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一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构
申请号	CN202410060310.6	申请日	2024-01-16	公开(公告)号	CN117833809A	公开(公告)日	2024-04-05
申请人	广东工业大学; 华中科技大学;			发明人	徐燊; 廖维; 何秋国; 沈念俊; 崔国游; 吴玉杰; 李辉; 陈淑琴; 王明豪;
摘要	一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，包括光伏板以及位于光伏板上方的板面自清洁组件，板面自清洁组件包括位于光伏板两侧的支撑架，两侧支撑架上滑动连接有清洁单元，清洁单元包括与光伏板间隔设置的刮板，刮板的底部设有刮刀，清洁单元还包括位于刮板斜下方的冲水管，冲水管上设有多个朝向刮刀上表面的导流管，清洁单元还包括位于刮板斜上方的旋转杆，旋转杆的外侧面上包裹有吸水材料。通过增设板面自清洁组件，可以对光伏板的板面实现自动清洁，并且通过先水流冲刷、再刮板刮除、最后吸附擦干的工作流程，能够提升杂质的清除效果。
权利要求	1.一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，其特征在于，包括光伏板以及位于光伏板上方的板面自清洁组件，所述板面自清洁组件包括位于所述光伏板两侧的支撑架，所述支撑架的轮廓呈直槽口状，所述两侧支撑架上滑动连接有清洁单元，所述清洁单元包括与所述光伏板间隔设置的刮板，所述刮板的底部设有刮刀，所述清洁单元还包括位于所述刮板斜下方的冲水管，所述冲水管上设有多个朝向所述刮刀上表面的导流管，所述清洁单元还包括位于所述刮板斜上方的旋转杆，所述旋转杆的外侧面上包裹有吸水材料，所述旋转杆用于清洁并擦干所述光伏板表面的水分。 2.根据权利要求1所述的一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，其特征在于，所述支撑架的内侧面开有第一滑槽，所述刮板的上部设有连接杆，所述连接杆的两端转动连接有与所述第一滑槽相配合的滚轮，所述清洁单元通过所述滚轮沿所述第一滑槽作逆时针方向的转动。 3.根据权利要求2所述的一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，其特征在于，所述支撑架背离所述光伏板一侧的侧面上开有第三滑槽，所述连接杆的端面设有限位件，所述限位件的自由端伸入所述第三滑槽中并与所述第三滑槽滑动连接。 4.根据权利要求3所述的一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，其特征在于，所述支撑架的外侧面上开有第四滑槽，所述第四滑槽位于所述支撑架远离所述光伏板的上半部分，所述支撑架的顶部设有采用弹性材料制成的遮裆布，所述遮挡布的一端与所述第四滑槽的一端固定连接，所述遮裆布的另一端设有与所述第四滑槽滑动连接的磁性滑动块，所述限位件的自由端采用磁性材料制成并与所述限位件的自由端异性相吸。 5.根据权利要求1所述的一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，其特征在于，所述支撑架朝向所述光伏板一侧的侧面上开有第二滑槽，所述旋转杆的两端转动连接有限位轴，所述限位轴伸入第二滑槽中并与所述第二滑槽滑动连接，通过所述限位轴保持所述清洁单元运行过程中不会发生偏转。 6.根据权利要求1所述的一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，其特征在于，所述刮刀包括背离所述刮板方向依次设置第一连接板及第二连接板，所述第一连接板及所述第二连接板的厚度方向与所述光伏板的板面垂直，所述第一连接板与所述刮板之间通过第一转轴实现转动连接，所述刮板上设有用于防止所述第一连接板逆时针转动的第一限位片，所述第一转轴沿长度方向设有第一复位弹簧；所述第一连接板与所述第二连接板之间通过第二转轴实现转动连接，所述第一连接板上设有用于防止第二连接板顺时针转动的第二限位片，所述第二连接板远离所述第二转轴的端部呈楔形状，所述第二转轴沿长度方向设有第二复位弹簧。
