优化桁架基础、用于优化的桁架基础的适配器以及相关的系统和方法与流程
相关申请的交叉引用
本申请要求以下美国临时专利申请的优先权：于2018年10月12日提交的美国临时专利申请第62/745,188号，标题为“optimizeda-framefoundationsforaxialsolararraysandrelatedsystemsandmethods(轴向太阳能阵列的a形框架基础及相关系统和方法)”，以及于2019年5月15日提交的美国临时专利申请第16/413,551号，标题为“optimizedtrussfoundations,adaptersforoptimizedtrussfoundations,andrelatedsystemsandmethods(优化的桁架基础、用于优化的桁架基础的适配器以及相关的系统和方法)”，这些申请的全部内容通过引用合并于本文。
背景技术：
太阳能是地球上最大的潜在能源之一。在大气上方，单位面积的太阳辐照度为1.361千瓦/平方米。在海平面上，可用能量密度降低到每平方米250瓦。使用二维模型近似地球，250瓦特/平方米*π*6,371,000平方米产生约32,000terra(万亿)瓦特的能量，不断撞击地球表面。假设太阳继续燃烧并发射光子达十亿年，人类生命的生存最终将取决于对这种本质上无限的清洁能源的利用。
迄今为止，广泛采用太阳能的主要障碍是成本。与其他能源不同，太阳能成本是最重要的，而运营成本却相对较低。基于化石燃料的能源需要前期成本以及消耗燃料产生的即付即用成本。不幸的是，并非所有的持续成本都反映在化石燃料来源产生的能源价格中。这些“脏”的能源因二氧化碳排放而产生了巨大的外部成本，在没有碳税的情况下，这些成本并未反映在成本中。除了这种成本优势之外，即使在太阳能潜力最大的州，根深蒂固的公用事业公司和化石燃料生产商也有效游说阻碍了太阳能的发展。
尽管有这些不利因素，但是太阳能的成本现在已经下降到足够低的程度，以至于即使与能量储存相结合，太阳能也等价于或廉价于煤炭、石油甚至天然气所产生的电力。在电力市场中，竞争性能源之间的相对成本差异是根据单位成本(通常是千瓦时(kwh))进行量化的。大型太阳能电池阵列，即所谓的“公用事业规模”阵列，可能具有数十兆瓦至数百兆瓦的发电能力，使其与小型燃煤和天然气发电厂的规模相同。这些阵列产生的电力被馈入电网，并以每千瓦时几美分的批发价格出售。
公用事业规模的太阳能项目的开发通常由购电协议(ppa)资助。对于ppa，承租人(例如公用事业公司、电网运营商等)同意以固定费率购买系统产生的所有电力，以维持阵列的使用寿命(例如30年)。这使银行或其他投资者能够准确地评估未来的收入流，并向其借贷以资助阵列的建设。
公用事业规模的太阳能发电厂主要配置为固定倾斜的地面安装阵列或单轴跟踪器。固定倾斜的阵列以东西取向面板排排列，向南倾斜，倾斜角度取决于阵列位置的纬度-距赤道越远，倾斜角度越陡。相比之下，单轴跟踪器安装在南北排中，太阳能电池板连接到称为扭矩管的旋转轴线上，该扭矩管在每天时间进程中将面板从朝东的取向移动到朝西的取向，跟随太阳在天空中的前进。为了本公开的目的，固定倾斜跟踪器和单轴跟踪器两者统称为轴向太阳能电池阵列。
不包括土地购置成本，用于构建公用事业规模阵列的总成本包括场地准备(道路建设，水准测量，电网和水的连接等)，基础，跟踪器或固定倾斜硬件，太阳能电池板，逆变器和电气设备连接(导线管，布线，挖沟，电网接口等)。由于持续不断的创新和规模经济，这些成本中的许多成本在过去几年中价格已经下降，但是基础却是一个被广泛忽略的领域。基础提供了统一的结构界面，将系统耦合到地面。当安装常规的单轴跟踪器时，在场地准备好之后，通常将铅垂单桩以跟踪器制造商和/或场地计划规定的规则间隔打入地面；随后，跟踪器系统的部件将连接到这些桩的头部。最常见的是，这些单桩具有h形的轮廓，但它们也可以是c形，甚至是箱形。在常规的大型单轴跟踪器阵列中，基础的采购和建造可能占系统总成本的5-10％。尽管占总成本的份额相对较小，但与大量太阳能项目组合相比，与基础相关的钢铁和劳动力的任何节省都将是一笔可观的钱。此外，跟踪器开发交易通常在实际发生安装成本之前就锁定了一年或更长时间，因此，可以实现的任何交易后基础节省都将是已经计入支持项目建筑计算的利润之外的部分。
