CN105183007B - 一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，其特征在于，包括内支撑立柱，内支撑立柱的外部套有与内支撑立柱同轴的外支撑筒，内支撑立柱和外支撑筒的上部设置有承载部，外支撑筒的下部设置有驱动部，外支撑筒的下部还设置有下部支撑架构。本发明还公开了上述水平旋转驱动装置的设计方法。本发明的一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，将承载部、驱动部、下部支撑架构分离设置，承载部采用推力轴承，驱动部采用与推力轴承独立的齿环齿轮结构，避免了机械旋转力矩的浪费，可以有效降低制造成本，而且，各个部分之间的损坏不相互影响；本发明装置采用双齿轮消隙控制结构，精确度高。

Description

一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置及其设计方法

技术领域

本发明属于太阳位置跟踪系统技术领域，具体涉及一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，还涉及上述装置的设计方法。

背景技术

单立柱式太阳跟踪系统广泛的应用于太阳能光伏发电和太阳能光热发电领域。

在太阳能光伏发电领域：

太阳能光伏发电系统中电池板的安装分为固定式和跟踪式，光伏跟踪系统可以减小电池板法线与太阳入射光之间的夹角，从而提高发电效率。跟踪式又分为单轴和双轴跟踪系统。所谓立柱式跟踪系统是指在一个垂直安装的立柱或支架的顶端设置水平旋转驱动装置，用于跟踪太阳的方位角。如果水平旋转装置之上不再设置太阳高度角跟踪装置则系统为垂直单轴跟踪系统，如果在水平旋转驱动装置之上还安装电池板俯仰角度调节装置用于跟踪太阳高度角则系统为双轴跟踪系统。

在太阳能光热发电领域：

太阳能光热发电分为槽式光聚热发电，蝶式光聚热发电和塔式光聚热发电三种，单立柱太阳跟踪系统可用于蝶式和塔式光聚热发电两种系统。当单立柱跟踪系统应用与上述两种光聚热发电时必须采用双轴跟踪方式。

在蝶式光聚热发电中，聚光碟需要始终面向太阳，使聚光碟法线始终指向太阳。在塔式太阳能光热发电系统中定日镜需要将入射到聚光镜上的太阳光反射到塔上的吸热器上。

在这几种太阳跟踪系统中虽然太阳跟踪角度的计算有所差别，所承载的上部设备也不相同。但是这些系统的共同特点是在一个垂直的立柱顶端安装水平旋转驱动装置用于跟踪太阳的方位角变化，并在其上承载上部设备。因此我们将其统一称为“立柱式太阳跟踪系统”，目前在这一类立柱式太阳跟踪系统的水平旋转驱动中，广泛采用的是盘式减速机技术。

盘式减速机包括外盘和内盘，外盘涡轮在内盘连接的蜗杆驱动下产生旋转驱动力矩，内外盘组装在一起成为一个整体结构。在立柱式光伏跟踪系统中，盘式减速机的外盘和内盘分别连接在垂直支撑立柱上和立柱上部的跟踪机构及电池板或反射镜上。提供旋转驱动与结构支撑功能。

但用盘式减速机作为立柱式太阳跟踪系统的方位角驱动部件存在以下的具体问题：

①盘式减速机的结构设计主要用于输出较大的旋转扭矩，但是立柱式跟踪系统在水平旋转方向的扭矩需求比较小，盘式减速机旋转驱动的功能并未完全发挥，浪费了成本，导致跟踪系统整体价格升高。

②盘式减速机容易在风载荷作用下损坏，当跟踪支架上的电池板或者反射镜承受较大的水平风载荷时，盘式减速机内外盘之间除了正常的旋转扭矩和垂直承载力之外还会产生倾侧方向的强大倾侧扭转力，由于盘式减速机的厚度较小导致抗倾侧的力臂短，该扭力会形成较大的破坏性扭矩，引起盘式减速机损坏。

③盘式减速机一旦损坏，维修更换不便，由于立柱与上部跟踪支架的所有连接均以盘式减速机为节点，维修更换盘式减速机时必须把上部结构全部拆除或者吊离，检修维护不方便。

④对于塔式光聚热发电，中大型定日镜的跟踪精度要求较高，采用普通盘式减速机无法满足跟踪精度要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，解决现有立柱式太阳跟踪系统中使用的盘式减速机容易损坏且性价比低的问题。

本发明的目的还在于提供上述装置的设计方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置的设计方法，首先设置垂直于地面的内支撑立柱及与内支撑立柱同轴的外支撑筒，外支撑筒套在内支撑立柱的外部，然后内支撑立柱和外支撑筒的上部设置有承载部，外支撑筒的下部设置有驱动部用于驱动外支撑筒带动其上安装的上层设备旋转，外支撑筒的下部还设置有下部支撑架构，将承载部、驱动部、下部支撑架构分离设置。

