CN107678150B - 一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，旨在解决现有技术存在的跟踪累积误差大和末端驱动器负载大的技术问题。包括反射器和跟踪器，反射器包括外圆环框架、索网组、能量转换装置和安装杆；跟踪器包括支撑平台、固定杆、第一驱动杆和第二驱动杆；固定杆的下端与支撑平台固连，上端通过虎克铰链与外圆环框架相连；第一驱动杆的上端通过球铰链与外圆环框架相连，下端通过球铰链与支撑平台相连；第二驱动杆由通过转动铰链连接的两个短杆组成，一个短杆的自由端与固定杆上安装的转动铰链相连，另一个短杆的自由端通过虎克铰链与外圆环框架的下圆环体相连；第一驱动杆和第二驱动杆共同驱动外圆环框架，带动反射面实现对太阳的跟踪。

Description

一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统

技术领域

本发明属于机械组件技术领域，涉及一种极轴跟踪反射汇聚系统，具体涉及一种由双杆支撑的极轴跟踪反射汇聚系统，可用于在地面上太阳能的反射和汇聚。

背景技术

随着传统能源的日益枯竭、环境问题不断凸显，新能源的开发和利用迫在眉睫。在众多的可再生能源中，太阳能是发展潜力最大的新型能源之一。当前太阳能热发电系统主要有槽式系统、塔式系统和碟式系统，其中碟式系统转换效率最高，年平均转换效率可以达到23％左右。

碟式太阳能跟踪机构主要包括地平式和极轴式。相比于地平式跟踪机构，极轴式跟踪机构采用绕与地轴平行的极轴转动实现对太阳方位运动的跟踪，同时绕与极轴正交的轴线转动实现对太阳俯仰运动的跟踪，具有结构简单和功耗小的优点。例如，授权公告号为CN102053351B、名称为“一种新型极轴式太阳能聚光装置”的中国专利，公开了一种新型极轴式太阳能聚光装置，该装置包括上下基座、半圆轨道机构、步进机构及抛物面反射镜，半圆轨道机构与上下基座通过大直径的齿轮内咬合连接，上下基座与半圆轨道的连线为圆的直径，即为极轴线，每日通过驱动半圆轨道机构沿极轴线转动，带动反射镜实现对太阳方位运动的跟踪，同时通过滑块结构的步进机构调节反射镜在圆形轨道的不同位置实现对太阳俯仰运动的跟踪。但它存在两个缺点，第一，跟踪太阳俯仰运动的步进机构叠加在半圆轨道机构上，跟随半圆轨道机构一起绕极轴线转动，半圆轨道机构带来的驱动误差会累加到步进机构上，存在跟踪累积误差；第二，俯仰驱动装置的质量由方位驱动装置来承担，导致末端驱动器的负载较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，用于解决现有技术存在的跟踪累积误差较大和末端驱动器的负载较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，包括反射器和跟踪器：

所述反射器，采用正馈或偏馈结构，包括外圆环框架1、索网组2、能量转换装置3和安装杆4：

所述外圆环框架1，包括由多个固定接头11、多个横杆12和多个中间杆13组成的上圆环体和下圆环体，所述固定接头11由两个横向接管和两个支向接管组成，所述上圆环体和下圆环体分别由多个固定接头11和与固定接头11的横向接管相连的横杆12拼接而成，该两个圆环体相对排布，之间通过固定接头11的支向接管与中间杆13固连，形成立体环状框架结构；

所述索网组2，包括成形索21、紧固索22和调整索23；所述成形索21由多根与上圆环体连接的柔性绳索纵横交错编织而成，其上绑定有用以汇聚太阳能的柔性镀金属薄膜，形成反射面；所述紧固索22由多根与下圆环体连接的柔性绳索纵横交错编织而成；所述调整索23由成形索21和紧固索22的对应绳索节点之间连接的多根柔性绳索组成，通过调节调整索23的长度，实现对成形索21形状的控制；

所述能量转换装置3，通过安装杆4固定在索网组2形成的反射面的焦点上；

所述固定接头11，由相对结合的第一夹板111和第二夹板112组成，其中一个横向接管和与该横向接管相邻的支向接管所在平面与另一个横向接管和与该横向接管相邻的支向接管所在平面镜像对称，且两个平面不共面，四个接管的中心线汇交于一点；

