CN102062480B - 一种利用太阳能给真空集热器加热的极轴式自动跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用太阳能给真空集热器加热的极轴式自动跟踪系统，它包括支撑柱、两根立柱、反光镜、传动装置和驱动装置，特征是：反光镜的活动托架由连为一体的横杆、斜杆和右金属支脚架构成，反光镜框通过若干金属支杆与活动托架联接在一起，在反射镜框内安装有槽式圆柱面反射镜，活动托架上装配有一圆柱型转动轴，转动轴插入支撑柱上的自润滑轴承套内；与转动轴同轴的真空集热器安装在上、下固定环之间。本发明具有运行更稳定、减轻重量、增强抗风性能、具有极高的性价比、容易实现商业化的优点，它采用的是新型极轴式一维跟踪方式，可以实现固定目标下的跟踪，提高了系统的了聚光比，降低了镜面的制造成本。

Description

一种利用太阳能给真空集热器加热的极轴式自动跟踪系统

技术领域

本发明涉及太阳能光热转换设备，尤其是涉及一种利用太阳能给真空集热器加热的极轴式自动跟踪系统。

背景技术

极轴式太阳能自动跟踪系统，其运行特点是：槽式抛物面反光镜绕极轴转动跟踪太阳时角，再通过调整俯仰角跟踪太阳赤纬角，进而完成二维跟踪。因太阳赤纬的变化甚微，常规的极轴式太阳能自动跟踪系统是通过定期调整跟踪装置的俯仰角将二维跟踪简化为一维跟踪，这种方式虽具有跟踪精度高、太阳能利用效率高、系统硬件与运行成本低等优点，具有很好的实用价值，但二维跟踪需要2台电机，设备结构复杂，系统的功耗大、建设成本过高。现行极轴式太阳能自动跟踪系统普遍存在以下三个方面： 

一、现行的极轴式太阳能自动跟踪系统，由于太阳能接收器(中间的聚焦管线)固定在抛物面反射镜上，太阳能接收器会随着抛物面反射镜一起运动，无法实现固定目标下的跟踪。当众多的抛物面反射镜串并联成聚光集热器阵列时，各集热器组件之间的联接必须采用金属波纹管，致使输送热量管道的承压能力受到限制。

二、由于抛物面有着严格的焦线，因此采用抛物面反光镜的极轴式太阳能自动跟踪系统聚焦精确，结构可以做得紧凑，可是抛物面的加工困难，尤其是采用钢化玻璃制造的抛物面反射镜，目前还存在着较大技术障碍；而制造钢化玻璃的圆柱面反射镜则是一项成熟技术，采用槽式圆柱面反射镜替代槽式抛物面反射镜可以大幅度地降低制造成本，容易实现商业化。然而，槽式圆柱面反射镜的应用基础是光学理论中的“傍轴光线”，存在着球面像差，这就使得槽式圆柱面反射镜的最大的开口宽度受到了限制。

三、极轴式太阳能自动跟踪系统由于自身特点是斜立在地面上的，因此风阻较大，这就要求驱动系统有更强大的动力以驱动反光镜转动，而加大驱动系统的功率不仅增加了制造成本，同时也增大了发电系统自身的能耗，这就更加需要设计出更为合理的驱动系统和重力平衡装置加以优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运行更稳定、减轻重量、增强抗风性能、具有极高的性价比、容易实现商业化的利用太阳能给真空集热器加热的极轴式自动跟踪系统，它采用的是新型极轴式一维跟踪方式，可以实现固定目标下的跟踪，提高了系统的了聚光比，降低了镜面的制造成本。

本发明的目的是这样实现的： 

一种利用太阳能给真空集热器加热的极轴式自动跟踪系统，包括支撑柱、两根立柱、传动装置和驱动装置，支撑柱和两根立柱的底端均通过螺栓固定在地面上，特征是：在支撑柱的顶端安装有自润滑轴承套，活动托架由连为一体的横杆、斜杆和右金属支脚架构成，横杆与斜杆成钝角，右金属支脚架固定在斜杆的下端，平衡锤拉索的上端固定在横杆的右端，平衡锤拉索的下端安装有平衡锤；