本发明的第一种技术方案的特点还在于：

承载部包括轴承座，轴承座上设置有轴承，轴承上方设置有轴承盖，轴承座设置在内支撑立柱的上部，轴承盖设置在外支撑筒的上部。

轴承为推力轴承，主要用于承载外支撑筒上垂直向下的载荷。

轴承座和轴承盖上设置有传感器支座，轴承座和轴承盖的其中一个安装传感器的固定部分，另一个安装传感器的旋转部分，当外部支撑筒旋转时带动轴承盖上的传感器支座旋转，从而转动角度传感器，实现外部支撑筒的旋转角度测量。

驱动部包括内圈齿环及与内圈齿环相啮合的第一驱动齿轮，内圈齿环套接在内支撑立柱的外部，第一驱动齿轮与第一驱动电机相连接，第一驱动电机固接在外支撑筒上。

与第一驱动齿轮呈一定角度还设置有第二驱动齿轮，第二驱动齿轮与内圈齿环相啮合，第二驱动齿轮与第二驱动电机相连接，第二驱动电机固接在外支撑筒上。

下部支撑架构包括下定位环，下定位环固定套接在内支撑立柱的外部，下定位环与外支撑筒之间安装有密封滑环，密封滑环的下方设置有用于向上压紧密封滑环的密封盖，密封盖通过外定位环与外支撑筒固接。

本发明所采用的第二种技术方案是：一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，包括内支撑立柱，内支撑立柱的外部套有与内支撑立柱同轴的外支撑筒，内支撑立柱和外支撑筒的上部设置有承载部，外支撑筒的下部设置有驱动部，外支撑筒的下部还设置有下部支撑架构。

本发明的第二种技术方案的特点还在于：

承载部包括轴承座，轴承座上设置有轴承，轴承上方设置有轴承盖，轴承座设置在内支撑立柱的上部，轴承盖设置在外支撑筒的上部。

轴承为推力轴承。

轴承座和轴承盖上设置有传感器支座，轴承座和轴承盖的其中一个安装传感器的固定部分，另一个安装传感器的旋转部分。

驱动部包括内圈齿环及与内圈齿环相啮合的第一驱动齿轮，内圈齿环套接在内支撑立柱的外部，第一驱动齿轮与第一驱动电机相连接，第一驱动电机固接在外支撑筒上。

与第一驱动齿轮呈一定角度还设置有第二驱动齿轮，第二驱动齿轮与内圈齿环相啮合，第二驱动齿轮与第二驱动电机相连接，第二驱动电机固接在外支撑筒上。

下部支撑架构包括下定位环，下定位环固定套接在内支撑立柱的外部，下定位环与外支撑筒之间安装有密封滑环，密封滑环的下方设置有用于向上压紧密封滑环的密封盖，密封盖通过外定位环与外支撑筒固接。

本发明的有益效果是：

①本发明的一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，将承载部、驱动部、下部支撑架构分离设置，承载部采用推力轴承，驱动部采用与推力轴承独立的齿环齿轮结构，避免了机械旋转力矩的浪费，可以有效降低制造成本，而且，各个部分之间的损坏不相互影响。

②本发明中设计了较长的外支撑筒，并在上部推力轴承垂直承载的基础上设计了外支撑筒下部的密封滑环，因此水平风载在支撑结构上形成的倾侧力矩小，可以提高跟踪机构的抗风能力。

③本发明中独特的分离结构设计使得可以在不拆除上部跟踪装置的基础上方便的更换上部推力轴承、下部滑环轴承以及齿环齿轮驱动机构，降低了检修维护的难度和成本。

④对高精度要求的跟踪驱动要求，本发明中采用单齿环和双驱动齿轮的双电机自动消隙结构可以廉价高效的提高跟踪支架在水平方向的跟踪精度。

附图说明

图1是本发明水平旋转驱动装置的结构示意图；

图2是本发明水平旋转驱动装置中双电机驱动的结构示意图；

图3是本发明水平旋转驱动装置中双电机驱动的俯视图；

图4是本发明水平旋转驱动装置的使用示意图。

图中，1.内支撑立柱，2.轴承座，3.轴承盖，4.轴承，5.内圈齿环，6.第一驱动齿轮，7.外支撑筒，8.传感器支座，9.下定位环，10.第一驱动电机，11.密封滑环，12.外定位环，13.密封盖，14.第二驱动齿轮，15.第二驱动电机，16.斜支撑梁，17.水平支撑梁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，结构如图1所示，包括内支撑立柱1，内支撑立柱1的外部套有与内支撑立柱1同轴的外支撑筒7，内支撑立柱1和外支撑筒7的上部设置有承载部，外支撑筒7的下部设置有驱动部，外支撑筒7的下部还设置有下部支撑架构。

