太阳能双轴跟踪系统技术综述

张毅

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心

摘要：随着太阳能的广泛利用，如何提高对太阳能的利用率，成为太阳能利用的焦点之一。本文主要针对有关太阳能双轴跟踪系统的专利文献的分布情况以及太阳能双轴跟踪系统的主要特点进行分析，了解太阳能双轴跟踪系统的发展情况，为光伏跟踪系统的进一步研究及专利审查提供参考，有利于提高我们今后关于太阳能双轴跟踪系统的审查效率。

关键词：太阳能双轴跟踪专利光伏

1太阳能跟踪系统

当今，利用太阳能发电已成为新能源利用的一种重要的方法。太阳能光伏阵列是实现光电转换的主要器件，光伏系统的发电量大小除了与电池板功率和运行状况有关外，还与能量的转换效率有关，直接影响性能的好坏。因此太阳能光伏组件阵列的安装和跟踪方式对太阳能发电系统的效率影响非常大。

2太阳能双轴跟踪系统的工作原理与分类

双轴自动跟踪系统一般分为电控和机械两大部分，下图2.1为太阳能双轴跟踪系统的支架示意图。

该跟踪器采用地平坐标系跟踪方式,主要由水平回转转台、垂直回转转台、两台步进电机以及太阳能台架组成。太阳能板固定在台架平面上，水平转台相当于太阳能板的方位轴，由一台步进电机驱动，绕垂直于当地水平面的轴旋转，用以跟踪太阳的方位角；另一台步进电机驱动同步带轮带动丝杠螺母旋转，使丝杠进行直线运动，相当于改变俯仰轴转角用以改变台架的倾斜度，从而跟踪太阳的高度角。

3专利技术现状分析

有关光伏双轴跟踪系统的分类号比较多，现有的太阳能双轴跟踪系统的国际专利分类号也主要集中在G05D3/00（位置和方向的控制）、F24J2/00（太阳能利用，如集热器）、H02N6/00（光辐射直接转变为电能的发电机）、H02S20/32（光伏支架）四个分类号下面，各个分类号从不同的功能或应用的角度描述了该系统，作者分别在中国专利摘要库（CNABS）与VEN专利数据库中（其包含DWPI和SIPOABS库），通过IPC分类号与关键词进行联合检索，考虑到该控制技术是在国内外的太阳能热之后兴起的，故将检索对象限定在全球公开日或公告日在2004-2015年之间（本文中所有数据库统计日期截止到2015年6月20日）的发明和实用新型专利申请，并对检索结果进行了统计分析。

（一）、世界范围内专利申请情况

3.1、世界专利申请年代分布

由图3.1可以看出，太阳能双轴跟踪系统专利申请数量从2007年开始呈现增长趋势，2004年之前专利申请数量只有1件，随后的几年申请量也一直低迷。从2008年开始，世界申请量开始大量增长，并且在2012年时达到了高峰，2013年后申请量开始下降。

根据图3.1的数据，可以将太阳能双轴跟踪系统的发展分为3个阶段，2008年之前，2008－2012年，2013年之后。2008年之前，太阳能双轴跟踪系统一直处于初步发展阶段，技术的不成熟使得专利申请量很少。2008年开始，随着上述主要技术难题的突破，太阳能双轴跟踪系统开始呈现爆棚式的商业化增长趋势，此阶段的申请量剧增。2013年后随着技术的逐渐成熟，太阳能双轴跟踪系统的申请量出现递减，并随后开始保持平衡发展。

3.2、国家和地区分布

下图2示出了世界范围内太阳能双轴跟踪系统的专利申请按国家和地区统计的分布情况。从图3.2中可以看出，我国在太阳能双轴跟踪发电的专利申请远远大于其他国家，且申请人主要是国内企业和研究所。由此可知，我国在太阳能双轴跟踪系统投入较大，因为我国在西部地区和沿海地区地广人稀，各种风能和太阳能发电设施都在不断增长中。但通过对国内专利的仔细阅读发现，国内的大多专利申请都处于对太阳能跟踪装置的结构进行改进的的阶段，其对提高光电能量转换效率的研发较少。

（二）、国内专利申请分析

3.3、国内专利的分布情况

图3.3示出了中国申请的分布情况。结合图3.3和图3.1可知，中国专利申请与世界各国的专利申请趋势基本相同。2007之前的申请量较少，此时，我国在太阳能双轴跟踪发电技术刚刚起步，研发人员致力于技术的研究。2008年开始，随着国际上对此技术研究的逐渐成熟以及我国在此方面的不懈努力，国内专利申请量开始增加，并逐年增长。2013年后到现在，因为市场已经比较成熟，所以申请量有所减少。

