CN102004495B - 太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置,该装置包括俯仰跟踪控制机构,方位跟踪控制机构,各定日镜传动机构;所述俯仰跟踪控制机构包括俯仰传动杆,俯仰传动轮,俯仰电机;所述方位跟踪控制机构包括方位传动杆,方位传动轮,方位电机;俯仰电机驱动俯仰传动轮转动,带动俯仰传动杆做推拉往复运动;方位电机驱动方位传动轮转动,带动方位传动杆做推拉往复运动;俯仰传动杆和方位传动杆往复运动,通过各定日镜传动机构驱动定日镜完成俯仰和方位运转。本发明采用两个电机驱动一列定日镜跟踪太阳运转,减少了单位采光面积的电机使用数量,镜场可采用质量轻、易装调、抗风载能力强、跟踪精度高、能耗小的小尺寸定日镜组成。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用领域,涉及一种规模化聚光太阳电池发电场的跟踪控制装置,特别涉及一种太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置。
背景技术
太阳光伏发电分为聚光光伏发电和普通光伏发电两种。聚光光伏发电是利用非成像聚光镜将太阳直射光会聚到聚光太阳电池上,具有光电转化效率高、使用电池材料少的优点。非成像聚光镜和聚光太阳电池组装在一起构成聚光光伏发电单元,大量聚光光伏发电单元拼接在一起构成一个整体,称为定日镜,大量定日镜排列成场,形成规模化聚光太阳电池发电场。为使阳光正入射到光伏发电单元上,定日镜需绕双轴旋转跟踪太阳的高度角和方位角变化,镜场中所有定日镜的跟踪步调一致。传统的太阳能聚光光伏发电镜场中每个定日镜都是通过双电机驱动实现对太阳的方位角和高度角跟踪,控制方式可采用程序控制、自反馈控制或程序+自反馈控制(即在有太阳的时候,采用自反馈控制方式,在太阳被云彩遮挡的时候,采用程序控制方式,保证定日镜时刻对准太阳)。由于非成像聚光镜具有一定的接收角度,因此对定日镜的跟踪精度要求不高,允许一定的跟踪误差。为了降低聚光太阳电池发电的成本,减少定日镜单位采光面积的电机使用数量,定日镜的尺寸做的很大(尺寸>10m),但大尺寸的定日镜存在体积大、质量重、难安装、抗风载能力差、能耗大等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用两个电机驱动一列定日镜的俯仰和方位跟踪,减少镜场单位采光面积的电机使用数量,降低镜场成本的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置。
为了解决上述技术问题,本发明的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置包括俯仰跟踪控制机构,方位跟踪控制机构,各定日镜传动机构;所述俯仰跟踪控制机构包括俯仰传动杆,俯仰传动轮,俯仰电机;所述方位跟踪控制机构包括方位传动杆,方位传动轮,方位电机;俯仰传动轮与俯仰电机连接,俯仰传动杆与俯仰传动轮连接,俯仰电机驱动俯仰传动轮转动,带动俯仰传动杆做推拉往复运动;方位传动轮与方位电机连接,方位传动杆与方位传动轮连接,方位电机驱动方位传动轮转动,带动方位传动杆做推拉往复运动;俯仰传动杆和方位传动杆往复运动,通过各定日镜传动机构驱动定日镜完成俯仰和方位运转。
俯仰电机驱动俯仰传动轮运转,带动俯仰传动杆做推拉往复运动,俯仰传动杆通过各定日镜传动机构驱动定日镜完成俯仰运动。通过控制俯仰电机的转速和方向,实现对一列定日镜俯仰角的跟踪控制。方位电机驱动方位传动轮运转,带动方位传动杆做推拉往复运动,方位传动杆通过各定日镜传动机构使定日镜旋转一定角度。通过控制方位电机的转速和方向,实现对一列定日镜方位角的跟踪控制。