其中，承载部包括轴承座2，轴承座2上设置有轴承4，轴承4采用推力轴承，主要用于承载外支撑筒7上垂直向下的载荷，还具备发生侧倾时防止轴承4上端横向移动，轴承4上方设置有轴承盖3，轴承座2设置在内支撑立柱1的上部，轴承盖3设置在外支撑筒7的上部。轴承座2和轴承盖3上设置有传感器支座8，传感器支座8用于安装水平旋转角度测量传感器，轴承座2和轴承盖3的其中一个安装传感器的固定部分，另一个安装传感器的旋转部分。

驱动部包括内圈齿环5(内圈齿环5可设计为两个分离的半环结构)及与内圈齿环5相啮合的第一驱动齿轮6，内圈齿环5套接在内支撑立柱1的外部，第一驱动齿轮6与第一驱动电机10相连接，第一驱动电机10固接在外支撑筒上。

上述单齿轮驱动的结构可用于精度要求不高的立柱式太阳跟踪系统，当用于精度要求较高的塔式太阳能光聚热定日镜等设备时，本发明采用如图2所示的双齿轮消隙控制结构，俯视图如图3所示，与第一驱动齿轮6呈一定角设置第二驱动齿轮14，第二驱动齿轮14与内圈齿环5相啮合，第二驱动齿轮14与第二驱动电机15相连接，第二驱动电机15固接在外支撑筒7上。当需要外支撑筒7向某一方向旋转时第一驱动电机10和第二驱动电机15同方向旋转，共同驱动外支撑筒7旋转并使力矩加倍。当到达指定位置停止时，第二驱动电机15反转直到消除两个齿轮与齿环之间的啮合间隙。此时第一驱动齿轮6和第二驱动齿轮14各有一边齿面与内圈齿环5的齿面无缝隙张紧。外支撑筒7与内支撑立柱1之间没有了因齿轮啮合间隙引起的旋转角度误差。此时的控制精度已经与齿隙无关，主要与角度传感器的精度相关。

下部支撑架构包括下定位环9，下定位环9固定套接在内支撑立柱1的外部，下定位环9与外支撑筒7之间安装有密封滑环11(密封滑环11可以采用耐磨光滑的高分子材料或者普通的密封滚转轴承，密封滑环11可设计为两个分离的半环结构)，密封滑环11的下方设置有用于向上压紧密封滑环的密封盖13，密封盖13通过外定位环12与外支撑筒7固接；下定位环9位于内圈齿环5的下方，下定位环9上部的凸台支撑内圈齿环5。下部支撑架构是用来抵抗上部承载部的结构偏心和横向风载引起的扭转力矩。

本发明一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，使用时如图4所示，在外支撑筒7上设置斜支撑梁16和水平支撑梁17，太阳跟踪系统的上层结构和电池板或者反射镜均安装在由外支撑筒7以及斜支撑梁16和水平支撑梁17构成的支撑结构上。

本发明一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置的设计方法，首先设置垂直于地面的内支撑立柱及与内支撑立柱同轴的外支撑筒，外支撑筒套在内支撑立柱的外部，然后内支撑立柱和外支撑筒的上部设置有承载部，外支撑筒的下部设置有驱动部用于驱动外支撑筒带动其上安装的上层设备旋转，外支撑筒的下部还设置有下部支撑架构，将承载部、驱动部、下部支撑架构分离设置。

其中，承载部包括轴承座，轴承座上设置有轴承，轴承为推力轴承，用于承载外支撑筒上垂直向下的载荷，还具备发生侧倾时防止轴承4上端横向移动，轴承上方设置有轴承盖，轴承座设置在内支撑立柱的上部，轴承盖设置在外支撑筒的上部。

轴承座和轴承盖上设置有传感器支座，轴承座和轴承盖的其中一个安装传感器的固定部分，另一个安装传感器的旋转部分，当外部支撑筒旋转时带动轴承盖上的传感器支座旋转，从而转动角度传感器，实现外部支撑筒的旋转角度测量。

驱动部包括内圈齿环及与内圈齿环相啮合的第一驱动齿轮，内圈齿环套接在内支撑立柱的外部，第一驱动齿轮与第一驱动电机相连接，第一驱动电机固接在外支撑筒上。

与第一驱动齿轮呈一定角度还设置有第二驱动齿轮，第二驱动齿轮与内圈齿环相啮合，第二驱动齿轮与第二驱动电机相连接，第二驱动电机固接在外支撑筒上。

下部支撑架构包括下定位环，下定位环固定套接在内支撑立柱的外部，下定位环与外支撑筒之间安装有密封滑环，密封滑环的下方设置有用于向上压紧密封滑环的密封盖，密封盖通过外定位环与外支撑筒固接；下定位环位于内圈齿环的下方，下定位环上部的凸台支撑内圈齿环。

