CN103257654A - 用于使用在用于利用太阳能的系统中的装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于使用在利用太阳能的系统、例如具有中央接收器的太阳能塔发电站中的装置、例如日光反射装置具有垂直的摆动轴线和水平的摆动轴线以关于太阳运动进行太阳能模块的跟踪，其具有如下特征：位置固定的支架；设置在支架上的跟踪装置；设置在跟踪装置上的可运动的太阳能模块，其中跟踪装置包括第一直线驱动装置，其使太阳能模块围绕水平的转动轴线摆动；特征在于：跟踪装置包括一个第一摇臂和两个另外的传动环节；两个另外的传动环节是一个第二摇臂和一个连接件；太阳能模块设置在第一摇臂上；跟踪装置包括第二直线驱动装置，其使太阳能模块围绕垂直的摆动轴线摆动并且与两个另外的传动环节之一通过转动接头连接。所述装置有利地具有在直至大约240°到270°（方位）的大摆动范围并且防止作用到直线驱动装置上的大横向力。

Description

用于使用在用于利用太阳能的系统中的装置

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的用于使用在用于利用太阳能的系统中的装置。本发明还涉及一种具有权利要求10的特征的太阳能塔发电站。

现有技术

在现有技术中已知了太阳能塔发电站，也称作中央接收器发电站，其包括中央太阳能塔（接收器）和日光反射装置场。日光反射装置场中的日光反射装置（Heliostate）用于可运动的镜的跟踪，以便在一天时间中以及也在超过一年时间上补偿变化的太阳位置并且与太阳的位置无关地始终将太阳光转向到中央接收器上。为了跟踪，通常使用其镜可以围绕垂直的转动轴线（方位角）和围绕水平的转动轴线（仰角）被跟踪的日光反射装置。镜在此大多通过传动装置设置在嵌装在地面中的支架上。

在US 2011/0041834A1中已经公开了这样的日光反射装置。所述日光反射装置具有支架和横向于支架设置的支承体，在所述支承体上设置有两个镜。在支架与支承体之间设置有用于既在垂直方向上也在水平方向上进行跟踪的装置。其用于跟踪的驱动装置构造为直线电动机并且通过相应的杆直接作用到设置在所述装置的部件上或设置在支承体上的臂上。

在WO 2008/092195A1中同样公开了一种日光反射装置，其具有支架和通过跟踪装置设置在支架上的镜模块。用于在垂直方向上和水平方向上的相应跟踪的驱动装置同样构造为直线电动机。直线电动机的相应的杆在此直接作用到镜模块上的相应的固定点上。

所描述的两种现有技术的装置的缺点是，根据相应的镜状态会出现两个直线电动机的冲突（Kollision）。WO 2008/092195A1的主题因此也是一种包括探测器的系统，所述探测器要辅助避免这样的碰撞。

所描述的两种装置的另一缺点可能在跟踪期间在确定的角度位置处出现。尤其是在角度非常小或非常大的区域中（例如在水平跟踪的大约0°或大约180°时），非常大的横向力会作用到直线驱动装置上。同时可能出现如下缺点：尽管直线驱动装置的驱动力非常大，但仅仅非常小的转矩作用到可运动的镜模块上。

发明内容

因此，本发明的任务是实现一种相对于现有技术改进的用于使用在用于利用太阳能的系统中的装置，所述装置避免了以上所述缺点中的至少一个。本发明的特定任务是实现一种具有大的垂直跟踪范围（至少0°至180°、优选总共大约240°至270°）的装置，其中避免作用到直线驱动装置上的不期望大的横向力。