3.4、申请人分析

由表1可以看出，国内的太阳能双轴系统专利申请人以公司、大学为主，而公司占了绝对优势。结合图3.1、图3.2，不难得出，我国在世界上的申请量占大部分。下面就以上述的排名前10的申请人公开的专利为例，来分析我国申请人对太阳能双轴跟踪技术的贡献。

4技术演进路线与技术发展展望

图4.1公开号为US4408595是在SIPOABS库中检索到较早的一份关于太阳能双轴跟踪的研究，公开日为1983年10月1日。其公开了一种带有凹透镜40和离散反射面32的塔楼式太阳能聚光装置，其能够通过俯仰电机和方位电机进行双轴跟踪。此时还处于太阳能双轴跟踪的结构方面的研究，俯仰和方位调整结构已见雏形，但其是应用于聚光领域的（F24J2+），而且没有自动追踪装置。

而公开号为：US5512742A的专利是在DWPI库中检索到的一份关于具有太阳光传感器的专利文献，介绍了一种带有传感器22的太阳能聚热装置。其已经公开了一种简单的自动跟踪系统，从而实现180°~90°的角度跟踪。

同时期，公开号为：CN2380870Y在CNABS库中检索到的较早的一份王存义先生（表1中申请人之一）关于光伏双轴跟踪的专利文献，申请日期为1998年1月26日，文中也是介绍了一种太阳能双轴跟踪聚光器，其自动跟日机构是极轴式的，并且其跟踪速度可调。同时期，王存义先生还发表了多篇太阳能双轴跟踪的装置的专利，其大多数都是太阳能聚光装置，限于当时的控制技术的发展，其大多数都偏向于纯机械控制。

经过多年的发展历程，光伏双轴跟踪技术已经发展得日趋成熟，在公开号为:EP1632786A1，公开日期为2006年8月3日的申请中，基于太阳能光伏板的双轴跟踪的技术已经出现了，其不再限于聚光领域，更多的是采用结构更为简单的太阳能板来作为换能器件。

随后太阳能双轴跟踪领域开始在国内普及和发展，概括而言，太阳能双轴跟踪的发展趋势、性能指标要求及相应的解决方案可以表述为以下几点：

1）结构简单，制作容易。如CN29091107Y采用了太阳能电池的双轴跟踪太阳装置。其结构简单，占地面积少，并且采用了视日跟踪。

2）控制精度高。如公开号为：CN101576751A的专利提供了一种闭环控制的双轴跟踪装置，采用位置传感器倍频技术大幅度提高位置精度，从而提高太阳能设备对太阳能的利用率。

3）光伏发电与具体的家庭或者城市的LED照明系统结合，实现能源的自给自足。如公开号为：CN201421017Y的专利提出了一种基于光伏双轴跟踪系统的城市光伏系统，其通过变换电路和蓄电池进行电力存储，并在必要的时候给LED照明系统供能，这种思路使得光伏系统逐渐走向城市和家庭，大大拓宽了其应用领域。

4）全天候工作。公开号为：CN2014670296U的专利公开了一种能够应对各种天气的双轴跟踪系统，其使得跟踪精度进一步提高，并且能够提高装置的可靠性，使其能够应对各种天气。

5）小型化，低功耗趋势。公开号为：CN202694157U中公开了一种基于单片机和步进电机控制的太阳能双轴跟踪装置，其通过对控制装置进一步小型化来实现太阳能的采集。

5小结

由于世界经济的快速发展，世界各国对能源的需求与日俱增，能源危机的日益加重，地球资源已无法满足高速发展的世界经济。太阳能双轴跟踪发电作为新型能源，其聚光倍数高、热转化效率高的优点，将使其成为能源供应不可或缺的角色

参考文献

专利数据库：CNABS，SIPOABS，DWPI；

非专利：

[1]张国新等.基于DSP的太阳能双轴跟踪控制系统的设计[J].机电产品开发与创新，2015年5月。

[2]宋孝炳等.高精度太阳能双轴跟踪器的设计研究[J].电气自动化,2013年1月。

[3]郑小年等.太阳跟踪方法及应用[J].能源技术,2003年4月。