CN104135223B - 一种并联二轴太阳能聚光器跟踪机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联二轴太阳能聚光器跟踪机构，属于机械制造领域，该机构包括一个定平台，一个安装光伏太阳能板或聚光器镜面的动平台，以及第一支链，第二支链和第三支链，其中第一支链顶端具有虎克绞，为限制支链；动平台通过第一支链连接在定平台上，并通过第二支链和第三支链与定平台进一步相连，形成并联机构；所述动平台上可以安装光伏太阳能板或聚光器镜面,并通过第二支链和第三支链的运动控制动平台分别绕第一支链上的虎克绞的外圈、内圈的转动轴转动，且两个转动运动是解耦的。本发明在跟踪机构中采用了并联方式，具有高刚度、低成本、机构简单、低能量消耗等特点。

Description

一种并联二轴太阳能聚光器跟踪机构

技术领域

本发明属于机械制造领域，特别涉及一种并联二轴太阳能聚光器跟踪机构。

背景技术

在石油、煤炭等传统能源快速消耗的时代，太阳能光热发电和光伏发电已经成为解决能源消耗问题的有效途径。虽然太阳辐射在太阳内部具有极高的能量和温度，但是由于太阳到地球的距离遥远以及地球大气层的遮挡，到达地球表面的太阳辐射能量密度很低。因此，为了利用太阳能进行光热发电或光伏发电，就需要聚集太阳光，获得高密度光能。光热发电是利用太阳能聚光器聚集太阳光，并在位于聚光器焦点/焦线处的热接收器上形成聚焦光斑，继而产生热能，最后通过相关装置转化成电能；光伏发电利用大量半导体元件串联的形式聚集太阳光，并通过半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能。

光热发电系统中,太阳能聚光器依靠跟踪机构实时跟踪太阳运动，使得聚光器始终正对太阳，从而更有效的聚集太阳光，获得高密度光能。目前，大规模太阳能光热发电系统主要有槽式、碟式和塔式等形式。槽式系统一般使用单轴跟踪机构，单轴跟踪机构只能实现一个方向的太阳跟踪；碟式系统需要同时对太阳的方位角和高度角进行跟踪，因此，二轴跟踪机构才能较好的跟踪太阳运动，始终保证太阳光垂直入射到聚光器镜面上，实现太阳光的高效吸收。塔式聚光器系统主要用于大型电网系统，在塔式系统中使用二轴跟踪机构能够有效的提高电网系统的能源产量。因此，除了槽式系统外，其余两种系统都需要二轴跟踪机构，以提高太阳能的利用效率。

光伏发电系统包括跟踪机构，光伏太阳能板，以及控制器和逆变器。在一个固定地点的光伏发电系统，太阳光的光照角度会随着时间不断变化，为了使得光伏发电系统高效运行，需要采用跟踪机构对太阳运动进行实时跟踪，使得太阳光始终正射到光伏太阳能板上，使发电效率达到最佳状态。由于单轴跟踪机构只能实现一个方向的太阳角跟踪，无法保证太阳光始终正对着光伏太阳能板，而二轴跟踪机构能够同时跟踪太阳方位角和高度角，因此，二轴跟踪机构在光伏发电系统中得到了更加广泛的应用。

因此,光伏发电系统以及碟式、塔式光热发电系统中主要采用二轴跟踪机构。目前的二轴跟踪机构通常为串联机构，串联二轴跟踪机构一般有一个竖直转轴和一个水平转轴，竖直转轴固定在地面上，用来支撑整个跟踪机构的载荷，并驱动跟踪机构完成太阳方位角的跟踪，水平转轴安装在竖直转轴顶端，实现太阳高度角的跟踪。为了保证跟踪机构能够实现最大的跟踪角，在不同时刻对太阳高度角进行跟踪，竖直转轴的高度需要至少是聚光器长度的一半，聚光器的尺寸增大就会导致竖直转轴的高度增加，大大降低跟踪机构的刚度。因此，为了保证跟踪机构的刚度，往往需要增大竖直转轴的尺寸或添加桁架结构。同时，随着支撑机构尺寸增大或结构变得复杂，跟踪机构需要重型的驱动装置来驱动，增加了能量消耗，提高了运行成本。跟踪机构整体的大载荷在进行设备选址时，需要更多地考虑地质方面的问题，同时也需要重型设备来运输大型零部件，给设备建造带来困难。