所述任务根据本发明通过具有权利要求1的特征的装置来解决。本发明的有利改进方案由相关的从属权利要求以及由说明书和相关的附图得出。

根据本发明的用于使用在用于利用太阳能的系统中的装置（例如在太阳能塔发电站中）具有垂直的摆动轴线（方位）和水平的摆动轴线（俯仰）以关于太阳运动进行太阳能模块的跟踪，所述装置具有如下特征：位置固定的支架；跟踪装置，其设置在支架上；可运动的太阳能模块，其设置在跟踪装置上，其中跟踪装置包括第一直线驱动装置，所述第一直线驱动装置使太阳能模块围绕水平的转动轴线摆动。根据本发明的装置的特征在于如下特征：跟踪装置包括一个第一摇臂和两个另外的传动环节，所述两个另外的传动环节是一个第二摇臂和一个连接件，太阳能模块设置在第一摇臂上并且跟踪装置包括第二直线驱动装置，所述第二直线驱动装置使太阳能模块围绕垂直的摆动轴线摆动并且与所述两个另外的传动环节之一通过转动接头连接。

这种根据本发明的装置有利地具有垂直跟踪（方位）的至少0°至180°的范围，优选甚至总共大约240°至270°。同时，根据本发明的装置具有如下优点：可以避免作用到直线驱动装置上的不期望高的横向力，并且仅仅拉力或压力作用到驱动装置上。本发明的另一优点是，力变化过程在整个跟踪转动角度上保持近似恒定（+/-10%）。由此，可以有利地省去成本高昂的支承调节系统。最后，本发明的另一优点是，用于跟踪的所有重要部件——即传动装置和直线驱动装置形成一个紧凑的单元，其可以用作支架与模块之间的连接部件。由此简化了所述单元的制造、所述单元在支架上的安装和模块在所述单元上的安装。

所述装置的位置固定的支架在此优选可以构造为所谓的标塔（Pylon），其通过锚定装置与地面中的基座固定地连接。根据本发明的装置的跟踪装置优选可以通过凸缘连接例如旋拧在支架的上端部上。根据本发明的装置的可运动的太阳能模块优选是镜模块，但其也可以是光伏单元或所谓的太阳能收集器的模块。跟踪装置的第一直线驱动装置优选设置在基本上垂直的平面中并且通过转动接头连接作用到太阳能模块上的上部固定部上。

根据本发明的装置包括第一摇臂和两个另外的传动环节，它们共同形成用于垂直跟踪的传动装置，其中所述两个另外的传动环节是一个第二摇臂和一个连接件。通过设置跟踪装置的传动装置，实现了根据本发明的装置的以上所述的优点。为此，第二直线驱动装置与这两个另外的传动环节之一通过转动接头连接。以所述方式可以实现至少0°至180°之间、优选甚至总共大约240°至270°的所要求的跟踪角度，并且同时避免了作用到第二直线驱动装置上的不期望高的横向力。

按照根据本发明的装置的一个优选改进方案可以设置的是，第一直线驱动装置与第一摇臂通过转动接头、尤其是具有基本上水平的转动轴线的转动接头连接。在此，太阳能模块优选设置在第一摇臂上并且因此与第一摇臂一起运动。

按照根据本发明的装置的另一优选改进方案可以设置的是，第二直线驱动装置与第二摇臂通过转动接头、尤其是具有基本上垂直的转动轴线的转动接头连接。根据可视为替代方案的另一优选改进方案可以设置的是，第二直线驱动装置与连接件通过转动接头、尤其是具有基本上垂直的转动轴线的转动接头连接。根据这两个替代方案，第二直线驱动装置因此或者作用于传动装置的第二摇臂或者作用于传动装置的连接件。

