CN103165699B - 塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架 - Google Patents

塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架 Download PDF

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Abstract

本发明涉及塔式聚光太阳能集热、聚光太阳能光热发电和聚光光伏技术领域，尤其是一种塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，支架上方设有齿轮座，齿轮座两侧装有定日镜，所述的齿轮座上方安装有反射锥齿轮、过渡锥齿轮、入射锥齿轮、反射轴和入射轴，所述的反射锥齿轮和入射锥齿轮同轴，且反射锥齿轮、入射锥齿轮均与过渡锥齿轮啮合，两锥齿轮的轴向与过渡锥齿轮的轴向垂直，反射锥齿轮和反射轴相互固定，入射锥齿轮和入射轴相互固定，硅晶或聚光太阳能电池板安装在入射轴上，同时入射轴末端装有光电探头，反射轴一端与主旋转减速器相连接，另一端与准直校准仪器相连接；所述的齿轮座下方设有俯仰驱动结构一或俯仰驱动结构二。

Description

塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架
技术领域
本发明涉及塔式聚光太阳能集热、聚光太阳能光热发电和聚光光伏技术领域，尤其是一种塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架。
背景技术
聚光太阳能光热发电系统和聚光光伏系统及聚光太阳能集热系统，不耗用化石能源，无污染物排放，是生态环境和谐的清洁能源利用系统。目前槽式、塔式和蝶式等聚光太阳能热发电系统、聚光光伏系统和聚光集热京统同样受到世界各国的重视，并正在逐步扩大应用范围。而塔式系统以其规模大、热损耗小和温度高等特点已初步显露出优势。
无论是塔式太阳能热电站还是聚光光伏系统及聚光太阳能集热系统，其主要共同的部件是聚光系统，而且聚光系统的效率及其成本很大程度上影响到系统的整体性价比，是构建太阳能光热电站、太阳能反射式聚光光伏电站及中高温反射式聚光太阳能集热系统中需要着重考虑的因素。聚光系统主要是由定日镜跟踪支架和集热器等部件组成；定日镜的作用是收集太阳辐射能并将其汇聚到集热器处，它由按一定方式排列的可绕双轴跟踪的定日镜组成，每个定日镜通过绕轴转动跟踪太阳并将辐射到其表面的太阳能反射到塔顶集热器，完成聚光集热的目的。
随着太阳能技术的发展，塔式太阳能集热和发电系统成为比较成熟的系统，但是其定日镜的跟踪机构的运行和安装调控比较复杂而且繁琐。
现有的定日镜控制程序要根据定日镜的具体安装位置包括经纬度、与集收器的空间位置及方位、季节、时间而定，并须根据天文信息每年作修正调整。同时也使支架的机械零部件加工精度要求大大提高了。原定日镜二维支架的驱动跟踪系统不是用步进电机就是要用伺服电机，有些还需带有码盘等精确定位部件，这些电机和精确定位部件无论是电机本身还是控制器价格皆不菲，再加上机械传动部件的精度要求也很高，所以现行的定日镜二维支架驱动跟踪系统部分的价格在整个定日镜系统的价格中所占比重一般较高。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供了一种塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，包括反射锥齿轮、过渡锥齿轮、入射锥齿轮、齿轮座、反射轴、入射轴、光电探头、定日镜、主旋转减速器、硅晶或聚光太阳能电池板、准直校准仪器和支架，支架上方设有齿轮座，齿轮座两侧装有定日镜，所述的齿轮座上方安装有反射锥齿轮、过渡锥齿轮、入射锥齿轮、反射轴和入射轴，所述的反射锥齿轮和入射锥齿轮同轴，且反射锥齿轮、入射锥齿轮均与过渡锥齿轮啮合，两锥齿轮的轴向与过渡锥齿轮的轴向垂直，反射锥齿轮和反射轴相互固定，入射锥齿轮和入射轴相互固定，硅晶或聚光太阳能电池板安装在入射轴上，同时入射轴末端装有光电探头，反射轴一端与主旋转减速器相连接，另一端与准直校准仪器相连接，反射轴、准直校准仪器轴向重合；所述的齿轮座下方设有俯仰驱动结构一或俯仰驱动结构二。