单桩在单轴跟踪器基础上继续占据市场的一个原因是简单性。即使单桩的设计本质上是浪费的，利用现有技术将单桩沿着地面直线推入地面也相对容易。单桩的物理特性要求其尺寸过大，因为单个结构构件不能很好地抵抗弯曲力。当用于支撑单轴跟踪器时，作用在基础上的最大力不是来自部件的重量，而是撞击在太阳能电池板上的风的组合侧向力。该侧向力作为弯矩传递到基础中。弯矩的大小远大于由面板和跟踪器部件的重量引起的静态载荷。它的作用就像是试图弯曲桩的杠杆臂，杠杆臂越长，力的大小就越大。许多跟踪器公司指定的最小基础高度为40英寸或更大。因此，在单轴跟踪器的背景下，单桩基础必须超大尺寸并被深深打入地面以承受横向载荷。
提出的单桩基础的替代方案是使用一对倾斜的支腿来形成a形框架或桁架状基础。a形框架的优点是将横向载荷转换为支腿拉伸和压缩的轴向力。例如，在公开的美国专利申请2018/0051915(以下称为“’915申请”)中可以看到这一点。’915申请教导了一种用于太阳能电池板的支撑装置，该支撑装置由一对接地螺钉组成，该接地螺钉以平行或倾斜的角度拧入地面，并通过桥在地面上接合。根据本公开内容，在成角度的实施方案中，支腿以优选地在10度与35度之间，并且更优选地在15度与25度之间的角度朝向彼此相对倾斜。该角度是支腿在a形框架的顶点处的间隔，并且对应于相对于水平方向在±72.5度至±85度的范围内，并且更优选地在±78.5度至±82.5度的范围内的支腿角度。如本文更详细地讨论的，这种陡角尽管仍然能够将横向载荷转换成拉伸和压缩，但是将导致拉伸力和压缩力比下面的横向载荷大得多。横向载荷产生的拉伸力和压缩力的大小与支腿角度非线性相关，’915申请的教导并未认识到这一事实。结果，在这样的陡角下，支腿必须加大尺寸或包括附加的正交特征，以抵抗所产生的大的拉伸和压缩值。否则，基础将失败。除了在成本高昂的拒绝占主导地位的最困难的土壤中之外，这是基于地面螺钉的a形框架未能在公用事业规模的太阳能行业中获得牵引力的部分原因。
认识到这个问题，本公开的各种实施方案的目的是提供一种用于单轴跟踪器的桁架或a形框架基础，其被限制在减小从横向载荷施加到桁架的拉伸力和压缩力的非线性量值的角度范围内，从而优化了给定直径支腿所需的钢量和埋深。
附图说明
图1a示出了由多个常规单桩基础支撑的示例性单轴跟踪器系统的部分；
图1b是图1a的系统的端视图，示出了当扭矩管旋转时太阳能电池板的角度范围；
图1c是示出在图1a的常规单桩基础中横向载荷如何转换成弯矩的力图；
图2a示出了由中等倾斜的a形框架基础支撑的示例性单轴跟踪器系统的部分；
图2b是图2a的系统的端视图，示出了当扭矩管旋转时太阳能电池板的角度范围；
图2c是力图，示出了在图2a的中等倾斜的a形框架基础中横向载荷如何转换成拉伸和压缩；
图3a示出了由常规的陡峭倾斜的a形框架基础支撑的单轴跟踪器系统的部分；
图3b是力图，示出了响应于2500磅的横向载荷，在77.5度的3a的陡峭倾斜的a形框架中的拉伸力和压缩力的大小；
图3c是力图，示出了响应于2500磅的横向载荷，在82.5度的3a的陡峭倾斜的a形框架中的拉伸力和压缩力的大小；
图3d是对于2500磅的横向载荷，通过一系列陡角的拉伸力和压缩力的曲线图；
图4a是根据本发明的各个实施方案的中等倾斜的a形框架基础系统；
图4b是力图，示出了响应于2500磅的横向载荷，在±60度的2a和2b的适度倾斜的a形框架中的拉伸力和压缩力的大小；
图4c是力图，示出了响应于2500磅的横向载荷，在±65度的2a和2b的适度倾斜的a形框架中的拉伸力和压缩力的大小；
图4d是响应于2500磅的横向载荷在一系列适当的倾斜和陡峭的角度范围内的拉伸力和压缩力的曲线图；
图5a是示出在±60度下桁架角度与a形框架的支腿长度之间的相关性的图。
图5b是示出在±70度下桁架角度与a形框的支腿长度的相关性的图。
图5c是示出对于一定锐角范围的支腿长度与桁架支腿角的关系的曲线图；
图6a是根据本发明的各个实施方案的单轴跟踪器和a形框架基座的部分的透视图；
图6b是图6a所示的单轴跟踪器和a形框架基座的部分的端视图；