按照根据本发明的另一优选改进方案可以设置的是，第二直线驱动装置与连接件通过转动接头、尤其是具有基本上垂直的转动轴线的转动接头连接。

此外，根据本发明的一个优选改进方案可以设置的是，第二直线驱动装置与设置在支架上的臂通过转动接头连接。转动接头在此优选是具有基本上垂直的转动轴线的转动接头。

为了补偿传动游隙并且因此为了避免尤其在大于大约10米/秒的风速时和/或在确定的风向时太阳光不能如所期望的那样偏转到中央接收器上的情况，可以设置本发明的如下有利的且因此优选的改进方案：设置至少一个第一弹簧单元、至少一个第二弹簧单元、一个凸轮和一个双臂杠杆，其中a）凸轮设置在支架上，b）杠杆基本上在其中点设置在第一摇臂上，c）第一弹簧单元借助第一绳索固定在凸轮上并且借助第二绳索固定在杠杆的一个杠杆臂上，d）第二弹簧单元借助第三绳索固定在太阳能模块上并且借助第四绳索固定在杠杆的另一杠杆臂上。替代绳索也可以使用其他多段式的或优选柔韧的牵引装置，例如链或带。

本发明的所述改进方案将跟踪装置的传动装置置于预应力下并且减小或者防止不期望的传动游隙。通过所述方式实现了如下优点：被反射的太阳光实际上准确地朝向中央接收器。在没有这样的预应力的情况下，可能出现如下情况：镜模块例如由于风对模块面的影响从其角度期望位置中转出，并且所反射的太阳束被偏转从中央接收器旁经过。通过第一弹簧单元通过第一绳索固定在凸轮上，有利地实现了：作用到跟踪装置的传动装置上的预应力与太阳能模块的水平跟踪的当前角度无关地保持基本恒定。为此，第一绳索固定在凸轮上并且至少部分围绕所述凸轮引导并且与凸轮形成分离点。在分离点与第一弹簧单元上的固定部位之间，第一绳索形成自由绳索区段，而第一绳索从分离点直至凸轮上的固定部紧靠在凸轮上。所述构造导致：第一绳索的自由绳索区段根据水平跟踪的角度改变，并且在此由两个耦合的弹簧单元引起的作用到太阳能模块上的力保持基本恒定。

按照根据本发明的装置的一个优选改进方案可以设置的是，第一弹簧单元和第二弹簧单元分别包括至少两个弹簧。优选各三个弹簧，其彼此平行地悬挂在相应的固定元件、例如板中。

此外可以设置的是，按照根据本发明的装置的另一优选改进方案，两个直线驱动装置分别具有电动机、齿轮传动装置——优选行星传动装置和杆。通过控制装置向电动机供给控制信号，所述控制信号与所期望的跟踪相关并且相应地使电动机转动。通过齿轮传动装置可以使例如具有螺母的主轴置于转动运动中，所述转动运动又使杆运动，其中杆平行于其纵向延伸地往复运动。直线驱动装置因此优选具有长形的管状形状。

最后，本发明不限于以上所述的装置，而是也涉及一种太阳能塔发电站，其包括中央接收器和日光反射装置场，其中所述场可以包括数百个或数千个日光反射装置，其中日光反射装置场的这些日光反射装置中的至少一个构造为在本申请中描述的装置。

附图说明

以下参照附图借助至少两个优选实施例更详细地描述本发明以及本发明在结构上和/或在功能上有利改进方案。在附图中，彼此相应的元件设有分别相同的附图标记。

附图示出：

图1：根据本发明的装置的一个优选实施例的三维视图；

图2：图1中的一部分，其中放大地示出跟踪装置；

图3：根据本发明的装置的一个优选实施例的示意性俯视图；

图4：根据本发明的装置的另一优选实施例的示意性俯视图；

图5：用于根据本发明的装置的传动装置的预应力的元件的一个优选实施例的示意性俯视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的装置的一个优选实施方式，所述装置在此情况下构造为具有镜模块的日光反射装置。所述装置1包括位置固定的支架2、容纳在支架上的跟踪装置3以及通过跟踪装置在水平方向和垂直方向上可运动的太阳能模块4，所述支架2固定地锚定在地面中。在图2中放大地示出的跟踪装置3允许太阳能模块4围绕垂直的摆动轴线5（方位或者水平跟踪）和水平的摆动轴线6（俯仰，垂直跟踪）转动。跟踪运动通过与俯仰有关的第一直线驱动装置7以及通过与方位有关的第二直线驱动装置8实现。

