池板追日旋轉平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利所屬技術領域是機械傳動，關聯(lián)領域太陽能電池板光伏發(fā)電裝置、鋼結構。
二，背景技術中華人民共和國國家發(fā)展改革委員會能源局所做的《中國“十一五”光伏發(fā)展規(guī)劃建議》中規(guī)劃，我國到2010年光伏發(fā)電量目標裝機總容量達到500兆瓦，約占全國電力裝機容量的0.73‰；到2020年，總裝機容量達到30000兆瓦，約占全國總裝機容量的3％；到2050年，光伏發(fā)電量達到全國總發(fā)電量25％，即1880000兆瓦，2011-2020每年安裝2950兆瓦，2020-2050每年安裝61700兆瓦。光伏發(fā)電將成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的主要能源之一。該公文還證實了實際裝機容量遠遠大于政策規(guī)劃的市場裝機容量。
作為綠色、無污染、成本低廉的永久性能源，光伏發(fā)電不僅適用于每個建筑物，更適用于我國幅員遼闊的交通不便山區(qū)、荒原和邊防。這對于燃料能源日趨緊張的世界性問題來說，光伏發(fā)電的重大意義愈來愈凸現(xiàn)。
無論是單晶硅、多晶硅，還是非晶硅的太陽能電池板，光電轉換率可在20％以上。最近(2007年6月)，美國波音公司子公司Spectrolab有限公司在《應用物理學通訊》雜志稱，他們采用多重接合技術使太陽能電池板的光電轉換率達到40.7％，而理論可達50％以上?？傊夥l(fā)電事業(yè)方興未艾、前途無量。
目前的太陽能電池板的安裝，使板面與地面間的夾角與當?shù)鼐暥认嗤纯桑炼嘣诒卑肭蚨鞂⒋私嵌壤?、夏季減小而已，這些做法的目的都是使陽光直射太陽能電池板，但卻解決不了整個白晝的上午、下午陽光對電池板斜射問題。對于已經(jīng)安裝使用了的電池板來說，陽光對電池板斜射屬于對已經(jīng)到手的太陽能源的浪費。應該把這個浪費撿回來。
三，發(fā)明目的眾所周知，由于地球圍繞太陽公轉的軌道是個橢圓形。就北半球而言，冬天地球處于該橢圓軌道的近日曲線段，離太陽近；夏天離太陽遠。然而冬天離太陽近卻比夏天冷。究其原因乃冬天為太陽斜射地球之故。夏天時節(jié)，北回歸線以南地區(qū)皆有陽光直射的機會。這足以證明陽光直射比斜射被照射物體，所多獲得的能量是極其可觀的。
連向日葵的葵花圓盤都知道轉頸追日，以最大程度地獲取陽光能量。人類也應該去效仿它而獲益。
既然用戶安裝了太陽能電池板，在現(xiàn)有這塊電池板的面積上就得最大程度地獲取太陽能。本專利技術是將太陽能電池板按圓形列陣裝載于旋轉平臺上，其旋轉角速度與地球自轉的角速度同步，即每個白晝0.5轉，使所裝載的太陽能電池板在整個白晝從日出到日落始終追隨太陽的直射，提高光伏效率，從而使現(xiàn)有電池板最大程度地獲取太陽能。
為適應用戶對太陽能電池板發(fā)電量大小需求的不同，按支座構架與傳動裝置之間的圓形支撐軌道的直徑設置系列80米、60米、50米、45米、40米、36米、30米、26米、20米、16米、12米、9米、6米等，可按需要選用。大直徑旋轉體可以設計多重軌道以分擔承重、緩解支座構架的剛度變形。
四，技術方案太陽能電池板按圓形列陣布置在金屬結構的支座構架上，該金屬支座構架被固定在龍骨托架上，即龍骨托架承受著太陽能電池板光伏裝置和金屬支座構架的全部重量。該龍骨托架固定裝設有摩擦輪傳動裝置或銷齒輪傳動裝置的被動輪，上述所有組件構成旋轉體。旋轉體被傳動裝置拖動以每個白晝0.5轉的角速度圍繞系統(tǒng)軸心旋轉，即與地球的自轉速度同步。若系統(tǒng)規(guī)模小，則設計一圈圓形軌道；規(guī)模大則設計多圈軌道。