图7a是根据本发明的各个实施方案的用于自上而下的单轴跟踪器的另一适配器的透视图，该适配器将横向载荷定向在a形框架形的桁架基础的工作点处；
图7b是支撑单轴跟踪器的图7a的自上而下的单轴跟踪器的适配器的端视图；
图8是根据本发明的各个实施方案的支撑自上而下的单轴跟踪器的轴承适配器的端视图；
图9是根据本发明的各个实施方案的支撑自上而下的单轴跟踪器的轴承适配器的端视图；
图10是根据本发明的各个实施方案的支撑自上而下的单轴跟踪器的轴承适配器的端视图；并且
图11a和图11b分别是常规的单轴跟踪器的透视图和俯视图。
具体实施方式
以下描述旨在通过提供涉及用于支撑单轴太阳能跟踪器的a形框架基础的多个特定实施方案和细节来传达对所描述实施方案的透彻理解。然而，应当理解，本发明不限于这些仅是示例性的具体实施方案和细节。还应理解，根据已知的系统和方法，本领域的普通技术人员将理解本发明用于其预期目的的用途。
如在背景技术中讨论的，当单轴跟踪器由单桩基础支撑时，由风撞击阵列所引起的横向载荷会产生较大的弯矩，而基础必须对该弯矩加以抵抗。图1a示出了由一系列对齐的单桩基座100支撑的单轴跟踪器100的部分。该图中的示例性的跟踪器100由太阳能电池板140组成，太阳能电池板140通过面板托架135附接到扭矩管130。扭矩管130被捕获在多个分别安装在各自的h形桩110顶上的对齐的圆柱状轴承组件120内。尽管未显示，但一个桩通常也将支撑使扭矩管运动的驱动马达或齿轮组件。而且，已经有意地省略了太阳能电池板之间的电互连。在现实世界条件下，面板将被串行连接以形成高压直流(dc)串，该dc串将被馈送到一个或多个汇流箱和/或逆变器中。
图1中所示的单轴跟踪器100是常规的自下而上的设计，其中轴承组件附接至桩的头部，并且扭矩管在轴承内绕其自身的主轴旋转。其他跟踪器系统可能采用自上而下的设计，其中扭矩管悬挂在轴承箱中容纳的铰链上，因此扭矩管可以像钟摆一样扫过弧形。在此类系统中，驱动马达偏离扭矩管的主轴，因此跟踪器的旋转轴围绕铰链点。轴承箱仍附接在每个桩的头部，但旋转轴与扭矩管的主轴偏移。例如，在美国专利第10,222,446号中公开了一种这样的自上而下的跟踪器，该专利在此通过引用方式全文并入本文。本发明的各种实施方案与自下而上以及自上而下或偏移的单轴跟踪器兼容。
图1b是图1a所示的常规跟踪器的部分的端视图。该图示出了基础桩110、轴承组件120和扭矩管130。扭矩管130的旋转使太阳能电池板140扫过图中的虚线所示的从东向西的一系列角度。角度旋转的程度由跟踪器制造商指定，但相对于水平方向(0度)，目前最多为±55度至±60度。由于桩是铅垂的(即以90度定向)，因此面板有足够的间隙以实现其最大旋转角度而不会受到基础的机械干扰。
图1c是力图，示出了在这种跟踪器上的横向载荷的影响。横向负载fl在扭矩管连接到桩的位置(例如，在轴承组件处)在基础上施加弯矩。所产生的力矩m的大小等于力fl的大小乘以基础固定到地面的点上方的高度h。如果桩高出地面四英尺，并且横向载荷为2500磅，则合力矩m将至少为2500x4或10,000lb./ft。固定点通常会在地面以下一英尺处，因为土壤的顶层对力矩的抵抗力很小，因此必须增加桩的安全系数才能解决这一问题。因此，为了获得必要的结构额定值，必须对用于支撑阵列的桩进行额定以抵抗该力矩，并打入足够深的深度，以使其在受到此类力矩时保持固定。这就需要使用坚固的单桩，例如常用的w6x9或w6x12h形桩，它们的法兰长为6英寸，每线性英尺分别有9或12磅的钢，地下埋藏最大为5到7英尺。
本公开的发明人和申请人已经提出了铅垂单桩基础的替代方案，其旨在显著减少支撑轴向太阳能电池阵列所需的钢的总量。这种可供选择的基础系统，在商业上称为earthtrusstm，由一对适度倾斜，基本对齐的支腿组成，这些支腿配置为a形框架或桁架，在地面上方和下方延伸，并在顶点处通过适配器、轴承组件或其他扭矩管支撑元件接合。与传统的单桩基础相比，桁架架构具有多个优势。首先，如果设计合理，则a形框架会将横向载荷转换为支腿拉伸和压缩的轴向力，而不是弯曲。各个结构构件在抵抗弯曲方面较差，但在抵抗轴向力方面相对较好。a形框架或桁架通过沿那些力最佳施加的支腿的轴线引导这些力来利用上述这点。因此，构成支腿的钢的尺寸和规格可能比等效的单桩小得多。而且，不需要抵抗弯曲，就不需要将支腿驱动得像常规的单桩一样深。这样可以节省钢材，但也减少了遇到拒绝的可能性。当打桩机的其他冲击未能导致桩的其他嵌入时，将发生拒绝。通常，这是撞击岩石或水泥质土的结果，并且需要昂贵的劳动密集型缓解措施。打入的桩越浅，遇到岩石或水泥质土的可能性就越小。
