CN102269481B - 一种太阳能集热聚焦跟踪驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能集热聚焦跟踪驱动机构在槽式太阳能热发电工程上的应用。其特征在于，包括：法兰轴、连杆、销轴、单活塞式液压缸、驱动机构支撑架、抛物面聚光器主轴、抛物面聚光器主轴支撑架。法兰轴与抛物面聚光器主轴同心连接；连杆与活塞式液压缸相连接；销轴连接连接件和液压缸。所述单活塞式液压缸，主要包括缸筒和活塞杆。单活塞杆只有一端有活塞杆，通过油泵压油或回油，缓缓地推动活塞杆从缸筒中伸长或回缩，然后使连接件摆动，最后使法兰轴转动，从而驱动槽式抛物面进行转动。本发明结构简单、转动平稳，负荷量大，作为槽式集热抛物面聚焦跟踪驱动结构具有稳定可靠的特点，并可应用于大型槽式太阳能热发电站中。

Description

一种太阳能集热聚焦跟踪驱动机构

技术领域

本发明涉及一种太阳能集热聚焦跟踪驱动机械机构，尤其涉及的是一种槽式抛物面太阳能热发电聚焦跟踪控制的液压双直线驱动机构。

背景技术

太阳能是一种容易获取、取之不尽、洁净无污染的可再生能源，开发和利用太阳能等可再生能源，缓解能源供应与环境压力，促进经济可持续发展，具有重要的战略意义。太阳能光热利用方式主要有平板集热器、抛物面(线)聚焦集热器、塔式中央集热器、碟式聚焦器等。

槽式太阳能热发电技术是一项具有规模化能力、近期内可实现商业化应用的技术。抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到线型中高温集热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。为了提高槽式太阳能热发电系统的效率，涉及到抛物面聚光器的机械驱动机构以及太阳自动跟踪控制，通过该驱动机构控制抛物面聚光器时刻对准太阳，保证从源头上最大限度地吸收太阳能，据统计跟踪比非跟踪获得的能量要高出37.7％。机械驱动机构控制抛物面聚光器在一天之内自东向西旋转对太阳位置进行跟踪，并能够在第二天早上回到起点位置。驱动机构在满足抛物面聚光器机械负荷的要求下，还要有一定的抗风性能，在额定风载下系统正常工作，并且不影响跟踪精度，在极大风的情况下，能够自锁在保持位置，停机运行，避免聚光器受到损坏。

中国实用新型专利“槽式抛物面太阳能集热装置”，申请号：200920032819.0，提出了一种采用驱动电机以及齿轮传动的传动机构，电机作为动力装置，从动小齿轮分别与传动轴上的从动大齿轮和电机输出轴上的齿轮相啮合，电机通过传动部分带动聚光部分旋转进行太阳跟踪。这种结构的缺点是扭矩较小，不适合大规模抛物面聚焦装置应用，而且精度不高。

中国发明专利“可跟踪太阳光线的多光反射抛物面、同焦区的太阳能聚光装置”，申请号：200910301657.0，提出了一种采用步进电机与涡轮蜗杆相结合的驱动机构，同样的这种传动机构只适合于小型太阳能集热聚焦设备应用。

因此，提供一种结构简单、设计合理、安全可靠、适合大规模应用的槽式太阳能热发电驱动机构，成为该领域技术人员急待解决问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、设计合理、安全可靠、实用效果显著的槽式太阳能热发电驱动机构。

为实现上述目的本发明所采取的技术方案是：一种太阳能集热聚焦跟踪驱动机构，包括有驱动机构支撑架、抛物面聚光器、抛物面聚光器主轴支撑架，在抛物面聚光器主轴支撑架上连接有主轴，抛物面聚光器设在主轴上，其特征在于：主轴同心连接有法兰轴，在法兰轴的外围分别套有第一连杆、第二连杆；驱动机构支撑架上分别转动连接有第一液压缸、第二液压缸，第一液压缸、第二液压缸的上端分别与第一连杆、第二连杆轴连接；还包括有控制系统，其用于根据日地相对运动位置算法计算太阳所处的位置，得到抛物面聚光器需要旋转的角度θ，并分别对第一液压缸、第二液压缸发送指令，通过第一液压缸、第二液压缸的双直线运动转化为抛物面聚光器的旋转运动，使抛物面聚光器转动到预定角度。

所述第一连杆、第二连杆分别与法兰轴相焊接，其形成的中心线夹角为60度。

所述第一连杆、第二连杆分别与第一液压缸、第二液压缸通过销轴连接。

所述第一液压缸、第二液压缸为单活塞式液压缸，包括缸筒以及同轴设在缸筒内的单活塞杆，两个单活塞杆上端分别与第一连杆、第二连杆轴连接，下端分别与驱动机构支撑架轴连接。通过油泵压油或回油，缓缓地推动活塞杆从缸筒中伸长或回缩，推动连杆摆动，最后使法兰轴转动，从而驱动抛物面聚光器进行旋转。

