CN106026879A - 二轴太阳能聚光器跟踪机构和具有其的太阳能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二轴太阳能聚光器跟踪机构和具有其的太阳能发电装置，跟踪机构包括：定平台、动平台、第一支链、第二支链和驱动装置，动平台设在定平台上方且动平台上安装有聚光镜；第一支链设在动平台与定平台之间，第一支链的下端绕沿竖直方向延伸的旋转轴线与定平台可枢转地相连，第一支链的上端绕沿水平方向延伸的轴线与动平台可枢转地相连；第二支链设在动平台与定平台之间且位于第一支链的一侧，第二支链在竖直方向上的长度可变，第二支链的上端和下端分别与动平台和定平台可枢转地相连；驱动装置驱动第二支链活动以带动动平台实现两自由度转动。本发明的跟踪机构，工作空间大，跟踪效果好，并且刚度高、能耗低、扭矩小、惯性低。

Description

二轴太阳能聚光器跟踪机构和具有其的太阳能发电装置

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，尤其是涉及一种二轴太阳能聚光器跟踪机构和具有其的太阳能发电装置。

背景技术

太阳能发电是解决人类面临的能源问题的一个有效方法。目前，太阳能发电有光伏发电和光热发电两种形式。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。太阳能光热发电系统通常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。无论光伏发电还是光热发电，都需要利用跟踪机构(太阳能电池板、聚光镜固定在跟踪机构上)实时跟踪太阳运动。跟踪机构通常是一台自动化机械手，其跟踪太阳精度是影响聚光效率的一个重要因素。

相关技术中，太阳能聚光器跟踪机构包括单轴跟踪机构和二轴跟踪机构。其中，单轴跟踪机构只能实现一个方向的太阳跟踪，主要用在槽式太阳能聚光器系统中。二轴跟踪机构可以保证聚光镜面在一年四季接受到太阳光，获得较好的跟踪效果。二轴跟踪机构通常由安装在地下的激励驱动圆柱形竖直杆转动，实现太阳方位角跟踪；另外一个旋转轴安装在竖直杆的顶端，聚光镜背面固定在该旋转轴上，实现太阳高度角跟踪。

这些二轴跟踪机构仍是基于串联机构开发的，虽然这种跟踪机构原理简单，但是刚度较低。由于大型太阳能聚光镜结构尺寸及重量大，再加上风沙等外载荷影响，往往需要设计一个重型跟踪机构以获得较高的刚度来支撑聚光镜。因此，需要安装大功率激励来驱动跟踪机构，导致系统不能以最优功率运行，能量消耗巨大。另外，由于大负载和力矩，包含多套齿轮传动机构的驱动单元本身也是一个重型单元，并且往往需要在竖直杆旋转轴顶端安装重型配重平衡聚光镜重量，所有这些均导致系统能量消耗大、成本高。

针对传统二轴跟踪机构存在的刚度低和能量消耗大等问题，可以采用并联机构开发跟踪机构。并联机构的负载和机构本身重量比大，刚度高和惯性低，如果利用并联机构开发太阳能聚光器跟踪机构将会克服串联跟踪机构的缺点。但是，相关技术中的并联跟踪机构存在自由度数过多、工作空间达不到工程应用需求等问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种二轴太阳能聚光器跟踪机构，该二轴太阳能跟踪机构的跟踪效果好，并且具有刚度高、工作空间大、能耗低、扭矩小和惯性低等优点。

本发明的另一个目的在于提出一种具有上述二轴太阳能聚光器跟踪机构的太阳能发电装置。

根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构，包括：定平台；动平台，所述动平台设在所述定平台上方且所述动平台上安装有聚光镜；第一支链，所述第一支链设在所述动平台与所述定平台之间，所述第一支链的下端绕沿竖直方向延伸的旋转轴线与所述定平台可枢转地相连，所述第一支链的上端绕沿水平方向延伸的轴线与所述动平台可枢转地相连；第二支链，所述第二支链设在所述动平台与所述定平台之间且位于所述第一支链的一侧，所述第二支链在竖直方向上的长度可变，所述第二支链的上端与所述动平台可枢转地相连，所述第二支链的下端与所述定平台可枢转地相连；驱动装置，所述驱动装置驱动所述第二支链活动以带动所述动平台实现两自由度转动并实现聚光器对太阳的跟踪。