说明书全文	一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构技术领域 [0001] 本发明属于光伏建筑一体化技术领域，具体涉及一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构。技术背景 [0002] 随着化石能源的持续消耗，全球陷入了能源短缺及生态环境污染严重的危险境地，对此，寻找及运用新能源成为了当前整个人类社会发展的核心进程。太阳能作为一种可再生且清洁的新兴能源，极为符合可持续发展的环保理念，与之相关的太阳能光伏发电也逐渐成为了电力系统多元化发展的重点标致。 [0003] 基于光伏发电对光照的大量需求，建筑屋顶成为了安装光伏板的理想区域，并且达到了屋顶空间充分利用的有益效果。然而，光伏板长期暴露于室外空气环境中，其表面会被灰尘树叶等物质覆盖，一方面使得光伏板表面玻璃的透射率降低，导致投射到光伏电池表面的太阳辐射量减少，影响发电效率；另一方面，在持续光照下，使得被遮盖的部分升温远远大于未被遮盖部分，形成热斑，严重时会对光伏板造成不可逆转的损坏。 [0004] 当前，主要采用如下几种方式对光伏板进行清洁： [0005] 1、高压水枪冲洗，喷射方向及压力的控制极为关键，水压过大时会造成光伏板的隐裂，另外，水洗后通常自然晾干，晾干后光伏板表面的水渍形成微型阴影遮挡； [0006] 2、机械化清洗车，配套齐全，清洁能力强，但是受场地限制、环境的限制，整体局限性明显； [0007] 3、人工清洗，工作效率低，高空作业危险性高。发明内容 [0008] 有鉴于此，本发明意在提供一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，以解决现有技术中光伏板自清洁能力差的技术问题。 [0009] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案： [0010] 一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，包括光伏板以及位于光伏板上方的板面自清洁组件，板面自清洁组件包括位于光伏板两侧的支撑架，支撑架的轮廓呈直槽口状，两侧支撑架上滑动连接有清洁单元，清洁单元包括与光伏板间隔设置的刮板，刮板的底部设有刮刀，清洁单元还包括位于刮板斜下方的冲水管，冲水管上设有多个朝向刮刀上表面的导流管，清洁单元还包括位于刮板斜上方的旋转杆，旋转杆的外侧面上包裹有吸水材料，旋转杆用于清洁并擦干光伏板表面的水分。 [0011] 优选的，所述支撑架的内侧面开有第一滑槽，所述刮板的上部设有连接杆，所述连接杆的两端转动连接有与所述第一滑槽相配合的滚轮，所述清洁单元通过所述滚轮沿所述第一滑槽作逆时针方向的转动。 [0012] 优选的，所述支撑架背离所述光伏板一侧的侧面上开有第三滑槽，所述连接杆的端面设有限位件，所述限位件的自由端伸入所述第三滑槽中并与所述第三滑槽滑动连接。 [0013] 优选的，所述支撑架的外侧面上开有第四滑槽，所述第四滑槽位于所述支撑架远离所述光伏板的上半部分，所述支撑架的顶部设有采用弹性材料制成的遮裆布，所述遮挡布的一端与所述第四滑槽的一端固定连接，所述遮裆布的另一端设有与所述第四滑槽滑动连接的磁性滑动块，所述限位件的自由端采用磁性材料制成并与所述限位件的自由端异性相吸。 [0014] 优选的，所述支撑架朝向所述光伏板一侧的侧面上开有第二滑槽，所述旋转杆的两端转动连接有限位轴，所述限位轴伸入第二滑槽中并与所述第二滑槽滑动连接，通过所述限位轴保持所述清洁单元运行过程中不会发生偏转。 [0015] 优选的，所述刮刀包括背离所述刮板方向依次设置第一连接板及第二连接板，所述第一连接板及所述第二连接板的厚度方向与所述光伏板的板面垂直，所述第一连接板与所述刮板之间通过第一转轴实现转动连接，所述刮板上设有用于防止所述第一连接板逆时针转动的第一限位片，所述第一转轴沿长度方向设有第一复位弹簧；所述第一连接板与所述第二连接板之间通过第二转轴实现转动连接，所述第一连接板上设有用于防止第二连接板顺时针转动的第二限位片，所述第二连接板远离所述第二转轴的端部呈楔形状，所述第二转轴沿长度方向设有第二复位弹簧。 [0016] 本发明的有益效果在于： [0017] (1)与现有技术相比，通过增设板面自清洁组件，一方面可以对光伏板的板面实现自动清洁，减小人工消耗，并且高频次的清洁不仅可以确保光伏板的日常工作效率，而且能够避免杂质因长时间堆积并固化于光伏板的表面对光伏板造成侵蚀、破坏；另一方面，通过先水流冲刷、再刮板刮除、最后吸附擦干的工作流程，能够提升杂质的清除效果。 [0018] (2)通过清洁单元带动遮挡布伸缩，使得夜间遮挡布能够对光伏板进行遮挡，避免光伏板非工作期间暴露于灰尘环境中，从根本上减少杂质对光伏板的覆盖。 [0019] (3)通过对刮刀进行改性，使得刮刀对杂质的作用力方向发生改变，即在剪切力的基础上增加了一个斜向上的推力，有利于推动杂质从光伏板表面脱离。附图说明 [0020] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明： [0021] 图1为本发明实施例一中一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构的整体示意图； [0022] 图2为图1中A1处的放大图； [0023] 图3本发明实施例一中旋转杆的结构示意图； [0024] 图4为本发明实施例一中一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构的整体示意图； [0025] 图5为图4中A2处的放大图； [0026] 图6为本发明实施例二中遮挡布的结构示意图； [0027] 图7为图6中A3处的放大图； [0028] 图8为本发明实施例三中刮刀的结构示意图； [0029] 图9为图8中A4处的放大图。 [0030] 附图中标记如下： [0031] 光伏板安装组件1、支撑柱11、第一横梁12、第一光伏板13、第二光伏板14、[0032] 倾角调节组件2、第一伺服电缸21、第二伺服电缸22、 [0033] 板面自清洁组件3、支撑架31、第一滑槽311、第二滑槽312、第三滑槽313、第四滑槽314、清洁单元32、连接杆321、刮板322、刮刀3221、第一连接板32211、第二连接板32212、第一转轴32213、第二转轴32214、第一复位弹簧32215、第二复位弹簧32216、第一限位片 32217、第二限位片32218、滚轮323、齿轮3231、冲水管324、导流管3241、水管连接块3242、旋转杆325、限位轴3251、防尘罩326、防尘罩连接块3261、驱动电机327、限位件328、限位杆 3281、限位块3282、遮挡布329、磁性滑动块3291 具体实施方式 [0034] 实施例一，具体见图1‑图9。 [0035] 如图1所示，一种多功能节能型光伏建筑屋顶结构，包括光伏板安装组件1、位于光伏板安装组件1两侧的倾角调节组件2以及位于光伏板安装组件1上方的板面自清洁组件3。 [0036] 如图1所示，光伏板安装组件1包括两侧的支撑柱11以及用于连接两侧支撑柱11的第一横梁12，本实施例中，支撑柱11的顶部开有的固定孔，固定孔与第一横梁12的直径一致，第一横梁12的两端分别穿过两侧的固定孔，通过将第一横梁12与固定孔的连接处进行焊接实现两者的固定。