若采用銷齒輪傳動裝置，車輪被固定在龍骨下方，中碳鋼制造的圓圈軌道被固定在鋼筋混凝土基礎之上(見說明書附1)。
若采用摩擦輪傳動裝置，車輪被固定在混凝土基礎座的上方，中碳鋼制造的圓圈軌道被固定在龍骨之下(見說明書附2)。
為安裝和維護之便，承載太陽能電池板光伏裝置的金屬支座構架上面鋪設鋁合金或花紋鋼板的甲板(見說明書附3中的2)。
整個傳動體系由電機、三級串接的行星擺線針輪減速機、摩擦輪傳動裝置或銷齒輪傳動裝置的主動輪，最后拖動摩擦輪傳動裝置或銷齒輪傳動裝置的被動輪完成整個傳動。如果選用同步轉數(shù)每分鐘1000轉的六極電機，總減速比130萬；若選用同步轉數(shù)每分鐘750轉的八極電機，總減速比97.5萬。直徑小、發(fā)電規(guī)模小的系統(tǒng)可選用一臺電機及其驅動裝置；隨規(guī)模增大，可選用二臺或多臺電機及其驅動裝置。在多于一臺時，要均布在同一圓周上。
用戶選擇摩擦輪傳動還是銷齒輪傳動，要結合規(guī)模大小、安全可靠、建造成本、維護簡易等諸因素決定?？傊?，這兩種傳動在世界范圍內(nèi)用于旋轉平臺和旋轉餐廳都是可行的，技術是成熟的。選擇摩擦輪傳動的話，主動輪是圓柱輪，被動輪可以是圓盤輪(見說明書附2中的件5)或圓柱輪。三級行星擺線針輪減速機輸出軸通過聯(lián)軸器將轉數(shù)傳給主動摩擦輪。在主動摩擦輪與被動摩擦盤之間的法向壓力調(diào)整，可通過三級行星擺線針輪減速機與主動摩擦輪共用聯(lián)合底座，然后用螺旋調(diào)整聯(lián)合底座與被動摩擦盤之間的距離來實現(xiàn)。聯(lián)合底座的安裝平面須是斜面。
為了確保旋轉體能準確圍繞軸心線旋轉，在軸心設有定心軸裝置。還有一個必須要發(fā)生的問題是，當太陽能電池板光伏裝置隨旋轉體一起旋轉時，其發(fā)電的正負極引線也必然一起旋轉并絞纏、扭斷。為解決此問題，將定心軸設計成空心軸，正負極引線從空心軸穿過，分別連接到兩個彼此絕緣的銅制滑環(huán)(見說明書附3中的件6、12)上，滑環(huán)外分別與正負極碳刷接觸。滑環(huán)隨空心軸一起轉動，碳刷借助彈簧力輕壓在滑環(huán)外圓柱面上，正負電流從兩個碳刷引出到系統(tǒng)外。碳刷上方須設計防雨。定心軸裝置內(nèi)設有件9限位止推盤，用以限制旋轉體軸心處的垂直撓度。
該定心軸裝置不僅可起到防止旋轉體被移位，同時其中的卡環(huán)(見說明書附3中的件10)與支座組合件(見說明書附3中的件8)的結構設計對地震傾覆、風載吹翻可起到一定的設防作用。依當?shù)氐卣鹪O防、氣象資料設計。
由于安裝太陽能電池板用戶所處緯度和季節(jié)的不同，實際上旋轉體在一個白晝的旋轉角度不一定是180度(例如北半球夏季，隨緯度增高白晝漸長)。一般情況，一個白晝按11小時算，則其余13小時的非白晝可使旋轉體繼續(xù)旋轉，復位到早晨迎接太陽的位置。這樣，可以不設計專為復位用的逆向運轉機構，也沒有必要選用調(diào)速電機或調(diào)速減速機，這樣可降低成本。只在到達終點時設限位開關并定時日出啟動電機即可。
尤其當太陽能電池板列陣布置在直徑較大的金屬支座構架上時，金屬支座構架制作及龍骨托架設計、計算應考慮用戶當?shù)氐牡卣鹪O防烈度、風載荷及雪載荷。旋轉軌道設計應考慮旋轉體對地震的防傾覆機構和防止風載吹翻系統(tǒng)，例如塔式起重機在其軌道處的防傾覆機構。
五，有益效果1，在沒有應用此項追日旋轉平臺之前，太陽能電池板只在“正晌午時”那一剎那才能被陽光直射。顯然，其余全部白晝?yōu)樾鄙洹６鴳么隧椉夹g后，使電池板在全部白晝時間內(nèi)接受陽光直射，從而最大程度地直接提高了同一電池板的光伏效率。