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述的俯仰驱动结构一主要由俯仰旋转减速器构成，俯仰旋转减速器的旋转输出轴与过渡锥齿轮同轴固定。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述的俯仰驱动结构二主要由直线驱动器构成，直线驱动器的固定端固定在反射轴上，其螺母运动端与齿轮座连接。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述的反射锥齿轮、过渡锥齿轮、入射锥齿轮为直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮或曲线锥齿轮。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述的反射锥齿轮、过渡锥齿轮、入射锥齿轮为完整的锥齿轮或是局部为锥形的齿轮。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述的反射锥齿轮和入射锥齿轮为大锥齿轮或小锥齿轮，过渡锥齿轮与前二锥齿轮相对应。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述的反射锥齿轮和入射锥齿轮类型相同、模数相同、齿数相同、节锥角相同，过渡锥齿轮与反射锥齿轮相对应，过渡锥齿轮与入射锥齿轮相对应，过渡锥齿轮的齿数与反射锥齿轮相同或不同，过渡锥齿轮的齿数与入射锥齿轮相同或不同。
本发明的有益效果是，本塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架安装运行调控非常简单，利用锥齿轮结构、两种简易的俯仰驱动方法解决了现行各种这样塔式太阳能定日镜跟踪系统的复杂调试、安装控制繁琐，须根据天文信息每年作修正调整的问题，提高了定日镜对太阳跟踪的精准度，简化了定日镜控制程序和方法，降低了定日镜二维支架驱动跟踪系统部分的价格在整个定日镜系统的价格中所占比重。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明装有俯仰驱动结构一的结构示意图（正面阳光照射面）；
图2是本发明装有俯仰驱动结构一的结构示意图（反面背对阳光面）；
图3是本发明装有俯仰驱动结构二的结构示意图（正面阳光照射面）；
图4是本发明装有俯仰驱动结构二的结构示意图（反面背对阳光面）；
图5（a）、5（b）、5（c）、5（d）是各齿轮之间的啮合关系及相对运动关系示意图。
图中，1、反射锥齿轮，2、过渡锥齿轮，3、入射锥齿轮，4、齿轮座，5、反射轴，6、入射轴，7、光电探头，8、定日镜，9、主旋转减速器，10、俯仰旋转减速器，11、直线驱动器，12、硅晶或聚光太阳能电池板，13、准直校准仪器，14、支架。
O:为反射锥齿轮1和入射锥齿轮3同心轴与过渡锥齿轮2的旋转轴的交点；
A:为反射锥齿轮1和入射锥齿轮3同心轴轴心线；
B:为过渡锥齿轮2的旋转轴的轴心线；
β:为反射齿轮1的旋转角度；
β’:为入射齿轮4的旋转角度。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4所示，一种塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，包括反射锥齿轮1、过渡锥齿轮2、入射锥齿轮3、齿轮座4、反射轴5、入射轴6、光电探头7、定日镜8、主旋转减速器9、硅晶或聚光太阳能电池板12、准直校准仪器13和支架14，支架14上方设有齿轮座4，齿轮座4两侧装有定日镜8。所述的齿轮座4上方安装有反射锥齿轮1、过渡锥齿轮2、入射锥齿轮3、反射轴5和入射轴6。所述的反射锥齿轮1和入射锥齿轮3同轴，无啮合接触，反射锥齿轮1、入射锥齿轮3均与过渡锥齿轮2啮合，两锥齿轮的轴向与过渡锥齿轮2的轴向垂直，反射锥齿轮1和反射轴5相互固定，入射锥齿轮3和入射轴6相互固定。硅晶或聚光太阳能电池板12安装在入射轴6上，这样本支架系统将不用依靠外接能源，自身便是一个独立运行系统。同时入射轴6末端装有光电探头7，本支架即是通过安装在入射轴6上的光电探头7探测到的光电信号，来控制主旋转减速器和俯仰方向的运动，调整入射轴6的位置，使光电探头7始终指向太阳。反射轴5一端与主旋转减速器9相连接，且可作旋转运动；另一端与准直校准仪器13相连接，反射轴5、准直校准仪器13轴向重合，但准直校准仪器13只在安装调试或维修校准时放置。所述的齿轮座4下方设有俯仰驱动结构一或俯仰驱动结构二，使得俯仰方向的运动有2种方式。