在斜杆的顶端右边固定有圆柱形的转动轴，转动轴的右端插入支撑柱上的自润滑轴承套内；“凵”形且让斜杆穿过的真空集热器座架的右板固定在支撑柱上，在真空集热器座架的左板上固定有下定位环，在真空集热器座架上还设有一个用于安装作为真空集热器的直通式金属--玻璃真空集热管的输液管路的管道孔；真空集热器支撑横板横架在两根立柱之间，在真空集热器支撑横板的中间加工有一个通心轴，真空集热器的右端固定在下固定环上，真空集热器的左端穿过通心轴，并被固定在通心轴下面的上固定环上；

圆弧形的反射镜框由圆弧形的上肋板、中肋板、下肋板、上侧板、下侧板和若干个金属支杆组成，各金属支杆贯穿上肋板、中肋板、下肋板后，向右延伸形成右金属支脚，右金属支脚固定在右金属支脚架上，且位于中间的一根金属支杆还向左延伸形成左金属支杆，在左金属支杆的左端固定有旋转柄，在旋转柄的顶端安装有设置在通心轴外侧的自润滑轴承套，在反射镜框内安装有槽式圆柱面反射镜。

所述传动装置由圆弧齿轮和主动齿轮组成，圆弧齿轮安装在斜杆的底端左边，主动齿轮安装在驱动装置的输出轴上，主动齿轮与圆弧齿轮啮合，主动齿轮通过圆弧齿轮带动反光镜转动。或，所述传动装置由蜗轮和蜗杆组成，蜗轮安装在转动轴的左端，与蜗轮啮合的蜗杆通过输出轴连接器与驱动装置的输出轴固定连接，在驱动装置的驱动下，通过带动蜗轮蜗杆驱动反光镜工作。

支撑柱与斜杆构成的夹角为当地的纬度φ，以保证真空集热器与地面的夹角为当地的纬度φ。

真空集热器的长度比槽式圆柱面反射镜的高度至少长出数值2×H，其中H≥r×tagΩ，式中式中r为入射光线和真空集热器的转动轴中心线所形成的平面与槽式圆柱面反射镜的交线到真空集热器的转动轴中心线的距离，Ω为最大赤纬角。

真空集热器放置于槽式圆柱面反射镜焦线偏槽式圆柱面反射镜方向一侧。

在由钢化玻璃或反光铝板制成的槽式圆柱面反射镜的上表面镀有强反射层。

驱动装置为伺服马达、减速机或电液推动杆，平衡锤为金属块或石块，用以平衡槽式圆柱面反射镜及活动托架在运行中的重量，以减轻驱动装置的负荷。

本发明的工作原理是：1、采用槽式圆柱面反射镜，以真空集热器作为固定的极轴，通过驱动装置使槽式圆柱面反光镜围绕真空集热器旋转，做一维跟踪太阳时角，解决了槽式圆柱面反射镜替代槽式抛物面反光镜问题。2、由于单轴跟踪型只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面就行，且结构简单，便于制造和维修，因此本发明是通过增加真空集热器长度（使槽式圆柱面反光镜的高度小于真空集热管的长度）的方法来将二维跟踪简化为一维跟踪的，真空集热器的长度比反射镜的高度至少长出数值2×H。加长真空集热器的目的是为了在赤纬角变化的范围内，真空集热器具有足够的长度能够接收到槽式圆柱面反光镜的反射光线，解决了因赤纬变化产生的光线漂移问题，进而将二维跟踪简化为一维跟踪。世界各地都具有相同的赤纬角Ω，它们跟所在地区无关, 而只跟地球相对于太阳的位置即一年中的某月某日有关, 不同的日期, 有不同的赤纬角，太阳在远日点和近日点的位置上赤纬角Ω最大（北纬23.45°和南纬23.45°）。

本发明又通过将真空集热器置于槽式圆柱面反射镜的焦线偏反光镜方向一侧（焦线后置技术），可以让槽式圆柱面反射镜在一定的聚光范围内得到一个拟合的槽式抛物面反射镜，从而使得槽式圆柱面反射镜获得了最大的开口宽度，降低了反射镜面的制造成本，优化了极轴式太阳能自动跟踪系统。经平衡锤平衡后，极轴式太阳能自动跟踪系统的重量基本被平衡了，整个极轴式太阳能自动跟踪系统被轻轻一带就能转动，这样的有益效果是：大大减轻了驱动装置的负荷，甚至用一个伺服马达驱动一根传动杆就可以带动3至5个极轴式太阳能自动跟踪系统，降低了制造成本，减少了发电系统自身能耗。