上述第一液压缸和第二液压缸形成的液压驱动、以及由第一连杆、第二连杆形成的双摆动导杆的紧密结合构成运动转换装置。

抛物面聚光器的东西方向旋转角度至少为180度，最大旋转角度为220度。其中，抛物面聚光器在水平位置朝东/西方向旋转的最大角度为110度。

所述的驱动机构控制系统采用可编程控制器PLC作为控制单元，控制系统的运行具有手动控制和自动跟踪控制两种工作模式。自动跟踪控制模式下进行太阳跟踪，在手动模式下进行系统安装调试、维护等。

还包括一个用于转动角度位置测量的旋转编码器，其一端与抛物面聚光器转动轴同心刚性连接，信号输出端与控制系统测量板连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：将双液压缸的直线运动到抛物集热面旋转运动的转换，其机械结构简单，易于加工。采用液压设备作为驱动，能提供较大的扭矩，机械负荷量大，抗风性能好，作为大规模槽式热发电装置驱动结构具有安全可靠的特点。槽式抛物面集热装置可在所述跟踪机构的驱动下达到最佳的集热效果实现全天候工作，具有很高的自动化程度。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的工作原理示意图；

图3a为本发明一天之内运行示意图(东-黎明)；

图3b为本发明一天之内运行示意图(东-上午)；

图3c为本发明一天之内运行示意图(垂直-正午)；

图3d为本发明一天之内运行示意图(西-下午)；

图3e为本发明一天之内运行示意图(西-傍晚)；

图4a为本发明驱动结构旋转极限位置示意图(东-极限位置)；

图4b为本发明驱动结构旋转极限位置示意图(西-极限位置)；

图5为图1的立体结构示意图；

图6为控制系统原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

如图1、图5和图6所示，本发明一种太阳能集热聚焦跟踪驱动机构，包括有驱动机构支撑架5、抛物面聚光器30、抛物面聚光器主轴支撑架7，在抛物面聚光器主轴支撑架7上连接有主轴6，抛物面聚光器30设在主轴6上，主轴6同心连接有法兰轴1，目的在于通过上述的传动机构带动抛物面聚光器进行太阳跟踪，在法兰轴1的外围分别套有第一连杆21、第二连杆22；驱动机构支撑架5上分别转动连接有第一液压缸10、第二液压缸20，第一液压缸10、第二液压缸20的上端分别与第一连杆21、第二连杆22轴连接；还包括有控制系统，其用于根据日地相对运动位置算法计算太阳所处的位置，得到抛物面聚光器30需要旋转的角度θ，并分别对第一液压缸10、第二液压缸20发送指令，通过第一液压缸10、第二液压缸20的双直线运动转化为抛物面聚光器30的旋转运动。还具有一个用于转动角度位置测量的旋转编码器40，旋转编码器40一端与抛物面聚光器30转动轴同心刚性连接，作为控制系统的抛物面聚光器30角度测量反馈信号，构成一个闭环反馈系统，信号输出端与控制系统测量板连接以进行位置测量，闭环系统对太阳位置计算值与抛物面聚光器30反馈值进行比较，对其误差值进行算法运算，控制消除系统误差，提高系统精度。

第一连杆21、第二连杆22分别与法兰轴1相焊接，其形成的中心线夹角为60度。

第一连杆21、第二连杆22分别与第一液压缸10、第二液压缸20通过销轴3连接。

第一液压缸10、第二液压缸20为单活塞式液压缸，包括缸筒50以及同轴设在缸筒50内的单活塞杆60，两个单活塞杆60上端分别与第一连杆21、第二连杆22轴连接，下端分别与驱动机构支撑架5轴连接。通过油泵压油或回油，缓缓地推动活塞杆从缸筒中伸长或回缩，推动连杆摆动，最后使法兰轴转动，从而驱动抛物面聚光器进行旋转；通过两条液压缸4的双直线运动转化为主轴的旋转运动，简化了驱动机构的设计。

如图2所示，假设在某一时刻抛物面聚光器30在水平位置对准太阳，经过一段时间之后，太阳已经偏离原来位置，控制系统根据日地相对运动位置算法重新计算太阳所处的位置，得到聚光器需要旋转的角度θ，同时对两条液压缸发送指令，使第二液压缸20进行推动作，第一液压缸10进行拉动作，第一液压缸10和第二液压缸20摆动到新的位置10′和20′，推动抛物面聚光器旋转到新的位置30′，通过第一液压缸10和第二液压缸20推/拉直线运动到聚光器旋转运动的转换，完成一次重新对准太阳的过程。

实施例

1、一种槽式太阳能聚光器跟踪驱动装置

图3(a)～(e)描述了槽式太阳能聚光器驱动机构一天之内自东向西的追日运动过程。槽式抛物面太阳能聚光器的安装方向为南北方向，进行东西方向跟踪。

如图3(a)所示，日出的时候，太阳的高度角为0，抛物面聚光器朝正东为一天的初始位置。随着太阳的升起，控制系统每隔1分钟计算一次太阳所在的位置，并转化为抛物面聚光器的角度，定义水平位置为0度，上午对太阳的角度为负角度，下午对太阳的角度为正角度。判断聚光器的旋转方向，发指令控制第一液压缸10和第二液压缸20产生双拉动作，使抛物面聚光器成顺时针转动对准太阳。