本发明实现了对规模化太阳能聚光光伏发电镜场的跟踪控制,采用两个电机驱动一列定日镜跟踪太阳运转,减少电机数量2(N-1)个(N表示一列定日镜的个数),减少了单位采光面积的电机使用数量,镜场可采用质量轻、易装调、抗风载能力强、跟踪精度高、能耗小的小尺寸定日镜组成。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置结构示意图。
图2为同列定日镜俯仰跟踪控制机构示意图。
图3为同列定日镜方位跟踪控制机构及部分传动机构示意图。
图4为图3的局部放大图。
图5为本发明实施例1的传动机构示意图。
图6为本发明实施例2的结构示意图。
图7a、7b为图6的局部放大图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示,本发明的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置包括俯仰跟踪控制机构,方位跟踪控制机构,各定日镜传动机构。
如图2所示,所述俯仰跟踪控制机构包括俯仰传动杆13,俯仰传动轮14,俯仰电机15;俯仰传动轮14可以直接与俯仰电机15的旋转轴固定连接,俯仰传动轮14的偏离旋转中心的部位通过第七转轴37与俯仰传动杆13活动连接,连接部位可以位于俯仰传动杆13端部,也可以位于俯仰传动杆13的中间位置。俯仰传动轮14还可以采用传动齿轮,通过减速齿轮(图中未示出)与俯仰电机15连接,传动齿轮的偏离旋转中心的部位与俯仰传动杆13通过转轴活动连接,连接部位可以位于俯仰传动杆13端部,也可以位于俯仰传动杆13的中间位置。俯仰电机15驱动俯仰传动轮14转动,带动俯仰传动杆13做推拉往复运动。
如图3所示,所述方位跟踪控制机构包括方位传动杆19,方位传动轮20,方位电机21;方位传动轮20可以直接与方位电机21的旋转轴连接,方位传动杆19通过第八转轴38与方位传动轮20的偏离旋转中心的部位连接。方位传动轮20还可以采用传动齿轮,通过减速齿轮(图中未示出)与方位电机21连接。方位电机21驱动方位传动轮20转动,带动方位传动杆19做推拉往复运动。
如图4、5所示,所述定日镜传动机构包括支架3,镜体连杆4,筒形滑块5,弧形滑块6,弧形导轨7,滑块连杆8,摇杆9,方位齿轮16,扇形齿轮17;支架3竖直安装在横梁12和地基上,可相对于横梁12和地基自由转动,横梁12固定于地基上;支架3的顶端固定有俯仰轴2,定日镜1安装在俯仰轴2上,可绕俯仰轴2自由转动;筒形滑块5套装在支架3上,可相对于支架3自由转动和上下平移;弧形导轨7安装固定在筒形滑块5上;弧形滑块6安装在弧形导轨7上并可相对弧形导轨7自由滑动;镜体连杆4的一端通过第一转轴31与定日镜1的偏离顶点的部位活动连接,另一端通过第二转轴32与弧形导轨7活动连接;滑块连杆8的一端通过第三转轴33与弧形滑块6,另一端通过第四转轴34与摇杆9连接;摇杆9通过第五转轴35与横梁12连接,通过第六转轴36与俯仰传动杆13连接;俯仰传动杆13往复运动使摇杆9摆动,通过滑块连杆8带动筒形滑块5作上下往复运动;方位齿轮16安装在支架3与横梁12的交点偏上的位置,扇形齿轮17的中心旋转轴安装在卡具18上,卡具18固定在横梁12上,并且扇形齿轮17与方位齿轮16啮合;扇形齿轮17的柄通过第九转轴39与方位传动杆19相连。
所述第七转轴37到俯仰传动轮14旋转中心的距离等于第五转轴35到第六转轴36之间距离。
所述第八转轴38到方位传动轮20旋转中心的距离等于第九转轴39到扇形齿轮17的旋转中心的距离。