本实施例中，可选螺纹连接、混凝土浇筑、焊接等作为支撑柱11的固定方法，其中，优选混凝土浇筑对支撑柱11的底部进行固定，一方面混凝浇筑形成的固定座抗侵蚀能力强，另一方面，混凝土固定座自身自重能够有效提升整个光伏板构件的稳定性。 [0037] 第一光伏板13及第二光伏板14分别位于第一横梁12的两侧且均向下倾斜，其中第一光伏板13与第二光伏板14的宽度一致且宽度值等于两侧支撑柱11之间的间距。第一光伏板13靠近第一横梁12的一端设有第一套筒，本实施例中，第一光伏板13与第一套筒一体成型，第一套筒的长度为第一光伏板13宽度的二分之一，第一套筒的内径与第一横梁12的直径一致，第一光伏板13通过第一套筒与第一横梁12实现转动连接。 [0038] 同样，第二光伏板14靠近第一横梁12的一端设有第二套筒，第二光伏板14与第二套筒一体成型，第二套筒的长度为第二光伏板14宽度的二分之一，第二套筒的内径与第一横梁12的直径一致，第二光伏板14通过第二套筒与第一横梁12实现转动连接。通过上述光伏板安装组件1将两块光伏板组装呈开口朝下的三角状，一是可以降低单块光伏板对单位面积的占比，二是光伏板远离地面，防止地面的污染物对光伏板造成负面影响。 [0039] 需要重点强调的是，本实施例中，为了光伏板充分接受光照，第一光伏板13的迎光面朝向日出方向，即正东方位，第二光伏板14的迎光面朝向日落方向，即正西方位。 [0040] 研究表明，太阳光的入角度对光伏板的发电效率具有显著影响，具体表现为：光线与光伏板的入射角较小时能够减少光的反射量，从而增加热辐射强度，提升光伏板的发电功率，然而，太阳东升至西落过程中，光线的入射角是时刻变化的。需要补充说明的是，本实施例中，入射角是指光线与入射表面法线的夹角，其中入射表面即为光伏板的迎光面。基于此，为了通过减小入射角提升发电功率，本实施例中，于光伏板安装组件1的两侧增设倾角调节组件2。 [0041] 如图1所示，倾角调节组件2包括第一调节部及第二调节部，其中第一调节部对应第一光伏板13，第二调节部对应第二光伏板14。 [0042] 第一调节部位于第一光伏板13的下方且处于第一光伏板13竖向投影范围内，如图1所示，第一调节部包括第一伺服电缸21，第一伺服电缸21的底部与地面螺纹连接，第一伺服电缸21的活塞杆与第一光伏板13的背光面相抵，于第一光伏板13的背光面顺延伸方向的中线上开有的第一限位槽，活塞杆的顶端呈半球面，第一限位槽的截面同样呈半球面，活塞杆顶端的部分深入第一限位槽中，从而有效增加活塞杆与第一限位槽的接触面积以及接触稳定性，避免两者发生侧滑。同理，第二调节部包括第二伺服电缸22以及位于第二光伏板14背光面上的第二限位槽，第二调节部与第一调节部的整体结构基本相同，故不再赘述。 [0043] 第一调节部的工作过程如下：太阳东升过程中，第一伺服电缸21根据程序设定调节第一光伏板13与太阳发生同步转动，使得太阳光的入射角保持在一个较小的范围内，从而保持较大的热转化效率及发电功率。太阳西落过程中，第一伺服电缸21的活塞杆逐步降低回归原位。需要着重强调的是，本实施例中，第一伺服电缸21的工作原理为：将一年中不同时期太阳的升落时间、活塞杆升降高度与第一光伏板13转动角度之间的关系、以及太阳光对第一光伏板13入射角等因素进行程序化，第一伺服电缸21能够根据既定程序对第一光伏板13的角度进行适应性调整。 [0044] 第二调节部的工作过程如下：太阳东升过程中，第二伺服电缸22根据程序推动活塞杆逐步升高，太阳东升过程结束的同时活塞杆及第二光伏板14同时达到最高点。太阳西落过程中，第二伺服电缸22根据既定程序控制活塞杆下移，保证第二光伏板14的入射角保持在较小的范围内。 [0045] 如图1所示，于光伏板迎光面的上方设有与光伏板一一对应的板面自清洁组件3，以第一光伏板13为例，其两侧对称设置有两个环形支撑架31，本实施例中，支撑架31包括下部底座以及与下部底座相连的上部架体，其中，下部底座呈长条状，上部架体呈直槽口状，内部中空，下部底座的内侧面与第一光伏板13的端面焊接以固定整个支撑架31，上部架体高出于第一光伏板13的迎光面且上部架体露出于第一光伏板13的自由端。 [0046] 本实施例中，板面自清洁组件3包括与上部架体滑动连接的清洁单元32，清洁单元32包括连接杆321以及位于连接杆321两端的滚轮323，滚轮323与连接杆321转动连接。支撑架31架体的内侧面上开有如图2所示的第一滑槽311，滚轮323与第一滑槽311滑动连接。连接杆321靠近滚轮323的一端安装有驱动电机327，驱动电机327与连接杆321通过螺纹连接的方式进行固定，滚轮323朝向第一光伏板13的内侧面焊接有与连接杆321同轴的齿轮 3231，驱动电机327的输出轴上设有与齿轮3231相啮合的轮齿，驱动电机327将动力传输至滚轮323，在滚轮323的带动下连接杆321绕支撑架31的架体作逆时针方向的转动。 [0047] 连接杆321的底部焊接有刮板322，刮板322的迎风面一侧开口，开口的下部形成一个楔形刮刀3221，需要强调的是，本实施例中，刮板322的底面与第一光伏板13的迎光面平行且留有间隙，从而避免刮板322及刮刀3221对第一光伏板13的表面造成损伤。 [0048] 连接杆321的斜下方设有冲水管324，冲水管324通过水管连接块3242与刮板322固定，冲水管324上开有与刮刀3221上表面相对的多个出水孔，出水孔连接有导流管3241。冲水管324的一端连接有水泵(图中未显示)，清洁单元32工作过程中，导流管3241持续对刮刀3221进行冲刷，从而及时将刮刀3221上的杂质(如动物的排泄物、粘性土等)冲洗掉，防止杂质堆积并卡入刮刀3221与光伏板的间隙，使得光伏板的表面造成损伤。 [0049] 如图2、图3所示，连接杆321的斜上方设有旋转杆325，旋转杆325的两端均转动连接有限位轴3251，旋转杆325的外侧设有同轴线的防尘罩326，防尘罩326的两端与限位轴3251转动连接，防尘罩326的罩体通过防尘罩连接块3261与刮板322固定连接。旋转杆325位于第一光伏板13迎光面的上方且留有间隙，旋转杆325的外侧面上包裹有吸水材料(如吸水海绵、吸水棉布等)。通过防尘罩326的设置，一方面可以避免外力对旋转杆325外侧的吸水材料造成破坏，另一方面，减少灰层、与吸水材料接触，提升吸水材料的耐久性。 [0050] 如图4、图5所示，支撑架31架体朝向第一光伏板13一侧的侧面上开有第二滑槽312，旋转杆325两侧的限位轴3251深入第二滑槽312中实现滑动连接，清洁单元32运行过程中，尤其是刮刀3211受力会带动整个清洁单元32发生转动，而限位轴3251能够对清洁单元 32起到转动限位的作用，使得清洁单元32与第一光伏板13始终保证平行的状态，防止因刮刀3221倾斜对光伏板的板面造成损坏。 [0051] 为了保证整个清洁单元32运行的稳定性，于连接杆321的两端设置有如图2所示的限位件328，于支撑架31架体背离第一光伏板13一侧的侧面上开有如图2所示的第三滑槽313，限位件328包括与连接杆321的端面焊接的限位杆3281，限位杆3281远离连接杆321的一端焊接有限位块3282，限位块3282深入第三滑槽313中实现滑动连接。清洁单元32运行过程中，尤其是当清洁单元32运动至支撑架31的顶部时，通过内侧的限位轴3251及外侧的限位件328能够对整个清洁单元32施加拉力，防止清洁单元32与第一滑槽311发生脱轨。 [0052] 通过增设板面自清洁组件，一方面可以对光伏板的板面实现自动清洁，减小人工消耗，并且高频次的清洁不仅可以确保光伏板的日常工作效率，而且能够避免杂质因长时间堆积并固化于光伏板的表面对光伏板造成侵蚀、破坏；另一方面，通过先水流冲刷、再刮板322刮除、最后吸附擦干的工作流程，能够提升杂质的清除效果。 [0053] 实施例二 [0054] 与实施例一不同之处在于，为了防止夜间光伏板持续暴露于灰尘环境中，于支撑架11架体的外侧面上开有如图5所示的第四滑槽314，本实施例中，第四滑槽314以支撑架11远离第一横梁12一侧的圆弧部分的顶点为起点，以支撑架11靠近第一横梁12一侧的圆弧部分的顶点为终点。如图6、图7所示，支撑架11的顶部设有遮挡布329，遮挡布329采用弹性材料制成(如氨纶)，遮挡布329一侧顶点胶接于第四滑314的起点，遮挡布329另一侧的顶点处设有磁性滑动块3291，磁性滑动块3291与第四滑槽314滑动连接。 [0055] 清洁单元32的初始位置处于支撑架11的上部，即靠近第一横梁12的一侧，日出时刻，清洁单元32运动至支撑架11的下部，即远离第一横梁12的一侧。夜幕时刻，清洁单元32再次回到初始位置，该过程中，需要着重说明的是，限位块3282采用磁性材料制成，限位块3282与磁性滑动块3291异性相吸，限位块3282带动磁性滑动块3291同步运动至第一滑槽的终点位置，使得遮挡布329将支撑架11以及支撑架11下方的第一光伏板13进行覆盖，避免第一光伏板13非工作期间暴露于灰尘环境中。日出时刻，限位块3282下滑过程中与磁性滑动块3291距离增大，磁力消失，磁性滑动块3291在遮挡布329自身弹力作用下回归至第四滑槽 314起点位置，遮挡布329收拢压缩，不会影响第一光伏板13的正常工作。 [0056] 实施例三 [0057] 与实施例一不同之处在于，本实施例中，刮刀3221呈如图8、图9所示，包括背离刮板322方向依次设置第一连接板32211及第二连接板32212，第一连接板32211及第二连接板32212的厚度方向与光伏板的板面垂直，第一连接板32211与刮板322之间通过第一转轴 32213实现转动连接，第一转轴32213沿长度方向设有第一复位弹簧32215(如扭簧)，刮板 322上设有用于防止第一连接板32211逆时针转动的第一限位片32217，第一连接板32211可绕第一转轴32213第发生顺时针转动，并在第一复位弹簧32215的作用下归位。 [0058] 第一连接板32211及第二连接板32212通过第二转轴32214实现转动连接，第二转轴32214沿长度方向设有第二复位弹簧32216(如扭簧)，第一连接板32211上设有用于防止第二连接板32212顺时针转动的第二限位片32218，第二连接板32212可绕第二转轴32214发生逆时针转动，并在复位弹簧32216的作用下归位。需要强调的是，本实施例中，第一复位弹簧32215、第二复位弹簧32216除了分别实现第一连接板32211、第二连接板32212的归位动作外，还可以分别对第一连接板32211及第二连接板32212的转动幅度进行限制，防止第一连接板32211及第二连接板32212对光伏板的表面产生接触。 [0059] 本实施例中，刮刀3221的工作过程具体如下： [0060] 当杂质体型较大且与光伏板粘结强度较高时(如飞行动物的排泄物经过长时间太阳照射而硬化固结)，采用实施例一中的刮刀3221时，刮刀3221与杂质的上部接触，且刮刀3221对杂质施加的剪切力与光伏板的表面平行，会导致仅杂质的上部被切割，而杂质的下部依然保留在光伏板的表面。而本实施例中，第二连接板32212远离所述第二转轴32214的端部呈楔形状，第二连接板32212的端部与杂质接触受力过程中，第二连接板32212绕第二转轴32214发生逆时针转动，使得第二连接板32212对杂质的作用力方向发生改变，即在剪切力的基础上增加了一个斜向上的推力，有利于推动杂质从光伏板表面脱离。 [0061] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。