2，此項技術為太陽能電池板光伏裝置大型化提供了條件。因為本技術旋轉體設計考慮了用戶當?shù)氐牡卣鹪O防烈度、風載荷及雪載荷、旋轉體對地震的防傾覆和風載的防吹翻機構。而這些因素是太陽能電池板大型化必須面臨、必須解決的問題。
3，旋轉體要耗電。例如，按直徑50米圓盤列陣的太陽能電池板，旋轉體總重80噸，由三個0.5千瓦電機驅動即可。而安裝追日旋轉平臺后增加的光伏電力可達電機耗電的16倍以上。
4，為太陽能電池板大型化提供了實施的基礎，規(guī)模大則效益愈顯，必然導致使完成國家發(fā)展改革委員會的《中國“十一五”光伏發(fā)展規(guī)劃建議》中我國到2010年、2020年、2050年光伏發(fā)電量的目標成為可能。
六，圖面說明說明書附圖共4頁。


圖1給出的是采用銷齒輪傳動裝置的總體系統(tǒng)主視圖。圖1中的1固定的外圈軌道與作圓周運行的車輪組合件，2立式三級行星擺線針輪減速機與銷齒輪傳動裝置，3定心軸裝置，4龍骨，5固定的內(nèi)圈軌道與作圓周運行的車輪組合件，6金屬支座構架，7太陽能電池板光伏裝置。
圖2給出的是采用摩擦輪傳動的總體系統(tǒng)主視圖及傳動裝置放大圖。圖2中的1金屬支座構架，2定心軸裝置，3太陽能電池板光伏裝置，4臥式三級行星擺線針輪減速機與摩擦輪傳動裝置，5摩擦盤，6主動摩擦輪及其支撐軸，7主動摩擦輪支座，8聯(lián)軸器，9聯(lián)合底座。
圖3是定心軸裝置主視圖。圖3中的1太陽能電池板光伏裝置，2甲板，3金屬支座構架，4龍骨，5正極碳刷，6滑環(huán)，7空心軸，8支座組合件，9限位止推盤，10卡環(huán)，11負極碳刷，12滑環(huán)。
圖4是銷齒輪傳動裝置布置圖。圖4中的1太陽能電池板光伏裝置，2甲板，3金屬支座構架，4龍骨，5被動銷齒輪，6主動銷齒輪，7立式三級行星擺線針輪減速機，8減速機座架，9地腳螺栓，10混凝土基礎。
七，具體實施方式
按減速比定制臥式或立式三級行星擺線針輪減速機。驅動電機可選用交流電機或直流電機，可隨減速機一起供貨。采用直流電機的優(yōu)點是可直接使用太陽能電池板光伏裝置獲得的直流電。如果該成套設備安裝地點的交流電源方便，也可采用交流電機，例如六極電機，其異步轉數(shù)約985轉/分，為實現(xiàn)每個白晝0.5轉的角速度，總減速比130萬。
說明書附圖3中，太陽能電池板光伏裝置的發(fā)電正負極引線從定心軸裝置的空心軸內(nèi)的二個小孔引到滑環(huán)，滑環(huán)與空心軸之間皆相互絕緣，光伏裝置所發(fā)出的正負電流從碳刷取出?？招妮S采用珠光體不銹鋼2Cr13較宜，可用焊接或螺栓聯(lián)接將其固定在件4龍骨上。件10卡環(huán)是由一對經(jīng)調(diào)質熱處理的45號鋼半環(huán)組成?？ōh(huán)、空心軸與件8支座組合件的共同作用可防止旋轉平臺向上串動，即能對地震設防及防止旋轉平臺被風載吹翻?？ōh(huán)剪切面計算要充分考慮地震和風載。件8支座組合件的支座體實質是個滑動軸承座，體外設黃油杯以向空心軸與支座體之間的滑動圓柱面注入潤滑脂。支座體是由兩個對稱的半圓柱體對合而成，目的是夾住套在空心軸上的卡環(huán)，支座體的外圓柱面用箍環(huán)夾緊，箍環(huán)也是對稱的一對，在箍環(huán)的凸緣上有螺栓孔，箍環(huán)夾緊支座體是由凸緣上的螺栓完成的。支座體通過螺栓連接在下方的鋼底座，鋼底座被固定在混凝土基礎的地腳螺栓上。設置鋼底座可方便定心軸裝置與支座組合件的安裝及維修拆裝。
定心軸裝置與支座組合件的尺寸取決于光伏裝置規(guī)模及用戶當?shù)氐牡卣鹪O防烈度、氣象條件等。