镜体连杆4的长度可调。
定日镜1采用小尺寸设计(尺寸<2m),支架3及其它部件采用金属材料。支架3为圆柱形,镜体连杆4的长度可调(镜体连杆14可由两个能够做相对直线运动的部件构成,例如,由套筒及插入该套筒的伸缩杆构成),以满足定日镜1全年俯仰角度变化。筒形滑块5需与支架3匹配,可套装在支架3上并相对于支架3转动和上下平移,筒形滑块5的对称轴线与支架3的对称轴线重合,筒形滑块5与支架3间隙配合。弧形导轨7可安装在筒形滑块5的外表面,弧形导轨7的曲率中心位于支架3的对称轴线上,弧形导轨7的半径稍大于筒形滑块5的外径,弧形导轨7的长度稍小于筒形滑块5的外周长,弧形滑块6与弧形导轨7匹配,并可沿弧形导轨7自由滑动。滑块连杆8、摇杆9、俯仰传动杆13的长度由具体设计给定。支架3分别通过轴承11、轴承51与横梁12和地基连接。横梁12用于固定方位旋转轴承11并起到支撑定日镜的作用,横梁12的截面宽度大于轴承11的尺寸。俯仰传动轮14采用镂空设计。第七转轴37到俯仰传动轮14旋转中心的距离等于第五转轴35到第六转轴36之间距离。俯仰电机15为步进电机。方位齿轮16可套装并固定在支架3上,与扇形齿轮17啮合。扇形齿轮17由扇面和柄组成,柄的中心轴线过扇形齿轮17的旋转中心。方位传动轮20也采用镂空设计。第八转轴38到方位传动轮20旋转中心的距离等于第九转轴39到扇形齿轮17的旋转中心的距离。
支架3通过轴承11、轴承51固定在横梁12和地基上并可自由转动约±135°。俯仰轴2安装在支架3的顶端,定日镜1安装在俯仰轴2上,定日镜1可绕俯仰轴2自由转动±45°。所述摇杆9的形状可以是“L”形、三角形或圆弧形。滑块连杆8的一端通过第三转轴33与弧形滑块6相连,另一端通过通过第四转轴34与“L”形摇杆9的一端相连。“L”形摇杆9的另一端通过第六转轴36与俯仰传动杆13相连。“L”形摇杆9的中心通过第五转轴35与夹具10相连,夹具10固定在横梁12上;“L”形摇杆9的中心还可以通过转轴直接与横梁12连接。俯仰传动杆13的一端通过第七转轴37与俯仰传动轮14相连。俯仰传动轮14与俯仰电机15相连。在支架3与横梁12的交点偏上的位置安装方位齿轮16,将扇形齿轮17的中心旋转轴安装在卡具18上,卡具18固定在横梁12上。扇形齿轮17的柄通过第九转轴39与方位传动杆19相连。方位传动杆19通过第八转轴38与方位传动轮20相连,方位传动轮20与方位电机21相联。
俯仰电机15和方位电机21旋转的角度与定日镜1的俯仰角和方位角跟踪存在一定关系,据此编程对电机进行控制。俯仰电机15根据控制指令旋转一定角度,带动俯仰传动轮14转动,俯仰传动轮14带动俯仰传动杆13向前或向后运动,俯仰传动杆13推拉“L”形摇杆9的一端,使“L”形摇杆9绕其中心转轴转动,“L”形摇杆9的另一端推拉滑块连杆8运动,滑块连杆8带动弧形滑块6、弧形导轨7和筒形滑块5一起沿竖直方向上下平移,筒形滑块5带动镜体连杆4的一端上下移动,最终驱动定日镜1实现对太阳俯仰角度的跟踪。方位电机21根据控制指令旋转一定角度,带动方位传动轮20转动,方位传动轮20带动方位传动杆19向前或向后运动,方位传动杆19推拉扇形齿轮17的柄使扇形齿轮17绕其中心转轴转动,扇形齿轮17带动方位齿轮16转动,最终驱动支架3转动到程序指定的方位角度,实现对太阳方位角度的跟踪。当支架3旋转跟踪太阳方位角时,定日镜1、俯仰轴2、镜体连杆4、筒形滑块5和弧形导轨7一起绕支架3的中心轴线转动,弧形滑块6将沿弧形导轨7自由滑动,滑块连杆8、“L”形摇杆9的位置均固定不动。
实施例2