根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构，可以形成二自由度并联机构，实现二轴转动，工作空间大，从而可以获得较好的跟踪效果，具有刚度高、能耗低、扭矩小和惯性低等优点。

另外，根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述第二支链包括：平面五连杆机构，所述平面五连杆机构包括依次枢转连接构成环形的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆，所述第一连杆绕沿水平方向延伸的枢转轴线与所述定平台可枢转地相连，所述驱动装置包括两个驱动器，两个所述驱动器分别驱动所述第二连杆和所述第五连杆枢转；连接件，所述连接件的下端连接在所述第三连杆和所述第四连杆的连接处，所述连接件的上端与所述第一支链间隔开且绕沿与所述动平台的轴向平行的枢转轴线与所述动平台可枢转地相连。

可选地，所述两个所述驱动器分别设在所述第一连杆的两端以分别驱动所述第二连杆和所述第五连杆枢转。

可选地，所述第一连杆与所述定平台平行且所述第一连杆的两端可同步枢转地与所述定平台相连。

根据本发明的一些实施例，所述第一支链形成为沿竖直方向延伸的直杆，所述直杆的上端连接在所述动平台的中心。

根据本发明的一些实施例，所述第一支链和所述定平台中的其中一个上设有定位孔且另一个上设有适于容纳在所述定位孔内的定位柱，所述定位柱可枢转地设在所述定位孔内。

可选地，所述连接件包括：第一连接杆，所述第一连接杆的下端绕沿垂直于所述平面五连杆机构所在平面的枢转轴线与所述平面五连杆机构可枢转地相连；第二连接杆，所述第二连接杆的下端绕沿平行于所述平面五连杆机构所在平面的枢转轴线与所述第一连接杆的上端可枢转地相连，所述第二连接杆的上端绕沿与所述动平台的轴向平行的枢转轴线与所述动平台可枢转地相连。

可选地，所述第二连接杆构造为虎克铰。

可选地，所述连接件形成为固连杆，所述固连杆的一端与所述平面五连杆机构固定相连且另一端通过球副与所述动平台相连。

根据本发明实施例的太阳能发电装置，包括根据本发明上述实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构的三维结构示意图；

图2是根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构的第一支链的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构的第二支链的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构的动平台的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构的定平台的结构示意图。附图标记：

100：二轴太阳能聚光器跟踪机构；

1：动平台；2：定平台；3：第一支链；4：第二支链；

11：动平台底座；12：聚光镜；21：定位柱；31：定位孔；

401：平面五连杆机构；402：连接件；

41：第一连杆；42：第二连杆；43：第三连杆；44：第四连杆；45：第五连杆；46：第一连接杆；47：第二连接杆；

48：第一驱动器；49：第二驱动器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1-图5详细描述根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构100，该跟踪机构100可用于太阳能发电装置，但不限于此。其中，上下方向以二轴太阳能聚光器跟踪机构100正常使用时的上下方向为准。

参考图1-图5所示，根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构100可以包括：定平台2、动平台1、第一支链3、第二支链4和驱动装置。

具体而言，定平台2可以固定在例如地面、屋顶等基础上，为其他部件提供支撑，以提高稳定性。动平台1可以设在定平台2的上方，并且动平台1上可以安装有聚光镜12，聚光镜12可以将太阳光会聚在一个狭小的区域，以实现后续利用太阳能发电的工作。

如图1所示，第一支链3可以设在动平台1与定平台2之间，第一支链3的下端可以绕沿竖直方向延伸的旋转轴线与定平台2可枢转地相连，第一支链3的上端可以绕沿水平方向延伸的轴线与动平台1可枢转地相连，第一支链3为支撑支链，从而动平台1可以实现竖直面内的转动，同时可以实现水平面内的转动。