在图2中放大地示出跟踪装置3的在图1中以II表示的区域。图2示出根据本发明的装置1的跟踪装置3的一个优选实施方式。跟踪装置3包括第一直线驱动装置7以及第二直线驱动装置8，所述第一直线驱动装置具有电动机9、传动装置10和杆11，所述第二直线驱动装置具有电动机12、传动装置13和杆14。在其纵向方向上可往复运动的杆11通过转动接头15在上部位置处与太阳能模块4连接。此外，跟踪装置3具有支承体16，所述支承体16通过转动接头17和转动接头18在两个下部位置处与太阳能模块4连接。在图3中示意性地以俯视图示出根据本发明的装置的在图2中示出的优选实施方式。图4示出一个替代方案并且同样示出根据本发明的装置的优选实施方式。

按照根据本发明的装置的在图3中示出的优选实施方式，位置固定的支架或者支柱2在其上端部处具有转动接头19，所述转动接头19具有基本上垂直的转动轴线，使得第一摇臂20（所示的传动装置29的第一传动环节）可以借助于所述转动接头19可转动地固定在位置固定的支架2上。太阳能模块4又固定地与第一摇臂20连接并且与第一摇臂20一起在水平方向上运动。

第二直线驱动装置8通过转动接头21容纳在第一摇臂20上，所述转动接头21具有基本上垂直的转动轴线。第二直线驱动装置8的杆14通过转动接头22与第二摇臂23连接，所述转动接头22同样具有基本上垂直的转动轴线。第二摇臂23又通过转动接头24与支架2上的臂25固定，所述转动接头24同样具有基本上垂直的转动轴线。连接件26借助两个转动接头27和28设置在第一摇臂20与第二摇臂23之间，所述两个转动接头27和28同样具有基本上垂直的转动轴线。所示的传动装置29因此可以称作四关节传动装置，其作为传动环节具有杆14（长度可改变的连接件）、连接件16和两个摇臂20和23。

如果通过电动机12和齿轮传动装置13实现杆14的运动30，则所示的传动装置29将直线运动30转变成太阳能模块4的摆动运动31。控制装置47在此如此控制电动机12，使得摆动运动31如此进行，从而使由太阳能模块4反射的光束32在一天时间和一年时间里以及根据日光反射装置的位置的纬度偏转到太阳能塔发电站34的接收器33上。

第一摇臂20具有开口35，在所述开口35中通过具有基本上水平的转动轴线的转动接头36容纳有第一直线驱动装置7。通过所述布置在第一摇臂20的摆动运动31时使第一直线驱动装置7一起运动，并且通过所述方式可以有利地避免两个直线驱动装置7和8的冲突。

通过在图3中示出的传动装置29还可以有利地实现：使太阳能模块4在位置37与位置38之间来回摆动。在位置37中，太阳能模块4位于大约0°（向东定向），在位置38中位于大约180°（向西定向）并且在中间位置中相对于东西方向位于大约90°（向南定向）。对方位的说明在此相对于地球的北半球。传动装置有利地允许至少0°位置与180°位置之间的摆动运动。在更高纬度中还需要更大的摆动范围，从而需要早晨太阳升起时的日光反射装置位置与傍晚太阳落山时的日光反射装置位置之间的总共约240°至270°。所示的传动装置允许这样的207°摆动运动并且因此有利地适于高纬度中具有大摆动范围的架设地点。

在图3中还示出：存在另外的日光反射装置1，这些日光反射装置共同形成日光反射装置场66，其形成太阳能塔发电站的另一部分。

根据本发明的装置的在图4中示出的替代且同样优选的实施方式具有位置固定的支架2，所述支架2在其上部区域中包括转动接头19。第一摇臂20通过转动接头19与支架2连接，其中太阳能模块4又固定地与第一摇臂20连接。在支架2上固定地设置有臂39，在所述臂39上通过转动接头21容纳有第二直线驱动装置8。第二直线驱动装置8的杆14通过转动接头40与连接件41连接，连接件41又通过转动接头42与第一摇臂20的臂43连接。第二摇臂44通过转动接头45和46连接在连接件41与臂39之间。电动机12的控制通过传动装置13导致杆14的长度改变和运动30。这又导致所示的传动装置29的传动环节的相应运动并且结果导致太阳能模块4的摆动运动31。