现在转到图2a，该图显示了类似于图1a的单轴跟踪器，除了单桩基础已由多个对齐的a形框架或桁架基础200代替。每个桁架基础200包括一对相邻的支腿210，彼此成角度地被打入到地面中，从而它们基本上彼此对齐。在各种实施方案中，支腿可以相对于水平方向对称地成角度(例如，±60度)。在其他情况下，由于坡度和地形的变化以及打桩过程中的未对齐，它们可能处于略微不同的角度。表面变化可能使支腿相对于坡度或水平参考的测量变得困难。因此，在整个公开内容中，即使a形框架或桁架基础暗示了相应的支腿角，也以其顶部角为特征。
在各种实施方案中，支腿210可以用打桩机打入地下，用旋转起子旋入地面，推入地面，或以其他方式被驱动。而且，支腿210可以包括沿着基本共同的轴线延伸的单个构件或多个互连的构件。桁架基础200沿跟踪器制造商指定的规则间隔沿南北行安装。在该示例性系统中，每个支腿210的上述接地端由适配器220接合。如图所示，轴承组件230位于适配器220的顶部。扭矩管130正交穿过每个轴承组件230。应对理解的是，在其他实施方案中，并且如本文更详细地讨论的，轴承组件和适配器可以组合成单个结构以减少零件数量、成本和出于其他原因。
图2b是图2a的跟踪器系统200的端视图。如该图所示，由于成角度的支腿210，因此与图1a和b的单桩阵列的情况相比，面板和基础之间的间隙更紧密。如果跟踪器可以将面板一直向下定向到±60度，可能需要将支腿分开较小的顶部角以防止干涉。由于弯曲和制造公差，扭矩管上面板的角度沿其长度变化多达5度的情况并不少见，因此可能需要额外的5度缓冲以避免干涉。
图2c是力图，显示了如何在桁架或a形框架基础上平移横向载荷。如本文所讨论的，桁架架构沿着每个结构构件的主轴引导横向力，而不是试图弯曲它们。通常，支腿的柱荷载能力远大于横向荷载所产生的拉伸力和压缩力，因此荷载能力不是限制因素。相反，支腿表面和土壤之间的皮肤摩擦以及正交线或其他地下特征的抵抗力的结合将控制桁架抵抗横向载荷的能力。如果设计正确，则主要故障模式应为上风支腿向上拉和下风支腿下沉。如图2c所示，当横向载荷fl撞击阵列时，力以拉伸力和压缩力(分别标记为t和c)转移到桁架支腿。为使桁架不致失效，所有力的总和必须为零。在这种情况下，这意味着在横向载荷方向(图中标记为x方向)上的力之和必须为零。换句话说，由支腿提供给横向载荷的阻力的x分量(标记为ft/c)必须等于横向载荷fl。这些力的实际值也将受到跟踪器系统重量的垂直载荷的影响，该载荷将抵抗上风支腿的拉力并增加下风支腿的压缩力，但是，为了进行角度比较，该载荷已忽略。抵抗力ft/c的x分量与桁架支腿角度θ的余弦成比例，由等式(1)表示：
因此，每条支腿响应fl所需的抵抗力ft/c等于
如以上背景所述，’915申请教导了一个用于支撑单轴跟踪器的a形框架或桁架基础的示例。图3a是’915申请中描述的基础的复制品。系统300包括一对成角度的支腿310，在这种情况下为接地螺钉，其通过两件式桥架在地面上接合，该桥架向下夹紧在每个支腿的末端。将常规的轴承组件330螺栓连接到桥架上以完成组装。本公开描述了每条支腿之间的顶部角α的范围，优选在10度至35度之间，并且更优选在15度至25度之间。角α的这些范围对应于在±72.5度至±85度的范围内成角度的桁架支腿(假设它们相对于水平向对称)，并且更优选地，桁架支腿的角度θ为±77.5度到±82.5度。图3b和3c是力图，显示了’915申请中建议的2500磅横向载荷在陡峭的支腿角和相应的小顶角处所需的ft/c的大小。从3b开始，选定的角α是25度，对应于支腿角θ＝77.5度，这是在’915申请中指定的α的优选范围的上限。每条支腿ft/c所需的抵抗力等于5,775磅或2500/2*cosine(77.5)。尽管仍处于支腿的柱承载力之下，但这会导致轴向力大大增加，以抵抗皮肤摩擦和正交螺纹。