当聚光比要求不高，槽式圆柱面反射镜至旋转轴之间的距离较近，转动的负荷也较轻，这时驱动装置得到简化，不需要安装圆弧齿条，只需将蜗轮代替主动齿轮直接安装在转动轴上，在驱动装置的驱动下，通过传动杆带动蜗轮蜗杆驱动跟踪器工作。或，传动装置采用电液推杆，使活塞杆在导向套内前后做直线运动推动反光镜转动。

极轴式太阳能自动跟踪系统适用于各种类型的真空集热器，如：专利号为201010298493.3的《一种太阳能中、高温集热与换热装置》、热管式集热器、内插U型管的全玻璃真空集热器以及直通式金属--玻璃真空集热管。由于实现了固定真空集热器的跟踪，也就意味着可以固定输送热量的管道，进而为各种中、高温应用提供便利。

因此，本发明同现有技术相比具有如下优点：

1、可以实现固定目标下的跟踪，克服了现有槽式太阳能热发电技术无法实现固定目标下的跟踪问题，同时可以固定输送热量的管路，使输送热量子系统可以承受较高压力，为各种太阳能中、高温应用提供了一种新的运行模式。

2、槽式圆柱面反射镜依照不同的用途，可以做成2米×3米或3米×4米的单体，使得极轴式太阳能自动跟踪系统重量大大减轻，抗风性能大大增强。

3、采用焦线后置技术，使得槽式圆柱面反射镜获得了更大的开口宽度，提高了系统的聚光比，降低了镜面的制造成本，优化了极轴式太阳能自动跟踪系统。

4、综合采用了平衡锤技术、边轮驱动技术，使得机构对日跟踪的精度最高，负荷最小，将众多的槽式圆柱面反射镜串并联成聚光集热器阵列时，用一个驱动器可以带动更多的极轴式太阳能自动跟踪系统。所以新型极轴式一维跟踪方式的制造成本最小、运行更稳定，具有极高的性价比、容易实现商业化。

附图说明

图1为实施例1的正视图；

图2为图1的俯视图；

图3为实施例1的剖视图；

图4为图3中A区域的放大剖视图；

图5为图3中B区域的放大剖视图；

图6为图1的立体结构示意图；

图7为实施例1中的真空集热器的长度与槽式圆柱面反射镜的高度关系图； 

图8为实施例1中的焦线后置关系图；

图9为实施例2的正视图；

图10为实施例3的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种利用太阳能给真空集热器加热的极轴式自动跟踪系统，包括支撑柱1、两根立柱20、传动装置12和驱动装置13，支撑柱1和两根立柱20的底端均通过螺栓30固定在地面31上，在支撑柱1的顶端安装有自润滑轴承套2，活动托架7由连为一体的横杆6、斜杆9和右金属支脚架10构成，横杆6与斜杆9成钝角，右金属支脚架10固定在斜杆的下端，平衡锤拉索5的上端固定在横杆6的右端，平衡锤拉索5的下端安装有平衡锤4；

在斜杆9的顶端右边固定有圆柱形的转动轴3，转动轴3的右端插入支撑柱上的自润滑轴承套2内；“凵”形且让斜杆9穿过的真空集热器座架8的右板32固定在支撑柱1上，在真空集热器座架8的左板23上固定有下定位环25，在真空集热器座架8上还设有一个用于安装作为真空集热器22的直通式金属--玻璃真空集热管的输液管路的管道孔36；真空集热器支撑横板24横架在两根立柱20之间，在真空集热器支撑横板24的中间加工有一个通心轴34，真空集热器22的右端固定在下固定环25上，真空集热器22的左端穿过通心轴34，并被固定在通心轴34下面的上固定环37上；