所述的俯仰驱动结构一主要由俯仰旋转减速器10构成，俯仰旋转减速器10的旋转输出轴与过渡锥齿轮2同轴固定。
所述的俯仰驱动结构二主要由直线驱动器11构成，直线驱动器11的固定端固定在反射轴5上，其螺母运动端与齿轮座4连接。
所述的反射锥齿轮1、过渡锥齿轮2、入射锥齿轮3可以是任何类型的锥齿轮，可以是直齿锥齿轮或斜齿锥齿轮也可以是曲线锥齿轮等。所有锥齿轮的节锥角理论上只要符合啮合条件均可，通常采用节锥角Σ=90°的锥齿轮。
所述的反射锥齿轮1、过渡锥齿轮2、入射锥齿轮3为完整的锥形齿轮或是局部为锥形的齿轮。因本发明齿轮所需旋转的角度仅需120°~180°，无需360°，部分有锥齿轮即可满足要求。
所述的反射锥齿轮1和入射锥齿轮3为大锥齿轮或小锥齿轮，过渡锥齿轮2与前二锥齿轮相对应。
所述的反射锥齿轮1和入射锥齿轮3类型相同、模数相同、齿数相同、节锥角相同，过渡锥齿轮2与反射锥齿轮1相对应，过渡锥齿轮2与入射锥齿轮3相对应，过渡锥齿轮2的齿数与反射锥齿轮1相同或不同，过渡锥齿轮2的齿数与入射锥齿轮3相同或不同，过渡锥齿轮2仅需选择与前二锥齿轮满足啮合条件的锥齿轮。
本发明的工作原理如下：反射锥齿轮1与入射锥齿轮3通过过渡锥齿轮2的啮合过渡，二者相对齿轮座4旋转角度相同但方向相反，满足了入射光线和反射光线与反射镜法线之间的对应关系。如图5（a）、5（b）、5（c）、5（d）所示，轴心线A与轴心线B垂直，图中各锥齿轮之间根据锥齿轮的啮合原理可得这样的结果:无论相对初始位置如何，反射锥齿轮1与入射锥齿轮3通过过渡锥齿轮2的啮合过渡后，沿轴向旋转时，相对齿轮座4旋转角度(即啮合齿数)相同，旋转方向相反，即β=β’。运作时，首先将反射轴5的轴向延长线对准塔式集热器中心，并将其与主旋转减速器9连接固定牢固，且使其只能做绕轴向旋转运动。再将齿轮座4与定日镜8连接牢固，使本塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架进行俯仰方向的驱动运动。本发明的俯仰方向的驱动有两种实施例，如下。
实施例一，如图1和图2所示:俯仰旋转减速器10安装在齿轮座4上,其旋转输出轴过渡锥齿轮2同轴固定，过渡锥齿轮2将作为本支架俯仰方向的主动驱动动力源，俯仰旋转减速器10的正反转动将使定日镜8作俯仰运动。
实施例二，如图3和图4所示：直线驱动器11的固定端固定在反射轴5上，其螺母运动端与齿轮座4连接，此时直线驱动器11也作为本支架俯仰方向的主动驱动动力源，通过直线驱动器11螺母的前后直线运动将驱动定日镜作俯仰运动。
这样通过本支架的主旋转减速器9的旋转运动和俯仰旋转减速器10或直线驱动器11的俯仰运动，使入射轴6上的光电探头7对准阳光直射方向。根据前面有关反射锥齿轮1和入射维齿轮3与齿轮座4的运动关系，这样阳光就能沿入射轴6射向定日镜并使反射光沿反射轴5的轴向射出，并射向塔式太阳能集热器中心。从而本发明另一个全新的角度来设计塔式太阳能定日镜的跟踪机构，以简单的结构方法解决了现行各种塔式太阳能定日镜跟踪系统的复杂调试，安装控制繁琐的问题。
另外，因为本塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架是半闭环系统，只要本身的机械精度按设计要求得到保证，通过上述对本发明内容的描述，就能保证阳光通过定日镜的反射始终照射在塔式太阳能集热器上。本发明所用的驱动电机只需一般的直流有刷电机即可，甚至本发明使用廉价的玩具直流电机也是可行的。因为是半闭环系统所以本装置对机械传动部件的精度要求也降低了很多。
综上，本发明提高了定日镜对太阳跟踪的精准度，简化了定日镜控制程序和方法，降低了定日镜二维支架驱动跟踪系统部分的价格在整个定日镜系统的价格中所占比重，值得推广应用。