在图3c中，顶角α设置为15度，对应于±82.5度的支腿角，这是’915申请中对α的首选范围的下限。在这个角度下，假设相同的2,500磅横向载荷，ft/c增加到9,576磅或2500/2*cosine(82.5)，几乎增加了四倍。下表1显示了’915申请中建议的整个角度范围内每个支腿所需的抵抗力(ft/c)。图3d是其曲形图。表1的第一列为桁架支腿角θ，范围从72.5度到82.5度，以半度为增量。第二列是对于每个给定的支腿角度它们在顶点处接合时，支腿之间的顶部角α，并且以一度的增量变化。第三列是必须产生以承受2,500磅的横向载荷的总的拉伸力和压缩力ft/c。
表1.在’915申请中的角度范围的阻力。
如表1和图3d的相应曲线所示，在′915申请中建议的α范围内，合力以非线性方式增加，从而抵消了使用a形框架或桁架基础的益处。为了在这些浅顶角(陡峭的支腿角)处抵抗较大的拉伸力和压缩力，必须对桁架组件进行过度建造，深推和/或包括其他正交特征。这将破坏用a形框架代替单桩的优势，因为使a形框架相对更昂贵。尽管未作说明，但模块对支腿的干扰可能是′915申请中推荐角度范围的原因之一。
现在转到图4a，该图示出了根据本发明的各种示例性实施方案的用于单轴跟踪器的桁架基础200。此处所示的示例性桁架由相邻的支腿210组成，这些支腿被打入地面以基本上彼此对齐并沿着扭矩管对齐。这样做的意义在于，如果支腿没有基本对齐，即它们的各自轴线不在扭矩管上的基本相同位置延伸，则横向载荷除了会产生拉伸和压缩外，还会向基础引入扭转力矩。该扭转力矩将需要额外加强顶点硬件以承受这些扭转力。
这在现有技术中可见，例如在美国专利号9,207,000(以下称为′000专利)中。图11a和b摘自′000专利。跟踪器350具有a形框架形的基础，该基础具有支撑扭矩管370的支腿355a/b。轴承组件由焊接到每个支腿355a/b顶部的相应轴承360a/b组成，以使其成为整体结构。如图11b的俯视图所示，轴承沿扭矩管370彼此嵌套，从而产生偏移的几何形状。因为支腿355a/b是偏移的，即相对于扭矩管基本上不对齐，或者彼此不对称，所以横向载荷将倾向于使支腿、轴承和扭矩管扭转。跟踪器350通过将一个轴承嵌套在另一个轴承中来对此进行补偿，但是，这需要在轴承处增加两倍的金属厚度，并且支腿比如果不产生扭转力矩时所需的支腿更粗和/或更重。
回到4a的系统，在该系统中，支腿210通过适配器220在顶部处接合，使得它们相对于彼此和扭矩管基本对齐。轴承组件230位于适配器220的顶部。由于支腿对齐，横向载荷将仅产生轴向力，而没有扭转力矩。而且，与图3a的桁架300相反，该图的桁架200被优化到显著限制拉伸力和压缩力的角度，在这种情况下为60度顶角α和60度支腿角θ。在4b的力图中显示了此特征的显著效果。假定与图3b和3c的力图中相同的2,500磅横向载荷，则每条支腿的力ft/c在60度时降至2,500磅，即2500/2*cos(60)，在图3b的25度顶角(77.5度的桁架支腿角)上减小了57％，以及在图3c的15度顶角(82.5度的桁架支腿角)上减小了惊人的74％。
图4c是针对30度的顶角(70度的桁架支腿角)重复图4b的分析的力图。假设相同的2,500磅横向载荷(支腿指向70度)，则每条支腿所需的抵抗力(ft/c)值将增加到3654磅，即2500/2*cos(70)，即在图3b的25度顶角(77.5度桁架角)上减小了37％，在图3c所示的15度顶角(82.5度桁架角)上减小了62％。下表2示出了对于本申请的发明人提出的整个角度范围在每条支腿中所需的抵抗力(ft/c)。图4d是表2中的数据以及表1中的数据的曲线图。第一列是桁架支腿角θ，范围为55度至72.5度，以半度为单位递增。第二列是支腿间的顶角或顶部角α，第三列是必须产生以抵抗2,500磅的横向载荷的总的拉伸力和压缩力ft/c。
表2.根据本发明的实施方案的针对角度范围的抵抗力。