如图3(b)所示，当第二液压缸20与地面垂直时，是第二液压缸20的死点位置，第二液压缸20不能继续拉动，必须从原来的拉动状态切换到卸压状态，第一液压缸10继续产生拉动作，由于此处抛物面聚光器的中心偏离旋转轴不远，单液压缸产生的扭力足够使抛物面聚光器平稳转动。

如图3(c)所示，在正午时刻，抛物面聚光器处于水平位置，为系统的零点位置，此时抛物面聚光器的重心位于旋转轴上，第一液压缸10保持收缩状态且产生拉力，第二液压缸20转换为伸展状态且产生推力，带动连杆使槽式抛物面成顺时针转动。

如图3(d)所示，当第一液压缸10与地面垂直时，是第一液压缸10的死点位置，第一液压缸10不能继续推力，必须从原来的推动状态切换到卸压状态，第二液压缸20继续产生推动作，由于此处抛物面聚光器的重心在液压缸另一侧，单液压缸产生的推力足够使抛物面聚光器平稳转动。

如图3(e)所示，日落的时候，太阳的高度角为0，抛物面聚光器朝正西为一天的终止位置。考虑到夜间的抗风安全情况，此时控制系统发出指令使聚光器旋转到保持位置停机，并在第二天早上的时候驱动系统返回到一天的初始位置。

如图4所示，图4(a)、图4(b)分别为抛物面聚光器驱动装置朝东、西方向的极限位置。为了便于对抛物面聚光器、中高温集热管等进行安装调试以及维护，需要将抛物面聚光器调整到开口向下的位置，根据液压缸的伸出最大直线行程以及双连杆的夹角为60度设计，抛物面聚光器在水平位置朝东/西方向旋转的最大角度为110度，东西方向旋转的最大角度为220度。

本发明关于一种槽式热发电系统驱动装置的转换机构，特别适合于实际工程上的应用。在所述实施例中，图1中第一连杆21、第二连杆22与法兰轴1的中心距离为450mm，最大力臂为450mm，第一液压缸10和第二液压缸20能提供的最大压力为16MPa，液压缸活塞直径120mm，外径160mm，经过计算，在该驱动结构能稳定驱动24吨的槽式热发电系统。考虑到抗风强度与具体驱动机构能承受5080N·M的扭矩。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种太阳能集热聚焦跟踪驱动机构，包括有驱动机构支撑架（5）、抛物面聚光器（30）、抛物面聚光器主轴支撑架（7），在抛物面聚光器主轴支撑架（7）上连接有主轴（6），抛物面聚光器（30）中心位置设在主轴（6）上，其特征在于：主轴（6）同心连接有法兰轴（1），在法兰轴（1）的外围分别套有第一连杆（21）、第二连杆（22）；驱动机构支撑架（5）上分别转动连接有第一液压缸（10）、第二液压缸（20），第一液压缸（10）、第二液压缸（20）的上端分别与第一连杆（21）、第二连杆（22）轴连接；

还包括有控制系统，其用于根据日地相对运动位置算法计算太阳所处的位置，得到抛物面聚光器（30）需要旋转的角度θ，并分别对第一液压缸（10）、第二液压缸（20）发送指令，通过第一液压缸（10）、第二液压缸（20）的双直线运动转化为抛物面聚光器（30）的旋转运动，使抛物面聚光器（30）转动到预定角度；所述第一连杆（21）、第二连杆（22）分别与法兰轴（1）相焊接，其形成的中心线夹角为60度。

2.如权利要求1所述的太阳能集热聚焦跟踪驱动机构，其特征在于：所述第一连杆（21）、第二连杆（22）分别与第一液压缸（10）、第二液压缸（20）通过销轴（3）连接。

3.如权利要求1所述的太阳能集热聚焦跟踪驱动机构，其特征在于：所述第一液压缸（10）、第二液压缸（20）为单活塞式液压缸，包括缸筒（50）以及同轴设在缸筒（50）内的单活塞杆（60），两个单活塞杆（60）上端分别与第一连杆（21）、第二连杆（22）轴连接，下端分别与驱动机构支撑架（5）轴连接。

4.如权利要求1所述的太阳能集热聚焦跟踪驱动机构，其特征在于：所述抛物面聚光器（30）的东西方向旋转角度至少为180度，最大旋转角度为220度；抛物面聚光器（30）在水平位置朝东/西方向旋转的最大角度为110度。

5.如权利要求1所述的太阳能集热聚焦跟踪驱动机构，其特征在于：所述的控制系统采用可编程控制器PLC作为控制单元。

6.如权利要求1所述的太阳能集热聚焦跟踪驱动机构，其特征在于：还包括一个用于转动角度位置测量的旋转编码器（40），其一端与抛物面聚光器（30）转动轴同心刚性连接，信号输出端与控制系统测量板连接。

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