圆弧形的反射镜框17由圆弧形的上肋板27、中肋板28、下肋板29、上侧板33、下侧板26和若干个金属支杆16组成，各金属支杆16贯穿上肋板27、中肋板28、下肋板29后，向右延伸形成右金属支脚18，右金属支脚18固定在右金属支脚架10上，且位于中间的一根金属支杆16还向左延伸形成左金属支杆19，在左金属支杆19的左端固定有旋转柄21，在旋转柄21的顶端安装有设置在通心轴34外侧的自润滑轴承套38，在反射镜框17内安装有槽式圆柱面反射镜35。

所述传动装置12由圆弧齿轮11和主动齿轮15组成，圆弧齿轮11安装在斜杆9的底端左边，主动齿轮15安装在驱动装置13的输出轴14上，主动齿轮15与圆弧齿轮11啮合。

支撑柱1与斜杆9构成的夹角为当地的纬度φ，以保证真空集热器22与地面的夹角为当地的纬度φ。

真空集热器22的长度L1比槽式圆柱面反射镜35的长度L2至少长出数值2×H，其中H≥r×tagΩ，式中r为入射光线和真空集热器22的转动轴中心线所形成的平面与槽式圆柱面反射镜35的交线到真空集热器22的转动轴中心线的距离，Ω为最大赤纬角。

真空集热器22放置于槽式圆柱面反射镜35的焦线偏槽式圆柱面反射镜35方向一侧。

在由钢化玻璃或反光铝板制成的槽式圆柱面反射镜35的上表面镀有强反射层。

驱动装置13为伺服马达，平衡锤4为金属块，用以平衡槽式圆柱面反射镜35及活动托架7在运行中的重量，以减轻驱动装置13的负荷。

焦线后置技术：通常，真空集热器22是置于槽式圆柱面反射镜35焦线位置上的，其理论焦点用数学式表达为：f=R/2。R圆柱面反射镜35的半径。但由于槽式圆柱面反射镜35的应用基础是光学理论中的“傍轴光线”，存在着球面象差现象，当想获得较大的入射光线的开口宽度B时，光线不能全部聚合在焦线上。因此，本发明中特别将真空集热器22置于焦线偏槽式圆柱面反射镜35一侧，使得槽式圆柱面反射镜35在一定的入射光线的开口宽度G范围内得到一个拟合的槽式抛物面反射镜。如图8所示，本发明中的真空集热器22的轴心点并不位于圆柱面反光镜的焦点F上，而是离圆弧的焦点F有一小段距离a，焦线后置技术在图8上所反应的关系为：C点为圆弧线的圆心，V点为圆弧线的中心点，CV为圆弧线的光轴，真空集热器22的中心位置在光轴上距V点的距离为实际焦距d，真空集热器22的实际焦距d可用公式表达为：d＝f－a，其中a＝x%×f，a为真空集热器22的理论焦距f与实际焦距d向槽式圆柱面反射镜35方向的偏置量，f为槽式圆柱面反射镜35的理论焦距，x为偏置量系数，在聚光比为20至80的范围内，x的取值为12至3。

通过将焦线后置，槽式圆柱面反射镜35在一定范围内克服了“球面像差”现象，使槽式圆柱面反射镜35获得了较大的入射光线的开口宽度B (e1和e2为入射光， R为反光镜半径)，这项技术有利于缩小机构的空间体积，优化了极轴式太阳能自动跟踪系统。

实施例2：

实施例2的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

所述传动装置12由蜗杆40和蜗轮41组成，蜗轮41安装在转动轴3的左端，与蜗轮41啮合的蜗杆40通过输出轴连接器与驱动装置13的输出轴14固定连接，驱动装置13固定在托板39上，在驱动装置13的驱动下，通过带动蜗杆40、蜗轮41驱动跟踪器工作。

驱动装置13为步进马达。平衡锤4为石块。

实施例3：

实施例3的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

所述传动装置12由活塞杆42和导向套43组成，驱动装置13固定在托板39上，在驱动装置13的驱动下，使导向套43内的液压缸产生压力，压力使活塞杆42在导向套43内前后做直线运动推动槽式圆柱面反射镜35转动。