如图6所示,本发明的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置包括方位跟踪控制机构,俯仰跟踪控制机构,各定日镜传动机构。
如图3所示,所述方位跟踪控制机构包括方位传动杆19,方位传动轮20,方位电机21;方位传动轮20可以直接与方位电机21的旋转轴连接,方位传动杆19通过第二转轴38与方位传动轮20的偏离旋转中心的部位连接。方位传动轮20还可以采用传动齿轮,通过减速齿轮(图中未示出)与方位电机21连接。方位电机21驱动方位传动轮20转动,带动方位传动杆19做推拉往复运动。
如图7a所示,所述俯仰跟踪控制机构包括俯仰传动杆13,俯仰传动轮20,俯仰电机15;俯仰传动轮20与俯仰电机15的旋转轴固定连接,俯仰传动轮20圆周上的传动齿与俯仰传动杆13上的传动齿条46啮合,连接部位可以位于俯仰传动杆13端部,也可以位于俯仰传动杆13的中间位置。俯仰电机15驱动俯仰传动轮20转动,带动俯仰传动杆13做推拉往复运动。
俯仰传动轮20与俯仰传动杆13的连接部位可以位于俯仰传动杆13端部,也可以位于俯仰传动杆13的中间位置。
如图6、图7a所示,所述定日镜传动机构包括支架3,镜体连杆4,筒形滑块5,弧形滑块6,弧形导轨7,驱动丝杠41,驱动螺母42,驱动齿轮44,方位齿轮16,扇形齿轮17;支架3竖直安装在横梁12和地基上,可相对于横梁12和地基自由转动,横梁12固定于地基上;支架3的顶端固定有俯仰轴2,定日镜1安装在俯仰轴2上,可绕俯仰轴2自由转动;筒形滑块5套装在支架3上,可相对于支架3自由转动和上下平移;弧形导轨7安装固定在筒形滑块5上;弧形滑块6安装在弧形导轨7上并可相对弧形导轨7自由滑动;镜体连杆4的一端通过第一转轴31与定日镜1的偏离顶点的部位活动连接,另一端通过第二转轴32与弧形导轨7活动连接;俯仰传动杆13上的驱动齿条45与固定在驱动丝杠41下部的驱动齿轮44啮合,驱动丝杠41通过轴承43与横梁12活动连接,驱动丝杠41的上部与驱动螺母42配合,驱动螺母42与弧形滑块6固定连接;俯仰传动杆13往复运动通过驱动齿轮44、驱动丝杠41和驱动螺母42带动筒形滑块5作上下往复运动;方位齿轮16安装在支架3与横梁12的交点偏上的位置,扇形齿轮17的中心旋转轴安装在卡具18上,卡具18固定在横梁12上,并且扇形齿轮17与方位齿轮16啮合;扇形齿轮17的柄通过第九转轴39与方位传动杆19相连。
镜体连杆4的长度可调。
支架3及其它传动机构均采用金属材料。支架3为圆柱形,镜体连杆4的长度可调(镜体连杆14可由两个能够做相对直线运动的部件构成,例如,由套筒及插入该套筒的伸缩杆构成),以满足定日镜1全年俯仰角度变化。筒形滑块5需与支架3匹配,可套装在支架3上并相对于支架3转动和上下平移,筒形滑块5的对称轴线与支架3的对称轴线重合,筒形滑块5与支架3间隙配合。弧形导轨7可安装在筒形滑块5的外表面,弧形导轨7的曲率中心位于支架3的对称轴线上,弧形导轨7的半径稍大于筒形滑块5的外径,弧形导轨7的长度稍小于筒形滑块5的外周长,弧形滑块6与弧形导轨7匹配,并可沿弧形导轨7自由滑动。滑块连杆8、摇杆9、俯仰传动杆13的长度由具体设计给定。支架3分别通过轴承11、轴承51与横梁12和地基上连接。横梁12用于固定轴承11并起到支撑定日镜的作用,横梁12的截面宽度大于轴承11的尺寸。俯仰传动轮14采用镂空设计。俯仰电机15为步进电机。方位齿轮16可套装并固定在支架3上,与扇形齿轮17啮合。扇形齿轮17由扇面和柄组成,柄的中心轴线过扇形齿轮17的旋转中心。方位传动轮20也采用镂空设计。第八转轴38到方位传动轮20旋转中心的距离等于第九转轴39到扇形齿轮17的旋转中心的距离。