在图4中示出的实施方式也能够实现太阳能模块4从大约0°的位置37至大约180°的位置38的运行。利用所示的传动装置也能够实现直至大约240°至270°的摆动运动，从而在图4中示出的日光反射装置也有利地可用在较高纬度中。

第一摇臂20具有开口35，在所述开口35中通过转动接头36容纳有第一直线驱动装置7。因此在第一摇臂20的摆动运动31时使第一直线驱动装置7携动。所示的实施方式允许借助于太阳能模块4反射的光束32朝向太阳能塔发电站34的中央接收器33。在此，如在图3中示出的那样，通过控制单元47进行电动机12的控制，所述控制单元47向电动机发送控制信号，所述控制信号导致根据在日出与日落之间太阳运动的日时间和年时间的过程的跟踪运动。

在图5中示出了装置48，其将传动装置29置于定义的预应力下。装置48具有第一弹簧单元49，第二弹簧单元50和双臂杠杆或者等臂杆51。此外，装置48具有凸轮52，所述凸轮52固定地设置在支架2上。杠杆51通过转动接头53容纳在第一摇臂20的臂54上。转动接头53在此具有基本上垂直的转动轴线。第一弹簧单元49通过板55和第一绳索56与凸轮52连接。第一绳索56在此固定在凸轮52上并且靠置在凸轮52上直至分离点57。在板55上的固定与分离点57之间，第一绳索56不靠置在凸轮52上，而是形成自由区段。此外，第一弹簧单元49通过板和第二绳索58与杠杆51的一个杠杆臂连接，第二弹簧单元50通过板和第四绳索59与杠杆51的另一杠杆臂连接，并且第二弹簧单元50通过板和第三绳索60与太阳能模块4的臂61连接。

在确定的风速下（例如在大于大约每秒十米的风速下）和/或在确定的风向下（例如当风从前或从后压到太阳能模块4的面上时），可能出现作用于太阳能模块4的不期望大的力62。因为传动装置29如同任何传动装置那样具有一定的传动游隙，所以由此可能出现太阳能模块4的小的偏离运动，从而使所反射的光束63偏转在中央接收器33旁经过。为了防止这种情况，借助于所示的装置48将传动装置置于预应力下，从而减小传动游隙或甚至可以将传动游隙置于接近零的值上。所示的装置48又具有如下优点：即使太阳能模块4和第一摇臂20在至少0°至180°之间、优选总共大约240°至270°的大摆动范围上的摆动运动31的情况下，预应力也保持基本恒定。这通过如下方式来实现：在摆动运动31时分离点57沿凸轮52漂移并且因此第一绳索56的自由绳索区段是长度改变的。