本发明的一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，将承载部、驱动部、下部支撑架构分离设置，承载部采用推力轴承，驱动部采用与推力轴承独立的齿环齿轮结构，避免了机械旋转力矩的浪费，可以有效降低制造成本，而且，各个部分之间的损坏不相互影响。

Claims (6)

1.一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置的设计方法，其特征在于，首先设置垂直于地面的内支撑立柱及与内支撑立柱同轴的外支撑筒，外支撑筒套在内支撑立柱的外部，然后内支撑立柱和外支撑筒的上部设置有承载部，外支撑筒的下部设置有驱动部用于驱动外支撑筒带动其上安装的上层设备旋转，外支撑筒的下部还设置有下部支撑架构，将承载部、驱动部、下部支撑架构分离设置；

所述承载部包括轴承座，轴承座上设置有轴承，轴承上方设置有轴承盖，轴承座设置在所述内支撑立柱的上部，轴承盖设置在所述外支撑筒的上部；

所述驱动部包括内圈齿环及与内圈齿环相啮合的第一驱动齿轮，内圈齿环套接在所述内支撑立柱的外部，第一驱动齿轮与第一驱动电机相连接，第一驱动电机固接在所述外支撑筒上；

与所述第一驱动齿轮呈一定角度还设置有第二驱动齿轮，第二驱动齿轮与所述内圈齿环相啮合，第二驱动齿轮与第二驱动电机相连接，第二驱动电机固接在所述外支撑筒上，所述第一驱动齿轮和第二驱动齿轮构成双齿轮消隙控制结构；

所述下部支撑架构包括下定位环，下定位环固定套接在内支撑立柱的外部，下定位环与外支撑筒之间安装有密封滑环，密封滑环的下方设置有用于向上压紧密封滑环的密封盖，密封盖通过外定位环与外支撑筒固接。

2.根据权利要求1所述的一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置的设计方法，其特征在于，所述轴承为推力轴承，主要用于承载外支撑筒上垂直向下的载荷。

3.根据权利要求1所述的一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置的设计方法，其特征在于，所述轴承座和轴承盖上设置有传感器支座，轴承座和轴承盖的其中一个安装传感器的固定部分，另一个安装传感器的旋转部分，当外部支撑筒旋转时带动轴承盖上的传感器支座旋转，从而转动角度传感器，实现外部支撑筒的旋转角度测量。

4.一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，其特征在于，包括内支撑立柱(1)，内支撑立柱(1)的外部套有与内支撑立柱(1)同轴的外支撑筒(7)，内支撑立柱(1)和外支撑筒(7)的上部设置有承载部，外支撑筒(7)的下部设置有驱动部，外支撑筒(7)的下部还设置有下部支撑架构；

所述承载部包括轴承座(2)，轴承座(2)上设置有轴承(4)，轴承(4)上方设置有轴承盖(3)，轴承座(2)设置在所述内支撑立柱(1)的上部，轴承盖(3)设置在所述外支撑筒(7)的上部；

所述驱动部包括内圈齿环(5)及与内圈齿环(5)相啮合的第一驱动齿轮(6)，内圈齿环(5)套接在所述内支撑立柱(1)的外部，第一驱动齿轮(6)与第一驱动电机(10)相连接，第一驱动电机(10)固接在所述外支撑筒上；

与所述第一驱动齿轮(6)呈一定角度还设置有第二驱动齿轮(14)，第二驱动齿轮(14)与所述内圈齿环(5)相啮合，第二驱动齿轮(14)与第二驱动电机(15)相连接，第二驱动电机(15)固接在所述外支撑筒(7)上，所述第一驱动齿轮(6)和第二驱动齿轮(14)构成双齿轮消隙控制结构；

所述下部支撑架构包括下定位环(9)，下定位环(9)固定套接在所述内支撑立柱(1)的外部，下定位环(9)与所述外支撑筒(7)之间安装有密封滑环(11)，密封滑环(11)的下方设置有用于向上压紧密封滑环的密封盖(13)，密封盖(13)通过外定位环(12)与外支撑筒(7)固接。

5.根据权利要求4所述的一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，其特征在于，所述轴承(4)为推力轴承。

6.根据权利要求4所述的一种立柱式太阳跟踪系统水平旋转驱动装置，其特征在于，所述轴承座(2)和轴承盖(3)上设置有传感器支座(8)，轴承座(2)和轴承盖(3)的其中一个安装传感器的固定部分，另一个安装传感器的旋转部分。