表2和图4d的相应组合图显示，合力以非线性方式增加。在’915申请中提出的角度范围大大增加了所需的抵抗力，从而抵消了使用a形框架或桁架基础的益处。图4d中以4000磅绘制的水平线显示了将ft/c限制为4000磅或更小所需的支腿角度范围。要保持在4000磅以下，支腿角角θ必须在72.5度以下，而顶角α必须在35度以上。对于低于该角度的顶角或高于该角度的桁架支腿角，拉伸力和压缩力开始急剧增加，这对桁架设计产生了显著的成本影响。因此，优选的顶角范围是35度至70度，对应于低于72.5度的支腿角。理想的顶角在49度以上，对应于在65.5度以下的支腿角。在此范围内的角度将使合力保持在3000磅以下。
角度选择的另一个考虑因素是材料的使用。对于给定的固定嵌入深度，较陡的角度将需要较少的材料。转到图5a和5b，这些图呈现了两个场景，这些场景试图获得四英尺的顶点高度(在图中标记为h)，并且每个桁架支腿的嵌入量为三英尺。通过将桁架三角形的相对边设置为4，即顶点在地面上的期望高度，可以使用公式(2)求解斜边(l2)：
(2)l2＝4/sin(θ)。
对于图5a中的60度顶点和桁架支腿角假设，得出的l2值为4.62英尺。为所需的嵌入长度增加3英尺，则对于60度桁架而言，要求支腿长度为7.62英尺或大约1935mm。在图5b中，顶角减小到40度，而桁架支腿角增加到70度。在这种情况下，l2下降至4.26英尺，4/sin(70)，导致所需的支腿长度为7.26英尺或1844mm。因此，在两者之间，较陡的角度允许使用较短的支腿，从而减少了所需的钢量。但是，与所需的阻力一样，随着角度减小，支腿长度的变化率也不是线性的，并且如上所述，由于指数增长的力ft/c，较陡的支腿角(较窄的顶角)对于每个支腿可能需要较长的嵌入长度。下表3显示了假设四英尺的顶点高度和三英尺的嵌入长度时各种支腿和顶点角度的桩长度。
表3.支腿长度的与桁架角的关系
随着支腿角的增加和顶角的减小，支腿的长度减小到最小，桁架变成单桩的7英尺的直线长度。随着支腿角的减小和顶角的增加，支腿长度开始略微增加，然后在40度以下的角度起飞。对于几乎所有高于40度的支腿角(低于100度的顶角)，长度变化相对较小，比7英尺的最小值高约2英尺或29％。对于55度以上的支腿角，70度以下的顶角，差异小于1英尺，或者比最小差异长14％。因此，从材料使用的角度来看，优选的支腿角为至少40度，理想地为55度或更大，对应于小于100度且理想地小于70度的优选顶角。
综上所述，表1、2和3以及图3d、4d和5d中的信息表明，α和θ存在最佳范围，可以在使ft/c最小化与材料使用最小化的竞争目标之间取得平衡。至于第一点，优选的顶角α大于35度到70度，而理想的范围是55-60度，对应于优选的桁架支腿角θ从55到小于72.5度，理想范围是60到65度。从材料使用的角度来看，任何小于100度的角度α或大于40度的角度θ都是可以接受的，但小于70度的角α和大于55度的角θ是优选的。这些范围与顶角α和桁架支腿角的最佳范围重叠以最小化ft/c。
现在参考图6a和6b，这些图示出了根据本发明的各个实施方案的单轴跟踪器阵列和用于单轴跟踪器阵列或其他轴向太阳能阵列的a形框架基础。如以上在图2a和2b中讨论的那样，相对于传统的h桩，a形框架基础的一个潜在缺点是，当扭矩管将面板旋转到陡峭的角度(大于±50度)时，a形框架的支腿可能会干扰面板。如’915申请中所述，这可能需要为a形框架使用较小的顶角或较陡的支腿角，但是由于ft/c值快速且非线性地增加，因此这并不是最佳选择。另一种缓解技术是限制跟踪器的运动范围，但这也是站不住脚的，因为它消除了收集从每天开始和结束时(太阳从地平线升起或向地平线降落时)获取所谓“肩部力量”的能力。跟踪器制造商设计其系统来获取肩部力量并宣传此特征，因此从业务角度来看，限制跟踪器的旋转是不切实际的。
本公开的发明人提出了在不限制扭矩管的旋转范围的情况下克服该问题的解决方案。该解决方案在一个a形框架基础上方的扭矩管上的每个点处引入了间隙(例如，在扭矩管轴承位置处)。由于每个桁架的支腿都定义了一个基本公共的东西方向平面，因此所需的间距量仅比支腿本身的外径或轴承组件的厚度稍大。这样，扭矩管可以旋转整个角度范围(直至并超过支腿角)，并且仅受将模块连接到非旋转组件的松弛线的长度限制。如图所示，在6b中，具有60度的桁架支腿和顶角，扭矩管可以将面板一直旋转到70度甚至更陡，而不会产生干扰。