发明内容

本发明的目的是为了改善传统串联二轴跟踪机构的刚度低、成本、和能量消耗大等问题，提出了一种二轴太阳能聚光器跟踪机构，本发明在跟踪机构中采用了并联方式，具有高刚度、低成本、机构简单等特点，并在保证精度的前提下，减少能量消耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该机构包括一个定平台，一个安装光伏太阳能板或聚光器镜面的动平台，以及第一支链，第二支链和第三支链，其中第一支链顶端具有虎克绞，为限制支链；所述动平台一端通过第一支链连接在定平台上，并且通过第二支链和第三支链与定平台进一步相连，形成并联机构；所述动平台上可以安装光伏太阳能板或聚光器镜面,并通过第二支链和第三支链的运动控制动平台分别绕第一支链上的虎克绞的外圈、内圈的转动轴转动，且两个转动运动是解耦的。

所述第一支链包括：第一连杆和运动副a、b，第一连杆一端通过运动副a与定平台连接，另一端通过运动副b与动平台连接，运动副b为虎克绞，第一支链为限制支链。

所述第二支链包括：第二滑块，第二连杆，以及运动副c、d、e，第二滑块一端通过运动副c与定平台连接，另一端通过运动副d与第二连杆一端连接，第二连杆另一端通过运动副e与动平台连接，其中运动副c为驱动副。

所述第三支链包括：第三滑块，第三连杆，以及运动副f、g、h，第三滑块一端通过运动副f与定平台连接，另一端通过运动副g与第三连杆一端连接，第三连杆另一端通过运动副h与动平台连接，其中运动副f为驱动副。

所述第一支链的运动副b为虎克绞，第二支链与第三支链的运动副e和h均为球副，所述虎克绞b的内圈转动轴通过球副h的球心。

跟踪机构通过所述第二支链中和第三支链中的驱动副，分别带动动平台绕第一支链上的虎克绞a的内、外圈转动轴转动，从而控制动平台的姿态。当太阳在天空中的方位角和高度角发生变化时，可以通过控制动平台的姿态，使得太阳光线始终能够垂直入射到光伏太阳能板或聚光器镜面的镜面上，从而提高太阳能利用率。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用并联机构的形式实现了二轴跟踪机构跟踪太阳方位角和高度角的功能。由于并联机构高刚度、大负载、结构紧凑的特性，能够有效的提高跟踪机构的刚度，减小跟踪机构的尺寸，降低系统的复杂性，节约系统建造成本，并在保证精度的前提下，减少能量消耗。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中的定平台的结构示意图；

图3是本发明实施例中的第一支链的结构示意图；

图4是本发明实施例中的第二支链的结构示意图；

图5是本发明实施例中的第三支链的结构示意图；

图6是本发明实施例安装光伏太阳能板时的结构示意图；

图中：1-定平台、2-第一支链、3-第二支链、4-第三支链、5-动平台、6-光伏太阳能板、11-基座、12-铰链、13-第一立柱、14-第二立柱、21-第一连杆、31-第二滑块、32-第二连杆、41-第三滑块、42-第三连杆、a、b，c，d，e，f，g，h-运动副

具体实施方式

本发明提出的并联二轴太阳能聚光器跟踪机构结合附图及实施例详细说明如下：

本发明一种并联二轴太阳能聚光器跟踪机构一个实施例的结构如图1、6所示,该机构包括一个定平台1，一个安装光伏太阳能板6或聚光器镜面的动平台5，以及第一支链2，第二支链3和第三支链4，其中第一支链2顶端具有虎克绞b，为限制支链；所述动平台5一端通过第一支链2连接在定平台1上，并且通过第二支链3和第三支链4与定平台1相连，形成并联机构；所述动平台5上可以安装光伏太阳能6板或聚光器镜面,并通过第二支链3和第三支链4的运动控制动平台5分别绕第一支链2上的虎克绞b的外圈、内圈的转动轴转动，且两个转动运动是解耦的。

上述实施例各部分具体结构分别说明如下：

如图1、2所示，所述定平台1包括：一个基座11、一个与第一支链2连接的铰链12，以及两个分别与第二支链3和第三支链4连接的第一立柱13和第二立柱14；所述基座11为等腰直角三角形，铰链12固连在基座11的直角顶点处，第一支链2通过转动副连接在铰链12上；在基座11的另两个顶点处分别有第一立柱13和第二立柱14，第一立柱13和第二立柱14一端固连在基座11上，另一端通过移动副分别与第二支链3和第三支链4连接；所述动平台5为等腰直角三角形，直角顶点处通过运动副b连接在第一支链2上，另两个顶点处通过运动副e、运动副h分别与第二支链3、第三支链4连接。