支架3通过轴承11固定在横梁12和地基上并可自由转动约±135°。俯仰轴2安装在支架3的顶端,定日镜1安装在俯仰轴2上,定日镜1可绕俯仰轴2自由转动±45°。
定日镜的跟踪控制采用程序+自反馈的方式,即在有太阳的时候,采用自反馈控制方式,在太阳被云彩遮挡的时候,采用程序控制方式,保证定日镜时刻对准太阳。俯仰电机15和方位电机21旋转的角度与定日镜1的俯仰角和方位角跟踪存在一定关系,据此编程对电机进行控制。俯仰电机15根据控制指令旋转一定角度,带动俯仰传动轮14转动,俯仰传动轮14带动俯仰传动杆13向前或向后运动;俯仰传动杆13通过驱动齿轮44带动驱动丝杠41转动,使驱动螺母上下移动,从而带动弧形滑块6、弧形导轨7和筒形滑块5一起沿竖直方向上下平移,筒形滑块5带动镜体连杆4的一端上下移动,最终驱动定日镜1实现对太阳俯仰角度的跟踪。方位电机21根据控制指令旋转一定角度,带动方位传动轮20转动,方位传动轮20带动方位传动杆19向前或向后运动,方位传动杆19推拉扇形齿轮17的柄使扇形齿轮17绕其中心转轴转动,扇形齿轮17带动方位齿轮16转动,最终驱动支架3转动到程序指定的方位角度,实现对太阳方位角度的跟踪。当支架3旋转跟踪太阳方位角时,定日镜1、俯仰轴2、镜体连杆4、筒形滑块5和弧形导轨7一起绕支架3的中心轴线转动,弧形滑块6将沿弧形导轨7自由滑动。
聚光光伏发电系统的镜场布置成方阵,以实现双电机驱动一列定日镜做俯仰和方位运转。为了避免定日镜在运转的过程中与传动杆发生碰撞,传动杆需设计在定日镜下方并与镜面保持足够的距离。定日镜的俯仰旋转轴与水平面平行并位于镜面内,方位旋转轴与铅垂方向平行并通过轴承固定在横梁和地基上,横梁起到稳固定日镜的作用,并避免与镜体发生碰撞。
本发明不限于上述实施方式,所属领域技术人员还可以根据本发明的基本构思设计出其他简单变形的装置。应当理解的是,凡是在本发明权利要求1技术方案基础上作出的任何简单变形都在本发明意图保护范围之内。
Claims (6)
1.一种太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置,其特征在于包括俯仰跟踪控制机构,方位跟踪控制机构,各定日镜传动机构;所述俯仰跟踪控制机构包括俯仰传动杆(13),俯仰传动轮(14),俯仰电机(15);所述方位跟踪控制机构包括方位传动杆(19),方位传动轮(20),方位电机(21);俯仰传动轮(14)与俯仰电机(15)连接,俯仰传动杆(13)与俯仰传动轮(14)连接,俯仰电机(15)驱动俯仰传动轮(14)转动,带动俯仰传动杆(13)做推拉往复运动;方位传动轮(20)与方位电机(21)连接,方位传动杆(19)与方位传动轮(20)连接,方位电机(21)驱动方位传动轮(20)转动,带动方位传动杆(19)做推拉往复运动;俯仰传动杆(13)和方位传动杆(19)往复运动,通过各定日镜传动机构驱动定日镜(1)完成俯仰和方位运转;所述定日镜传动机构包括支架(3),镜体连杆(4),筒形滑块(5),弧形滑块(6),弧形导轨(7),滑块连杆(8),摇杆(9),方位齿轮(16),扇形齿轮(17);支架(3)竖直安装在横梁(12)和地基上,可相对于横梁(12)和地基自由转动,横梁(12)固定于地基上;支架(3)的顶端固定有俯仰轴(2),定日镜(1)安装在俯仰轴(2)上,可绕俯仰轴(2)自由转动;筒形滑块(5)套装在支架(3)上,可相对于支架(3)自由转动和上下平移;弧形导轨(7)安装固定在筒形滑块(5)上;弧形滑块(6)安装在弧形导轨(7)上并可相对弧形导轨(7)自由滑动;镜体连杆(4)的一端通过第一转轴(31)与定日镜(1)的偏离顶点的部位活动连接,另一端通过第二转轴(32)与弧形导轨(7)活动连