其余的图7a-b、8、9和10示出了根据本发明的各种实施方案的各种桁架适配器和轴承适配器，其以大于35度到至多70度的期望范围的顶角将支腿分开。从图7a-b开始，这些图示出了适配器400，其具有主体部分410和一对对齐的连接部415，该对对齐的连接部415向下延伸并远离主体部分410以联接至桁架支腿210。连接部415优选地是对称的，意味着通过它们各自中心的直线将在公共点相交。适配器400可以支持自下而上或自上而下样式的跟踪器。图7b示出了经由连接部415附接到上部支腿212的适配器400。在各种实施方案中，连接部415被定向使得上部支腿212在顶点处以大于35度到至多70度的范围内的角度彼此分开地成角度。在各种实施方案中，连接部415和上部支腿212之间的装配将允许在这些结构之间进行调节，以使得能够在将适配器永久地连接到上部支腿212之前调节适配器相对于上部支腿212的高度。延伸穿过每个支腿210的中心的虚线示出了连接部415在竖直方向上对齐。尽管未示出，但顶视图还将示出穿过它们各自的中心的线相交，表明它们也水平对齐，即，沿扭矩管在基本上相同的点处相交。7b中所示的跟踪器是自上而下的跟踪器，例如图2c和d中所示的跟踪器。
图8示出了特别适合于自上而下的单轴跟踪器的心形轴承适配器500。如本公开和权利要求书中所使用的，术语“轴承适配器”通常是指结合了适配器功能的结构，即，将a形框架的支腿接合在一起，以便它们对齐并以正确的角度对齐，以及轴承组件的功能，即支撑扭矩管以及提供圆柱轴承，该圆柱轴承接收用作跟踪器旋转轴的旋转构件。轴承适配器不仅限于自下而上或仅自上而下的跟踪器，而是可以容纳其中的一种，如下所示并在下面更详细地讨论。图8的轴承适配器500执行至少三个功能。首先，它统一了a形框架的相邻支腿，以形成刚性的桁架结构。其次，它提供了圆柱状的轴承开口，用于轴承销将扭矩管悬挂在其上，并使其保持一定的间隙，以使其沿东西向弧线摆动，同时减少了这样做所需的钢材和部件。最后，它使上部支腿212对齐，从而使它们各自的轴线彼此对齐，并且扭矩管将它们之间的顶角设置在大于35度到至多70度的范围内，理想的是在50度到60度的范围内。
轴承适配器500由一个或多个铸造金属件形成。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以采用其他制造技术。它由带有尖头512的心形箍510和位于尖头512两侧的对称s形臂520组成。s形臂520终止在相应的管状连接部517中。s形臂520从尖头515伸出。，然后向内回弯，然后回弯出，使其与桁架支腿的角度和间距匹配(例如，±60度)。在各种实施方案中，将预先知道期望的角度桁架支腿角度θ和顶角α，并且将制造轴承适配器500以设定该角度。
在这些附图的实施例中示出的连接部517被绘制为部分管。在各种实施方案中，也是管状的单独的盖板可以装配在a形框架的上部支腿212上并且与连接部517配合以捕获上部支腿。螺栓、铆钉或其他已知的机械紧固件及其功能等同物可用于将盖板固定到连接部517。应当理解，其他实施方案可在每个s形臂520的端部有一根完整的管，即尺寸设计成容纳或装配在每个相邻的上部支腿212的自由端内部，或者具有完全不同的几何形状。这些修改只要不损害适配器的功能，就在本发明的各种实施方案的范围内。尖头512中的圆柱形轴承开口接受轴承销，扭矩管130从该轴承销悬挂。模块支架135将太阳能电池板(光伏模块)耦合到扭矩管130。由于不使用单桩基础，因此s形构件520的端部不需要在水平安装平台处相交。这种设计可以更有效地利用桁架架构的优势，并且可以简化安装过程。例如，如果在每对相邻的桁架支腿安装之后，扭矩管或扭矩管段可以放置在地面上，在相邻的未连接支腿之间。一旦在适当的位置将轴承适配器(例如适配器500)连接到扭矩管130，就可以用叉车或其他设备举起整个管或管段，从而可以完成相邻支腿及其各自的轴承适配器之间的单独连接。
现在转到图9，该图显示了自上而下的单轴跟踪器和轴承适配器600的端视图，该跟踪器与桁架相接合以形成a形框架基础并对齐支腿，以使它们在顶点处以角α彼此分开，角α在大于35度到至多70度的范围内，并且理想地在50度至60度的范围内。自上而下的跟踪器可以是机械平衡的跟踪器系统，例如可以从nextracker获得的跟踪器系统，也可以是其他跟踪器制造商提供的其他自上而下的跟踪器。轴承适配器600提供常规扭矩管夹具支撑件(例如，图2c/2d中的元件124/126)的功能，但是具有针对桁架基础而优化的形状因数。