所述跟踪器，包括支撑平台5、固定杆6、第一驱动杆7和第二驱动杆8：所述固定杆6的下端与支撑平台5固连，上端通过虎克铰链与外圆环框架1的下圆环体相连；

所述第一驱动杆7的上端通过球铰链与外圆环框架1的下圆环体相连，下端通过球铰链与支撑平台5相连；

所述第二驱动杆8由通过转动铰链连接的两个短杆组成，其中一个短杆的自由端与固定杆6上安装的转动铰链相连，另一个短杆的自由端通过虎克铰链与外圆环框架1的下圆环体相连，连接两个短杆的转动铰链与固定杆6上安装的转动铰链的转动轴线平行，且两个平行的转动轴线垂直于第二驱动杆8和固定杆6所在平面，该第二驱动杆8上连接的虎克铰链与固定杆6上连接的虎克铰链的一条转动轴线共线，一条转动轴线平行，两条平行的转动轴线与第二驱动杆8和固定杆6所在平面垂直；

所述第一驱动杆7和第二驱动杆8共同驱动外圆环框架1，带动索网组2形成的反射面沿固定杆6上端连接的虎克铰链与地轴平行的一条轴线转动，实现对太阳方位运动的跟踪，同时沿虎克铰链的另一条轴线转动，实现对太阳俯仰运动的跟踪。

上述一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其反射器，采用偏馈结构，所述索网组2形成的反射面由主曲面与辅助曲面拼接而成，其中主曲面为旋转抛物面被与其旋转轴不同心的圆柱面截取的曲面，所述安装杆4固定在被截取旋转抛物面的旋转轴线上，所述能量转换装置3通过安装杆4固定在被截取旋转抛物面的焦点处。

上述一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其反射器，采用正馈结构，所述索网组2形成的反射面，其形状为旋转抛物面，所述安装杆4固定在旋转抛物面的旋转轴线上，所述能量转换装置3通过安装杆4固定在旋转抛物面的焦点处。

上述一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其固定接头11的横向接管的内腔形状与横杆12的横截面形状相同；固定接头11的支向接管的内腔形状与中间杆13的横截面形状相同。

上述一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其能量转换装置3，采用光电转换装置或热电转换装置。

上述一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其第一驱动杆7，采用自动伸缩杆。

上述一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其索网组2的柔性绳索采用凯夫拉线；所述横杆11、中间杆12、固定杆6、第一驱动杆7和第二驱动杆8均采用高强度的碳纤维材料。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于在实现反射面对太阳方位运动和俯仰运动的跟踪过程中，是采用由第二驱动杆驱动外圆环框架沿固定杆上端连接的虎克铰链的一条轴线转动，同时由第一驱动杆驱动外圆环框架沿该虎克铰链的另一条轴线转动，两种驱动方式相互独立，各自产生的误差不会相互叠加，避免了现有极轴式跟踪装置存在的跟踪累积误差较大的缺陷，提高了跟踪精度。

2.本发明跟踪器的第二驱动杆安装在固定杆上，固定杆和第一驱动杆的下端分别与支撑平台相连，第一驱动杆和第二驱动杆各自独立驱动外圆环框架沿不同的方向运动，降低了末端驱动器的负载，减小了末端驱动器所需电机的功率。

3.本发明的跟踪器中的固定杆和第一驱动杆下端的距离可根据工作空间大小进行灵活调整，提高了适应性。

4.本发明的反射器中的固定接头的一个横向接管和与该横向接管相邻的支向接管所在平面与另一个横向接管和与该横向接管相邻的支向接管所在平面镜像对称，且两个平面不共面，四个接管的中心线汇交于一点，在拼接相同大小外圆环框架时所需要的数量较少，同时减少了横杆和中间杆的数量，简化了外圆环框架的结构。