以太陽能電池板列陣布置按直徑50米的圓盤為例，其旋轉體總重約80噸。在直徑30米的圓周上均勻設置三臺0.5千瓦驅動電機，即三臺機相互間隔120度角。與之對應，摩擦輪傳動裝置或銷齒輪傳動裝置的主動輪及其之前的傳動系統(tǒng)也需要三套。同時，設計二條圓圈軌道。若對于太陽能電池板列陣布置直徑小于20米的圓盤，采用一臺驅動電機、一套傳動裝置、一條圓圈軌道即可。
訂購直聯(lián)型立式三級行星擺線針輪減速機機組(型號LSD0.5-1285A一21199)。其六個極的驅動電機與第一級行星擺線針輪減速機聯(lián)在一起。按三臺行星擺線針輪減速機串接，第一級、第二級和第三級的減速比分別是43、29、17。則此三級的減速比共為21199。第四級減速即最后一級減速是由摩擦輪傳動或銷齒輪傳動完成，該級減速比是61，這樣，總減速比為130萬。摩擦輪傳動裝置或銷齒輪傳動裝置的被動輪直徑30000mm，則摩擦輪傳動或銷齒輪傳動的主動輪直徑493mm，該主動輪的軸孔直徑180mm，即與三級行星擺線針輪減速機機組輸出軸直徑相同。
金屬構架支座在一般情況下選用焊接組合的鋼結構，也可選用焊接與高強螺栓聯(lián)合組合的鋼結構，例如南京長江大橋的鋼結構。在無電地區(qū)安裝可設計為須用扭矩扳手安裝的高強螺栓組合的鋼結構。
金屬支座構架與摩擦輪傳動裝置或銷齒輪傳動裝置的被動輪的交接須有龍骨托架連接。
若是銷齒輪傳動，龍骨托架上裝設圓周運行的車輪機構，圓圈軌道承載車輪及旋轉體重量。圓圈軌道設計成二圈在直徑40米、20米處。軌道被固定在鋼筋混凝土基礎之上。外圓軌道設32個車輪，內(nèi)圓設16個車輪。在外圈軌道外側，在8個車輪支座上均勻布設防傾覆扣以防止旋轉體系統(tǒng)受地震傾覆或風載荷吹翻。
權利要求
1，凡是用于裝載太陽能電池板光伏發(fā)電系統(tǒng)的旋轉平臺，其旋轉角速度與地球自轉同步，其目的是使所裝載的太陽能電池板在整個白晝從日出到日落追隨太陽的直射，從而使已安裝使用的太陽能電池板盡量多地獲取太陽能。
2，由金屬支座構架支撐太陽能電池板光伏裝置的重量并組成旋轉體，電機及其所拖動的具有極高減速比的機械傳動裝置拖動旋轉體旋轉，為實現(xiàn)使太陽能電池板追日旋轉，由電機的高轉數(shù)到太陽能電池板每個白晝0.5轉的極低轉數(shù)，是通過三級行星針輪擺線減速機串接，最后由摩擦輪傳動裝置或銷齒輪傳動裝置完成的總體減速。
3，旋轉體軸心的定心軸裝置具有四種功能防止旋轉體在旋轉過程中被平面移位；防止光伏電流正負極引線在旋轉過程中扭斷；對旋轉體的地震設防；防止旋轉體被風載吹翻。
4，為適應對太陽能電池板光伏發(fā)電量規(guī)模需求的不同，按金屬構架支座與傳動裝置之間的圓形支撐軌道的直徑設置系列60米、50米、45米、40米、36米、30米、26米、20米、16米、12米、9米、6米等。
全文摘要
目前的太陽能電池板的安裝，使其與地面間的夾角與當?shù)鼐暥认嗤纯?，為了讓電池板盡量多地吸收太陽能，充其量在北半球冬天將此角度拉大、夏季減小而已，這些做法的目的都是使陽光適應季節(jié)變化以直射太陽能電池板，但卻解決不了整個白晝的上午、下午陽光對電池板斜射問題，本技術是將太陽能電池板裝載于旋轉平臺上，其旋轉角速度與地球自轉速度相同，使所裝載的太陽能電池板在整個白晝始終追隨太陽的直射，從而使已有電池板最大程度地獲取太陽能，設計中不僅解決正負極引線因平臺旋轉帶來的絞纏，而且對地震傾覆、風載吹翻俱有設防，為適應對太陽能電池板發(fā)電量大小需求的不同，按金屬構架支座與傳動裝置之間的圓形支撐軌道的直徑設置系列80米、60米、50米、45米、40米、36米、30米、26米、20米、16米、12米、9米、6米等，用戶可按需要的規(guī)模選用。
文檔編號G05D3/00GK101056076SQ20071011131
公開日2007年10月17日 申請日期2007年6月18日 優(yōu)先權日2007年6月18日
發(fā)明者馬兆瑞 申請人:馬兆瑞