所述驱动装置13是步进马达，步进马达、活塞杆42和导向套43共同构成电液推杆，平衡锤4为金属块。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优先实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中工程技术人员依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，均落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种利用太阳能给真空集热器加热的极轴式自动跟踪系统，包括支撑柱（1）、两根立柱（20）、传动装置（12）和驱动装置（13），支撑柱（1）和两根立柱（20）的底端均通过螺栓（30）固定在地面（31）上，在支撑柱（1）的顶端安装有自润滑轴承套（2），活动托架（7）由连为一体的横杆（6）、斜杆（9）和右金属支脚架（10）构成，横杆（6）与斜杆（9）成钝角，右金属支脚架（10）固定在斜杆的下端，平衡锤拉索（5）的上端固定在横杆（6）的右端，平衡锤拉索（5）的下端安装有平衡锤（4）；

在斜杆（9）的顶端右边固定有圆柱形的转动轴（3），转动轴（3）的右端插入支撑柱上的自润滑轴承套（2）内；“凵”形且让斜杆（9）穿过的真空集热器座架（8）的右板（32）固定在支撑柱（1）上，在真空集热器座架（8）的左板（23）上固定有下定位环（25），在真空集热器座架（8）上还设有一个用于安装作为真空集热器（22）的直通式金属--玻璃真空集热管的输液管路的管道孔（36）；真空集热器支撑横板（24）横架在两根立柱（20）之间，在真空集热器支撑横板（24）的中间加工有一个通心轴（34），真空集热器（22）的右端固定在下固定环（25）上，真空集热器（22）的左端穿过通心轴（34），并被固定在通心轴（34）下面的上固定环（37）上；

圆弧形的反射镜框（17）由圆弧形的上肋板（27）、中肋板（28）、下肋板（29）、上侧板（33）、下侧板（26）和若干个金属支杆（16）组成，各金属支杆（16）贯穿上肋板（27）、中肋板（28）、下肋板（29）后，向右延伸形成右金属支脚（18），右金属支脚（18）固定在右金属支脚架（10）上，且位于中间的一根金属支杆（16）还向左延伸形成左金属支杆（19），在左金属支杆（19）的左端固定有旋转柄（21），在旋转柄（21）的顶端安装有设置在通心轴（34）外侧的自润滑轴承套（38），在反射镜框（17）内安装有槽式圆柱面反射镜（35）。

2.根据权利要求1的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：所述传动装置（12）由圆弧齿轮（11）和主动齿轮（15）组成，圆弧齿轮（11）安装在斜杆（9）的底端左边，主动齿轮（15）安装在驱动装置（13）的输出轴（14）上，主动齿轮（15）与圆弧齿轮（11）啮合。

3.根据权利要求1的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：所述传动装置（12）由蜗杆（40）和蜗轮（41）组成，蜗轮（41）安装在转动轴（3）的左端，与蜗轮（41）啮合的蜗杆（40）通过输出轴连接器与驱动装置（13）的输出轴（14）固定连接。

4.根据权利要求1的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：所述传动装置（12）由活塞杆（42）和导向套（43）组成。

5.根据权利要求2或3或4的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：支撑柱（1）与斜杆（9）构成的夹角为当地的纬度φ，以保证真空集热器（22）与地面的夹角为当地的纬度φ。

6.根据权利要求5的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：真空集热器（22）的长度L1比槽式圆柱面反射镜（35）的长度L2至少长出数值2×H，其中H≥r×tagΩ，式中r为入射光线和真空集热器（22）的转动轴中心线所形成的平面与槽式圆柱面反射镜（35）的交线到真空集热器（22）的转动轴中心线的距离，Ω为最大赤纬角。

7.根据权利要求6的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：真空集热器（22）放置于槽式圆柱面反射镜（35）的焦线偏槽式圆柱面反射镜（35）方向一侧。

8.根据权利要求6的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：在由钢化玻璃或反光铝板制成的槽式圆柱面反射镜（35）的上表面镀有强反射层。

9.根据权利要求7的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：真空集热器（22）的实际焦距d可用公式表达为：d＝f－a，其中a＝x%×f，a为真空集热器（22）的理论焦距f与实际焦距d向槽式圆柱面反射镜（35）方向的偏置量， f为槽式圆柱面反射镜（35）的理论焦距，x为偏置量系数，在聚光比为20至80的范围内，x的取值为12至3。

10.根据权利要求1的极轴式太阳能自动跟踪系统，其特征在于：驱动装置（13）为伺服马达、减速机或电液推动杆，平衡锤（4）为金属块或石块。

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