从基础开始，如结合本文讨论的其他桁架适配器和轴承适配器所示的那样，它由分别由螺钉锚211和上部支腿212形成的支腿210组成。螺钉锚211已被旋转到下面相对于水平方向成倒角的土壤，在此实施例中为±68度，因此它们在顶部以44度的角α分开。在各种实施方案中，每个螺钉锚211在其远端具有螺纹形式，以帮助其抵抗轴向力并在驱动期间使其保持在正轨上。螺纹形式可以具有均匀的宽度，或者可以具有锥形的引入口。使用本文讨论的各种接合方法之一，上部支腿212轴向联接到每个螺钉锚211的地上端，以形成部分a形框架。
轴承适配器600类似于图8的轴承适配器500，但是是管状的而不是铸造的。连接部615连接到每个上部支腿212的相应端以完成a形框架。在各种实施方案中，在第一连接部615已经连接到第一上部支腿212之后，可以使用套环、销、联接器、压接或其功能等同物将第二连接部615接合到第二上部支腿212。保持扭矩管的铰链和夹具组件经由轴承销620由轴承适配器600支撑，轴承销620延伸穿过桥架部分610中的圆柱形的轴承开口。如本文所示的其他自上而下的系统一样，夹具组件保持扭矩管并将其悬挂，从而它可以绕轴承销620旋转。此外，在该系统中，一对u型螺栓跨在扭矩管上，以将模块支撑托架固定在扭矩管130上。然后，沿扭矩管130将光伏模块(也称为太阳能电池板)附接到每个模块支撑托架，每个托架接合两个相邻模块的边缘。在各种实施方案中，轴承适配器600与上部支腿212之间的连接将允许一些相对高度和角度调节。在各种实施方案中，图9所示的适配器600的安装可以类似于在图8的轴承适配器500的上下文中描述的安装。
现在转向图10，该图示出了根据本发明的各种其他实施方案的轴承适配器700。与图8和图9中所示的轴承适配器不同，适配器700是为自下而上样式的单轴跟踪器设计的。从功能上讲，它等效于适配器500/600，因为它对齐并连接了桁架支腿以完成a形框架，提供了用于容纳旋转构件(在这种情况下为扭矩管)的圆柱形轴承，并将顶角设置为所需的范围。然而，适配器700的几何形状是不同的，因为轴承接受扭矩管而不是铰链，并且因此不需要间隙来使扭矩管摆过弧形。
轴承适配器700包括下部主体部710，其具有对齐的连接部715，该对齐的连接部715向下突出并远离下部主体部710，以连接到上部支腿212。与各种其他实施方案的适配器一样，连接部715向下倾斜一定角度且远离下部主体部710，从而使桁架支腿彼此分开的角度α大于35度到70度，最好约为50度到60度。下部主体部710具有半圆形的横截面，因为它用作圆柱形轴承的下半部分。上部720通过位于下部主体部710中的相应下部凸缘上的上部凸缘而装配在下部主体部710上。螺栓、螺钉或其他已知的紧固件或其功能等同物可以将上部720固定至下部主体部710。在该实施例中，扭矩管730被显示为具有盒状的横截面。它被轴承插入件725包围，该轴承插入件将盒状的管转换为圆形横截面形状，以匹配由上部720和下部710的结合形成的圆柱形轴承的轮廓。轴承适配器700通过材料的使用进行了优化，旨在通过接合a形框架的支腿，将其保持在所需的角度和间距，并使它们彼此对齐来与a形框架形的桁架基础一起使用。它还提供了圆柱形轴承，因此不需要单独的轴承组件。
本发明的实施方案的范围不受本文描述的具体实施方案的限制。实际上，除了本文描述的那些之外，根据前述描述和附图，本发明的实施方案的各种修改对于本领域普通技术人员将是显而易见的。因此，这样的修改旨在落入所附权利要求的范围内。此外，尽管本文已经为了实现特定目的而在特定环境中在特定实现方式的上下文中描述了本发明的一些实施方案，本领域普通技术人员将认识到，其用途不限于此，并且可以出于任何目的在任何数量的环境中有利地实现本发明的实施方案。因此，应鉴于本文所公开的本发明的实施方案的全部宽度和精神来解释以下阐述的权利要求。
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