第二支链4可以设在动平台1与定平台2之间，并且第二支链4可以位于第一支链3的一侧，第二支链4在竖直方向上的长度可变，第二支链4的上端与动平台1可枢转地相连，第二支链4的下端与定平台2可枢转地相连。也就是说，第二支链4与第一支链3并联设置，从而可以提高刚度，减小扭矩，降低惯性。并且，改变第二支链4的长度可以改变动平台1的高度角和方位角，配合第一支链3的枢转，可以改变动平台1的姿势，工作空间大，跟踪效果好。

驱动装置可以驱动第二支链4活动，以带动动平台1实现两自由度转动，并实现聚光器对太阳的跟踪，使得太阳光线能够垂直入射聚光镜12镜面上，从而提高太阳能利用率。

当太阳在天空的方位角和高度角发生变化时，驱动装置可以驱动第二支链4活动，改变第二支链4的长度，使动平台1在第二支链4的带动下运动，第二支链4的长度伸缩时，动平台1可以同时绕沿水平方向延伸的轴线和沿竖直方向延伸的轴线相对于第一支链3转动，实现二轴转动，调整动平台1的姿态，使得太阳光线能够垂直入射聚光镜12的镜面上，获得较好的跟踪效果。

根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构100，通过将第一支链3和第二支链4设在动平台1和定平台2之间，并将第二支链4和第一支链3并联设置，将第二支链4设为在竖直方向上的长度可变，利用驱动装置驱动第二支链4活动，从而带动动平台1运动，实现二轴转动，不仅可以获得较好的跟踪效果，而且结构简单紧凑，还具有刚度高、工作空间大、能耗低、扭矩小、惯性低等优点。

根据本发明的一些实施例，如图1和图2所示，第一支链3可以形成为沿竖直方向延伸的直杆，第一支链3的上端可以连接在动平台1的中心，第一支链3分别与动平台1和定平台2相连，为支撑支链。

如图1和图4所示，动平台1可以包括动平台底座11和聚光镜12，聚光镜12可与动平台底座11固定相连，从而动平台底座11活动时可以带动聚光镜面运动，实现聚光器对太阳的跟踪。

在一些实施例中，第一支链3和定平台2中的其中一个上可以设有定位孔31，并且另一个上可设有适于容纳在定位孔31内的定位柱21，定位柱21可枢转地设在定位孔31内，以使第一支链3与定平台2可枢转。例如，在图1、图2和图5所示的示例中，第一支链3的下端设有定位孔31，定平台2上设有定位柱21，定位柱21容纳在定位孔31内并且可相对于定位孔31转动，从而驱动装置驱动第二支链4活动时，第一支链3可以实现从动，适应动平台1的姿态，并为动平台1提供支撑，提高稳定性和可靠性。当然，定位柱21还可以设在第一支链3的下端，定位孔31可以设在定平台2上，以实现第一支链3与定平台2的枢转连接。

根据本发明的一些实施例，如图1和图3所示，第二支链4可以包括：平面五连杆机构401和连接件402。其中，如图3所示，平面五连杆机构401可以包括依次枢转连接构成环形的第一连杆41、第二连杆42、第三连杆43、第四连杆44和第五连杆45，第一连杆41绕沿水平方向延伸的枢转轴线与定平台2可枢转地相连，从而第二支链4可以绕沿水平方向延伸的枢转轴线相对于定平台2转动，增大二轴太阳能聚光器跟踪机构100的工作空间。

如图1和图3所示，连接件402的下端可以连接在第三连杆43和第四连杆44的连接处，连接件402的上端可以与第一支链3间隔开，并且连接件402的上端绕沿与动平台1的轴向平行的枢转轴线与动平台1可枢转地相连。也就是说，连接件402连接在平面五连杆机构401和动平台1之间，并且连接件402与动平台1之间的枢转轴线平行于动平台1的轴向。由此，平面五连杆机构401活动时可以带动连接件402活动，从而改变动平台1的姿态，调节动平台1的高度角和方位角。