接;滑块连杆(8)的一端通过第三转轴(33)与弧形滑块(6),另一端通过第四转轴(34)与摇杆(9)连接;摇杆(9)通过第五转轴(35)与横梁(12)连接,通过第六转轴(36)与俯仰传动杆(13)连接;俯仰传动杆(13)往复运动使摇杆(9)摆动,通过滑块连杆(8)带动筒形滑块(5)作上下往复运动;方位齿轮(16)安装在支架(3)与横梁(12)的交点偏上的位置,扇形齿轮(17)的中心旋转轴安装在卡具(18)上,卡具(18)固定在横梁(12)上,并且扇形齿轮(17)与方位齿轮(16)啮合;扇形齿轮(17)的柄通过第九转轴(39)与方位传动杆(19)相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置,其特征在于所述俯仰传动轮(14)的偏离旋转中心的部位通过第七转轴(37)与俯仰传动杆(13)活动连接;第七转轴(37)到俯仰传动轮(14)旋转中心的距离等于第五转轴(35)到第六转轴(36)之间距离。
3.根据权利要求1所述的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置,其特征在于所述方位传动杆(19)通过第八转轴(38)与方位传动轮(20)的偏离旋转中心的部位连接;第八转轴(38)到方位传动轮(20)旋转中心的距离等于第九转轴(39)到扇形齿轮(17)的旋转中心的距离。
4.根据权利要求1所述的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置,其特征在于镜体连杆(4)的长度可调。
5.根据权利要求1所述的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置,其特征在于所述俯仰传动轮(20)圆周上的传动齿与俯仰传动杆(13)上的传动齿条(46)啮合;定日镜传动机构包括支架(3),镜体连杆(4),筒形滑块(5),弧形滑块(6),弧形导轨(7),驱动丝杠(41),驱动螺母(42),驱动齿轮(44),方位齿轮(16),扇形齿轮(17);支架(3)竖直安装在横梁(12)和地基上,可相对于横梁(12)和地基自由转动,横梁(12)固定于地基上;支架(3)的顶端固定有俯仰轴(2),定日镜(1)安装在俯仰轴(2)上,可绕俯仰轴(2)自由转动;筒形滑块(5)套装在支架(3)上,可相对于支架(3)自由转动和上下平移;弧形导轨(7)安装固定在筒形滑块(5)上;弧形滑块(6)安装在弧形导轨(7)上并可相对弧形导轨(7)自由滑动;镜体连杆(4)的一端通过第一转轴(31)与定日镜(1)的偏离顶点的部位活动连接,另一端通过第二转轴(32)与弧形导轨(7)活动连接;俯仰传动杆(13)上的驱动齿条(45)与固定在驱动丝杠(41)下部的驱动齿轮(44)啮合,驱动丝杠(41)通过轴承(43)与横梁(12)活动连接,驱动丝杠(41)的上部与驱动螺母(42)配合,驱动螺母(42)与弧形滑块(6)固定连接;俯仰传动杆(13)往复运动通过驱动齿轮(44)、驱动丝杠(41)和驱动螺母(42)带动筒形滑块(5)作上下往复运动;方位齿轮(16)安装在支架(3)与横梁(12)的交点偏上的位置,扇形齿轮(17)的中心旋转轴安装在卡具(18)上,卡具(18)固定在横梁(12)上,并且扇形齿轮(17)与方位齿轮(16)啮合;扇形齿轮(17)的柄通过第九转轴(39)与方位传动杆(19)相连。
6.根据权利要求5所述的太阳能聚光光伏发电镜场跟踪控制装置,其特征在于镜体连杆(4)的长度可调。
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