Claims (7)

1.一种塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，包括反射锥齿轮（1）、过渡锥齿轮（2）、入射锥齿轮（3）、齿轮座（4）、反射轴（5）、入射轴（6）、光电探头（7）、定日镜（8）、主旋转减速器（9）、硅晶或聚光太阳能电池板（12）、准直校准仪器（13）和支架（14），支架（14）上方设有齿轮座（4），齿轮座（4）两侧装有定日镜（8），其特征是，所述的齿轮座（4）上方安装有反射锥齿轮（1）、过渡锥齿轮（2）、入射锥齿轮（3）、反射轴（5）和入射轴（6），所述的反射锥齿轮（1）和入射锥齿轮（3）同轴，且反射锥齿轮（1）、入射锥齿轮（3）均与过渡锥齿轮（2）啮合，两锥齿轮的轴向与过渡锥齿轮（2）的轴向垂直，反射锥齿轮（1）和反射轴（5）相互固定，入射锥齿轮（3）和入射轴（6）相互固定，硅晶或聚光太阳能电池板（12）安装在入射轴（6）上，同时入射轴（6）末端装有光电探头（7），反射轴（5）一端与主旋转减速器（9）相连接，另一端与准直校准仪器（13）相连接，反射轴（5）、准直校准仪器（13）轴向重合；所述的齿轮座（4）下方设有俯仰驱动结构一或俯仰驱动结构二。
2.根据权利要求1 所述的塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，其特征是，所述的俯仰驱动结构一主要由俯仰旋转减速器（10）构成，俯仰旋转减速器（10）的旋转输出轴与过渡锥齿轮（2）同轴固定。
3.根据权利要求1 所述的塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，其特征是，所述的俯仰驱动结构二主要由直线驱动器（11）构成，直线驱动器（11）的固定端固定在反射轴（5）上，其螺母运动端与齿轮座（4）连接。
4.根据权利要求1 所述的塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，其特征是，所述的反射锥齿轮（1）、过渡锥齿轮（2）、入射锥齿轮（3）为直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮或曲线锥齿轮。
5.根据权利要求1 所述的塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，其特征是，所述的反射锥齿轮（1）、过渡锥齿轮（2）、入射锥齿轮（3）为完整的锥齿轮或是局部为锥形的齿轮。
6.根据权利要求1 所述的塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，其特征是，所述的反射锥齿轮（1）和入射锥齿轮（3）为大锥齿轮或小锥齿轮，过渡锥齿轮（2）与反射锥齿轮（1）啮合，过渡锥齿轮（2）与入射锥齿轮（3）啮合。
7.根据权利要求1 所述的塔式太阳能定日镜锥齿轮被动自动追日支架，其特征是，所述的反射锥齿轮（1）和入射锥齿轮（3）类型相同、模数相同、齿数相同、节锥角相同，过渡锥齿轮（2）与反射锥齿轮（1）相对应，过渡锥齿轮（2）与入射锥齿轮（3）相对应，过渡锥齿轮（2）的齿数与反射锥齿轮（1）相同或不同，过渡锥齿轮（2）的齿数与入射锥齿轮（3）相同或不同。
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