驱动装置可以包括两个驱动器，两个驱动器可分别驱动第二连杆42和第五连杆45枢转。具体而言，如图3所示，驱动装置包括第一驱动器48和第二驱动器49，第一驱动器48驱动第二连杆42枢转，第二驱动器49驱动第五连杆45枢转，从而可以改变第二支链4的长度。当第一驱动器48和第二驱动器49驱动第二连杆42和第五连杆45转动时，通过第二支链4上下伸缩带动动平台1实现绕沿水平方向的枢转轴线转动，通过第二支链4左右摆动带动动平台1实现绕沿竖直方向上的枢转轴线转动。由此，不仅可以形成两自由度并联机构，实现二轴转动，调节动平台1的高度角和方位角，而且结构简单紧凑，能耗低，同时，可以降低扭矩。

可选地，两个驱动器可以分别设在第一连杆41的两端，以分别驱动第二连杆42和第五连杆45枢转。例如在如图3所示的示例中，第一驱动器48设在第一连杆41的一端，第一驱动器48可以驱动第二连杆42枢转，第二驱动器49可以设在第一连杆41的另一端，第二驱动器49可以驱动第五连杆45转动。这样，拆装方便，便于维护，可以在一定程度上降低成本。

在一些实施例中，如图1所示，第一连杆41与定平台2平行，并且第一连杆41的两端可同步枢转地与定平台2相连。例如，第一连杆41与定平台2的枢转轴线可以平行于定平台2，从而可以使第一连杆41的两端可以同步枢转。当第二连杆42和第五连杆45枢转时，第二支链4的长度发生改变，将第一连杆41设为与定平台2平行，并将第一连杆41的两端设为相对于定平台2同步枢转，可以使第二支链4与定平台2之间的夹角随第二支链4的长度变化而变化，以适应动平台1的姿态调整，同时还可以提高灵活性。

根据本发明的一些实施例，如图1和图3所示，连接件402可以包括：第一连接杆46和第二连接杆47。其中，第一连接杆46的下端绕沿垂直于平面五连杆机构401所在平面的枢转轴线与平面五连杆机构401可枢转地相连，也就是说，第一连杆41的下端与平面五连杆机构401相连，并且二者的枢转轴线垂直于平面五连杆机构401所在的平面。

第二连接杆47的下端绕沿平行于平面五连杆机构401所在平面的枢转轴线与第一连接杆46的上端可枢转地相连，第二连接杆47的上端沿与动平台1的轴向平行的枢转轴线与动平台1可枢转地相连。换言之，第二连接杆47的下端与第一连接杆46的上端相连，并且第一连接杆46与第二连接杆47的枢转轴线平行于平面五连杆机构401所在的平面，第二连杆42的上端与动平台1相连，并且第二连杆42与动平台1的枢转轴线垂直于动平台1的径向，即，连接件402可以同时满足动平台1在三个方向上的转动。

由此，可以在二轴太阳能聚光器跟踪机构100采用混联机构，驱动装置驱动平面五连杆机构401活动时，可以带动动平台1实现两自由度转动，连接件402可以同时满足动平台1在垂直于平面五连杆机构401所在平面的方向、平行于平面五连杆机构401所在平面的方向以及平行于动平台1的轴线方向的转动，保证具有较大的工作空间，使跟踪效果更优。

根据本发明的另一些实施例，第二连接杆47可以构造为虎克铰，也就是说，平面五连杆机构401与动平台1之间可以通过第一连接杆46和虎克铰相连，从而可以满足动平台1在各个方向的转动，实现动平台1的二轴转动。

根据本发明的再一些实施例，连接件402可以形成为固连杆，固连杆的一端可与平面五连杆机构401固定相连，并且固连杆的另一端可以通过球副与动平台1相连，由球副提供三个转动自由度，从而实现动平台1的高度角和方位角的调整。

也就是说，本领域的技术人员可以对跟踪机构的组成部件进行适当的替换或修改。例如，在保证第二支链4自由度不变的情况下，通过改变第二支链4的杆件或运动副，将第一连接杆46与平面五连杆机构401固连，另一端通过球副与动平台1相连接，同样能够实现跟踪机构动平台1的二轴转动。或者，第二连接杆47可以简化为虎克铰，与动平台1相连接，同样能够实现跟踪机构动平台1的二轴转动。