第一弹簧单元49的弹簧64和第二弹簧单元50的弹簧65在此是静态预张紧的，并且杠杆51允许两个弹簧单元49与50之间的平衡运动。附图标记表

1     装置

2     位置固定的支架

3     跟踪装置

4     可运动的太阳能模块

5     垂直的摆动轴线（方位）

6     水平的摆动轴线（俯仰）

7     第一直线驱动装置

8     第二直线驱动装置

9     电动机

10    传动装置

11    杆

12    电动机

13    传动装置

14    杆

15    转动接头

16    支承体

17    转动接头

18    转动接头

19    转动接头

20    第一摇臂

21    转动接头

22    转动接头

23    第二摇臂

24    转动接头

25    臂

26    连接件

27    转动接头

28    转动接头

29    传动装置

30    直线运动

31    摆动运动

32    光束

33    中央接收器

34    太阳能塔发电站

35    开口

36    转动接头

37    接近0°的位置

38    接近180°的位置

39    臂

40    转动接头

41    连接件

42    转动接头

43    臂

44    第二摇臂

45    转动接头

46    转动接头

47    电动机控制装置

48    用于预张紧的装置

49    第一弹簧单元

50    第二弹簧单元

51    杠杆或者等臂杆

52    凸轮

53    转动接头

54    臂

55    板

56    第一绳索

57    分离点

58    第二绳索

59    第四绳索

60    第三绳索

61    臂

62    风力

63    光束

64    弹簧

65    弹簧

66    日光反射装置场

Claims (10)

1.一种用于使用在用于利用太阳能的系统中的装置，所述装置具有垂直的摆动轴线（5）和水平的摆动轴线（6）以关于太阳运动进行太阳能模块（4）的跟踪，其中，所述装置（3）包括如下特征：

-位置固定的支架（2）；

-跟踪装置（3），其设置在所述支架（2）上；

-可运动的太阳能模块（4），其设置在所述跟踪装置（3）上，其中，

-所述跟踪装置（3）包括第一直线驱动装置（7），所述第一直线驱动装置（7）使所述太阳能模块（4）围绕所述水平的转动轴线（6）摆动；

其特征在于，

-所述跟踪装置（3）包括一个第一摇臂（20）和两个另外的传动环节（23，26，41，44）；

-所述两个另外的传动环节（23，26，41，44）是一个第二摇臂（23，44）和一个连接件（26，41）；

-所述太阳能模块（4）设置在所述第一摇臂（20）上；

-所述跟踪装置（3）包括第二直线驱动装置（8），所述第二直线驱动装置（8）使所述太阳能模块（4）围绕所述垂直的摆动轴线（5）摆动并且与所述两个另外的传动环节（23，26，41，44）之一通过转动接头（22，40）连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一直线驱动装置（7）与所述第一摇臂（20）通过转动接头（36）、尤其是具有基本上水平的转动轴线的转动接头（36）连接。

3.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二直线驱动装置（8）与所述第二摇臂（23）通过转动接头（22）、尤其是具有基本上垂直的转动轴线的转动接头（22）连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二直线驱动装置（8）与所述第一摇臂（20）通过转动接头（21）、尤其是具有基本上垂直的转动轴线的转动接头（21）连接。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二直线驱动装置（8）与所述连接件（41）通过转动接头（40）、尤其是具有基本上垂直的转动轴线的转动接头（40）连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二直线驱动装置（8）与设置在所述支架（2）上的臂（39）通过转动接头（21）连接。

7.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置有至少一个第一弹簧单元（49）、至少一个第二弹簧单元（50）、一个凸轮（52）和一个双臂杠杆（51），其中，

a）所述凸轮（52）设置在所述支架（2）上，

b）所述杠杆（51）基本上在其中点设置在所述第一摇臂（20）上，

c）所述第一弹簧单元（49）借助第一绳索（56）固定在所述凸轮（52）上并且借助第二绳索（58）固定在所述杠杆（51）的一个杠杆臂上，

d）所述第二弹簧单元（50）借助第三绳索（60）固定在所述太阳能模块（4）上并且借助第四绳索（59）固定在所述杠杆（51）的另一杠杆臂上。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一弹簧单元（49）借助所述第一绳索（56）如此固定在所述凸轮（52）上，使得所述第一绳索（56）在所述凸轮（52）上的分离点根据方位跟踪的角度改变。

9.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述两个直线驱动装置（7，8）分别具有一个电动机（12）、一个齿轮传动装置（13）和一个杆（14）。

10.一种太阳能塔发电站，其包括中央接收器（33）和日光反射装置场（66），其中，所述日光反射装置场（3）的至少一个日光反射装置（3）构造为根据以上权利要求中任一项所述的装置。

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