如图1、3所示，所述第一支链2包括：第一连杆21和运动副a、b，第一连杆一端通过运动副a连接在铰链12上，运动副a为被动的转动副，另一端通过运动副b连接在动平台5上，运动副b为被动的虎克绞，动平台5能够绕第一支链2上的虎克绞b的内、外圈的转动轴转动。

如图1、4所示，所述第二支链3包括：第二滑块31，第二连杆32以及运动副c、d、e；第二滑块31一端通过运动副c与定平台1中的第一立柱13连接，运动副c为驱动的移动副，另一端通过运动副d与第二连杆32一端连接，运动副d为被动的转动副；第二连杆32另一端通过运动副e与动平台2连接，运动副e为被动的球副。

如图1、5所示，所述第三支链4包括：第三滑块41，第三连杆42以及运动副f、g、h，第三滑块41一端通过运动副f与定平台1中的第二立柱14连接，运动副f为驱动的移动副，另一端通过运动副g与第三连杆42一端连接，运动副g为被动的虎克绞，第三连杆42另一端通过运动副h与动平台2连接，运动副h为被动的球副。

本实施例的第一支链通过虎克绞b与动平台5相连，第二支链与第三支链分别通过球副e和球副h与动平台5相连，虎克绞b的内圈转动轴通过球副h的球心。在实际工作时，通过所述第二支链3中的驱动副c和第三支链4中的驱动副f，带动第二滑块31和第三滑块41分别在定平台1的第一立柱3和第二立柱4上运动，通过第二连杆32和第三连杆42，分别带动动平台5绕第一支链2上的虎克绞b的内、外圈的转动轴转动，实现动平台5的两个解耦的转动运动，从而控制动平台5的姿态。

如图6所示，光伏太阳能板6直接连接在动平台5上，当太阳在天空中的方位角和高度角发生变化时，可以通过控制动平台5的姿态，使得太阳光线始终能够垂直入射到光伏太阳能板6的镜面上，从而提高太阳能利用率。

本发明以一个并联二轴太阳能聚光器跟踪机构为例进行了说明，但是可以理解，本领域的技术人员可以对跟踪机构的各个支链进行适当的替换或修改，如在保证支链自由度不变的情况下，通过改变第一支链2中的运动副形式，第一支链2一端与定平台1固连，另一端通过球副与动平台5连接，同样能够实现动平台的两自由度转动。

Claims (4)

1.一种并联二轴太阳能聚光器跟踪机构，其特征在于，该机构包括一个定平台，一个安装光伏太阳能板或聚光器镜面的动平台，以及第一支链，第二支链和第三支链，其中第一支链顶端具有虎克绞，为限制支链；动平台通过第一支链连接在定平台上，并且通过第二支链和第三支链与定平台进一步相连，形成并联机构；所述动平台上可以安装光伏太阳能板或聚光器镜面,并通过第二支链和第三支链的运动控制动平台分别绕第一支链上的虎克绞的外圈、内圈的转动轴转动，且两个转动运动是解耦的；

所述第一支链包括：第一连杆和运动副a、b，第一连杆一端通过运动副a与定平台连接，另一端通过运动副b与动平台连接，运动副b为虎克绞，第一支链为限制支链。

2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述第二支链包括：第二滑块，第二连杆，以及运动副c、d、e，第二滑块一端通过运动副c与定平台连接，另一端通过运动副d与第二连杆一端连接，第二连杆另一端通过运动副e与动平台连接，其中运动副c为驱动副。

3.如权利要求1所述的机构，其特征在于，所述第三支链包括：第三滑块，第三连杆，以及运动副f、g、h，第三滑块一端通过运动副f与定平台连接，另一端通过运动副g与第三连杆一端连接，第三连杆另一端通过运动副h与动平台连接，其中运动副f为驱动副。

4.如权利要求1或2所述的机构，其特征在于，第一支链的运动副b为虎克绞，第二支链与第三支链的运动副e和h均为球副，所述虎克绞b的内圈转动轴通过球副h的球心。