上述连接部件的替换和修改已为本领域技术人员熟知，在此不再详细描述。

综上所述，根据本发明实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构100，采用并联机构，通过两个驱动器驱动第二支链4活动，改变第二支链4的长度，带动动平台1在第一支链3的支撑下绕水平方向和竖直方向延伸的轴线转动，从而可以控制动平台1的姿态，使动平台1的姿态可以随着太阳方位角和高度角的变化进行调整，使得太阳光线始终能够垂直入射到动平台1上的聚光镜12上，从而具有较优的跟踪效果，进而可以提高太阳能的利用率，具有刚度高、扭矩小和惯性低等特点，并在保证工作空间的前提下，可以减少能量消耗。

根据本发明实施例的太阳能发电装置，可以包括根据本发明上述实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构100。

根据本发明实施例的太阳能发电装置，通过设置根据本发明上述实施例的二轴太阳能聚光器跟踪机构100，可以获得较好的跟踪效果，从而可以提高太阳能的利用率，并且具有能耗小、成本低廉等优点。

根据本发明实施例的太阳能发电装置的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种二轴太阳能聚光器跟踪机构，其特征在于，包括：

定平台；

动平台，所述动平台设在所述定平台上方且所述动平台上安装有聚光镜；

第一支链，所述第一支链设在所述动平台与所述定平台之间，所述第一支链的下端绕沿竖直方向延伸的旋转轴线与所述定平台可枢转地相连，所述第一支链的上端绕沿水平方向延伸的轴线与所述动平台可枢转地相连；

第二支链，所述第二支链设在所述动平台与所述定平台之间且位于所述第一支链的一侧，所述第二支链在竖直方向上的长度可变，所述第二支链的上端与所述动平台可枢转地相连，所述第二支链的下端与所述定平台可枢转地相连；

驱动装置，所述驱动装置驱动所述第二支链活动以带动所述动平台实现两自由度转动并实现聚光器对太阳的跟踪。

2.根据权利要求1所述的二轴太阳能聚光器跟踪机构，其特征在于，所述第二支链包括：

平面五连杆机构，所述平面五连杆机构包括依次枢转连接构成环形的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆，所述第一连杆绕沿水平方向延伸的枢转轴线与所述定平台可枢转地相连，所述驱动装置包括两个驱动器，两个所述驱动器分别驱动所述第二连杆和所述第五连杆枢转；

连接件，所述连接件的下端连接在所述第三连杆和所述第四连杆的连接处，所述连接件的上端与所述第一支链间隔开且绕沿与所述动平台的轴向平行的枢转轴线与所述动平台可枢转地相连。

3.根据权利要求2所述的聚光器跟踪机构，其特征在于，所述两个所述驱动器分别设在所述第一连杆的两端以分别驱动所述第二连杆和所述第五连杆枢转。

4.根据权利要求2所述的聚光器跟踪机构，其特征在于，所述第一连杆与所述定平台平行且所述第一连杆的两端可同步枢转地与所述定平台相连。

5.根据权利要求1所述的聚光器跟踪机构，其特征在于，所述第一支链形成为沿竖直方向延伸的直杆，所述直杆的上端连接在所述动平台的中心。

6.根据权利要求1所述的聚光器跟踪机构，其特征在于，所述第一支链和所述定平台中的其中一个上设有定位孔且另一个上设有适于容纳在所述定位孔内的定位柱，所述定位柱可枢转地设在所述定位孔内。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的聚光器跟踪机构，其特征在于，所述连接件包括：

第一连接杆，所述第一连接杆的下端绕沿垂直于所述平面五连杆机构所在平面的枢转轴线与所述平面五连杆机构可枢转地相连；

第二连接杆，所述第二连接杆的下端绕沿平行于所述平面五连杆机构所在平面的枢转轴线与所述第一连接杆的上端可枢转地相连，所述第二连接杆的上端绕沿与所述动平台的轴向平行的枢转轴线与所述动平台可枢转地相连。

8.根据权利要求7述的聚光器跟踪机构，其特征在于，所述第二连接杆构造为虎克铰。

9.根据权利要求2-6中任一项所述的聚光器跟踪机构，其特征在于，所述连接件形成为固连杆，所述固连杆的一端与所述平面五连杆机构固定相连且另一端通过球副与所述动平台相连。

10.一种太阳能发电装置，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的二轴太阳能聚光器跟踪机构。