附图说明

图1是本发明口径为5m的实施例1的整体结构示意图；

图2是本发明外圆环框架的局部结构示意图；

图3是本发明索网组的结构示意图；

图4是本发明固定接头的结构示意图；

图5是本发明口径为5m的实施例2的反射器结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

实施例1：本实施例的反射器采用偏馈结构。

参照图1，一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，包括反射器和跟踪器：

反射器，包括外圆环框架1、索网组2、能量转换装置3和安装杆4：

外圆环框架1，其结构如图2所示，包括由48个固定接头11、48个横杆12和48个中间杆13组成的上圆环体和下圆环体。其中，横杆12的长度为653mm，中间杆13的长度为597mm。固定接头11，其结构如图4所示，由第一夹板111和第二夹板112组成，结合在一起形成两个横向接管和两个支向接管，其中一个横向接管和与该横向接管相邻的支向接管所在平面与另一个横向接管和与该横向接管相邻的支向接管所在平面镜向对称，且两个平面的夹角为165°；四个接管的中心线汇交于一点；一个横向接管和与其相邻的支向接管的中心线所成角度为57°；固定接头11的横向接管的内腔形状与横杆12的横截面形状均为圆形，固定接头11的支向接管的内腔形状与中间杆13的横截面形状均为圆形，横杆12和中间杆13均采用碳纤维圆管；固定接头11的四个接管上分别沿径向设有安装孔，同样，横杆或中间杆的两端分别沿径向设有安装孔；固定接头11和与固定接头11的横向接管相连的横杆12的安装孔对正，通过销固定；24个固定接头11和24个横向接管首尾相连拼接成上圆环体或下圆环体；该两个圆环体相对排布，下圆环体的各固定接头11的镜像对称平面分别与该固定接头相对的上圆环体的横杆12的对称平面共面；48个固定接头11的支向接管与48个中间杆13的安装孔互相对正，通过销固定，最终形成立体环状框架结构。横杆12上开有3个连接孔，用于绑定索网组2中的绳索。

索网组2，其结构如图3所示，包括成形索21、紧固索22和调整索23；上圆环体或下圆环体的横杆上开有3个连接孔，如图2所示；多根柔性绳索一端穿过上圆环体的横杆上的连接孔绑定，柔性绳索纵横交错，绳索与绳索之间通过扣子固定，形成绳节点，最终编织为成形索21，用以汇聚太阳能的柔性镀金属薄膜通过绳节点处的扣子扣在成形索21上，形成反射面，该反射面由主曲面与辅助曲面拼接而成，其中主曲面为抛物面被与其旋转轴不同心的圆柱面截取的曲面；多根柔性绳索一端穿过下圆环体的横杆上的连接孔绑定，柔性绳索纵横交错，绳索与绳索之间通过扣子固定，形成绳节点，最终编织为紧固索22；调整索23由成形索21和紧固索22的对应绳索节点之间连接的多根柔性绳索组成，通过调节调整索23的长度，实现对成形索21形状的控制。索网组2中的绳索材料均选为凯夫拉线。

能量转换装置3，采用热电转换装置，安装杆4固定在索网组2形成的反射面的主曲面被截取旋转抛物面的旋转轴线上，能量转换装置3通过安装杆4固定在被截取旋转抛物面的焦点处。

跟踪器，包括支撑平台5、固定杆6、第一驱动杆7和第二驱动杆8：固定杆6的下端与支撑平台5固连，上端通过虎克铰链与外圆环框架1的下圆环体相连；第一驱动杆7的上端通过球铰链与外圆环框架1的下圆环体相连，下端通过球铰链与支撑平台5相连；第二驱动杆8由通过转动铰链连接的两个短杆组成，其中一个短杆的自由端与固定杆6上安装的转动铰链相连，另一个短杆的自由端通过虎克铰链与外圆环框架1的下圆环体相连，且连接两个短杆的转动铰链与固定杆6上安装的铰链的转动轴线平行，同时垂直于第二驱动杆8和固定杆6所在平面；该第二驱动杆8上连接的虎克铰链与固定杆6上连接的虎克铰链的一条转动轴线共线，一条转动轴线平行，两条平行的转动轴线与第二驱动杆8和固定杆6所在平面垂直；第一驱动杆7，采用自动伸缩杆。固定杆6、第一驱动杆7和第二驱动杆8均采用高强度的碳纤维材料。

实施例2：本实施例的跟踪器与实施例1相同，反射器采用正馈结构。

参照图5，该反射器包括外圆环框架1、索网组2、能量转换装置3和安装杆4，不同之处在于：索网组2形成的反射面，其形状为旋转抛物面，安装杆4通过多根与外圆环框架相连的绳索固定在旋转抛物面的旋转轴线上，能量转换装置3固定在旋转抛物面的焦点处。

在某些极限位姿，安装杆4可能与跟踪器存在干涉，需要合理考虑跟踪器的尺寸和布局。

第二驱动杆8与固定杆6连接的转动铰链上安装有旋转电机，通过电机的旋转驱动第二驱动杆8在第二驱动杆7与固定杆6所在平面运动，驱动外圆环框架1运动，进而带动索网组2形成的反射面沿固定杆6上端连接的虎克铰链与地轴平行的一条轴线转动，实现对太阳方位运动的跟踪；与此同时，第二驱动杆7的下端安装有电机，通过电机的旋转驱动第二驱动杆7实现伸缩杆的伸长或缩短，驱动外圆环框架1运动，进而带动索网组2形成的反射面沿固定杆6上端连接的虎克铰链的另一条轴线转动，实现对太阳俯仰运动的跟踪。

上述描述的具体实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限制。显然，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。例如本实例使用了伸缩杆、成形索、紧固索、调整索等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，若把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。这种在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式或细节上的各种修改和改变，仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，包括反射器和跟踪器：

所述反射器，采用正馈或偏馈结构，包括外圆环框架(1)、索网组(2)、能量转换装置(3)和安装杆(4)：

所述外圆环框架(1)，包括由多个固定接头(11)、多个横杆(12)和多个中间杆(13)组成的上圆环体和下圆环体，所述固定接头(11)由两个横向接管和两个支向接管组成，所述上圆环体和下圆环体分别由多个固定接头(11)和与固定接头(11)的横向接管相连的横杆(12)拼接而成，该两个圆环体相对排布，之间通过固定接头(11)的支向接管与中间杆(13)固连，形成立体环状框架结构；

所述索网组(2)，包括成形索(21)、紧固索(22)和调整索(23)；所述成形索(21)由多根与上圆环体连接的柔性绳索纵横交错编织而成，其上绑定有用以汇聚太阳能的柔性镀金属薄膜，形成反射面；所述紧固索(22)由多根与下圆环体连接的柔性绳索纵横交错编织而成；所述调整索(23)由成形索(21)和紧固索(22)的对应绳索节点之间连接的多根柔性绳索组成，通过调节调整索(23)的长度，实现对成形索(21)形状的控制；

所述能量转换装置(3)，通过安装杆(4)固定在索网组(2)形成的反射面的焦点上；

其特征在于：

所述固定接头(11)，由相对结合的第一夹板(111)和第二夹板(112)组成，其中一个横向接管和与该横向接管相邻的支向接管所在平面与另一个横向接管和与该另一个横向接管相邻的支向接管所在平面镜像对称，且两个平面不共面，四个接管的中心线汇交于一点；

所述跟踪器，包括支撑平台(5)、固定杆(6)、第一驱动杆(7)和第二驱动杆(8)：所述固定杆(6)的下端与支撑平台(5)固连，上端通过虎克铰链与外圆环框架(1)的下圆环体相连；

所述第一驱动杆(7)的上端通过球铰链与外圆环框架(1)的下圆环体相连，下端通过球铰链与支撑平台(5)相连；

所述第二驱动杆(8)由通过转动铰链连接的两个短杆组成，其中一个短杆的自由端与固定杆(6)上安装的转动铰链相连，另一个短杆的自由端通过虎克铰链与外圆环框架(1)的下圆环体相连，连接两个短杆的转动铰链与固定杆(6)上安装的转动铰链的转动轴线平行，且两条平行的转动轴线垂直于第二驱动杆(8)和固定杆(6)所在平面，该第二驱动杆(8)上连接的虎克铰链与固定杆(6)上连接的虎克铰链的一条转动轴线共线，一条转动轴线平行，两条平行的转动轴线与第二驱动杆(8)和固定杆(6)所在平面垂直；

所述第一驱动杆(7)和第二驱动杆(8)共同驱动外圆环框架(1)，带动索网组(2)形成的反射面沿固定杆(6)上端连接的虎克铰链与地轴平行的一条轴线转动，实现对太阳方位运动的跟踪，同时沿虎克铰链的另一条轴线转动，实现对太阳俯仰运动的跟踪。

2.根据权利要求1所述的双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其特征在于，所述反射器，采用偏馈结构，所述索网组(2)形成的反射面由主曲面与辅助曲面拼接而成，其中主曲面为旋转抛物面被与其旋转轴不同心的圆柱面截取的曲面，所述安装杆(4)固定在被截取旋转抛物面的旋转轴线上，所述能量转换装置(3)通过安装杆(4)固定在被截取旋转抛物面的焦点处。

3.根据权利要求1所述的双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其特征在于，所述反射器，采用正馈结构，所述索网组(2)形成的反射面，其形状为旋转抛物面，所述安装杆(4)固定在旋转抛物面的旋转轴线上，所述能量转换装置(3)通过安装杆(4)固定在旋转抛物面的焦点处。

4.根据权利要求1所述的双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其特征在于，所述固定接头(11)的横向接管的内腔形状与横杆(12)的横截面形状相同；固定接头(11)的支向接管的内腔形状与中间杆(13)的横截面形状相同。

5.根据权利要求1所述的双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其特征在于，所述能量转换装置(3)，采用光电转换装置或热电转换装置。

6.根据权利要求1所述的双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其特征在于，所述第一驱动杆(7)，采用自动伸缩杆。

7.根据权利要求1所述的双杆支撑极轴跟踪反射汇聚系统，其特征在于：所述索网组(2)的柔性绳索采用凯夫拉线；所述横杆(11)、中间杆(12)、固定杆(6)、第一驱动杆(7)和第二驱动杆(8)均采用高强度的碳纤维材料。