CN108988774A - 一种省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构，属于新能源技术领域。跟踪机构包括聚光器、动平台、伸缩支链、旋转支链，机架。其中，聚光器安装在动平台上，伸缩支链和旋转支链分别连接动平台和机架。通过驱动旋转支链，实现聚光器绕空间竖直方向的旋转运动，通过驱动伸缩支链，实现聚光器的俯仰运动，通过旋转支链和伸缩支链的协同驱动作用，可实现聚光器在动平台上的两自由度转动，从而完成跟踪太阳运动。该机构支链数少，结构简单，可靠性高，制造成本低。机构的铰链数目少，对机构运动的限制少，工作空间大。支链和动平台的空间压力角小，力传递性能好，驱动力矩小，可支撑大型聚光器，并实现其旋转运动。

Description

一种省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构

技术领域

本发明涉及一种省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构，具体涉及一种能够应用于支撑聚光器跟踪太阳运动的省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构，属于新能源技术领域。

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。

太阳能聚光器是一种切实可行的提高太阳能采集效率并加以利用的装备，也是很多太阳能发电装置不可或缺的组成部分。太阳能聚光器通过实时跟踪太阳运动方位，使得跟踪机构上的电池板或聚光镜能够始终正对太阳光，最大程度地吸收太阳光。目前根据跟踪系统轴数分类，可分为单轴和双轴两种。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器镜面在一年四季接受到太阳光，获得较好的跟踪效果，是目前太阳能聚光器中较常用的跟踪机构。

传统二轴聚光器跟踪机构通常为串联机构，串联二轴太阳能聚光器跟踪机构一般采用一个竖直转动轴和一个水平转动轴结构，竖直转动轴用于支撑整个机构的载荷，并驱动跟踪机构完成太阳方位角的跟踪。水平转动轴安装在竖直转动轴的顶部，用于完成高度角的跟踪。串联跟踪机构设计简单，但是受到材料和结构的刚度约束，传统的串联二轴太阳能聚光器跟踪机构必须使用直径更大的竖直轴来支撑电池板或聚光镜，这样就造成了机构的成本上升。同时聚光器一般在户外进行作业，经常受到风沙、暴雨等恶劣天气的影响，对跟踪机构的可靠性能具有较高的要求。

采用并联式太阳能聚光器跟踪机构可以避免串联机构刚度低、加工制造成本高的缺点。目前申请的并联式太阳能聚光器跟踪机构中，均存在工作空间小、驱动力矩大等问题。本申请人提出的专利公开号为CN201410573479.8的专利申请，公开了一种二自由度太阳能聚光器并联跟踪机构，该专利公开的并联式太阳能聚光器跟踪机构具有三根支链，存在铰链过多的情况，限制了并联跟踪机构的转动角度，即该专利公开的聚光器跟踪机构存在旋转角度有限的缺点，无法满足跟踪太阳光大旋转角度的要求。为此，本申请人又提出了专利公开号为CN201610742263.9的专利申请，公开了一种大角度旋转聚光器支撑架机构，该专利公开的并联式太阳能聚光器跟踪机构采用了冗余驱动的方式，克服了并联机构奇异位姿，增大机构的工作空间，但多余的支链提升了控制复杂度和难度，同时也增加了设备的制造成本和操作能耗，使得聚光器产生的能量大部分消耗在伺服控制系统中，大大减少太阳能聚光器效率，得不偿失。本申请人又提出了专利公开号为CN201610557513.1的专利申请，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，该机构的缺点是在实际应用中，由于5R机构的设计，使得其运动压力角过大，力传递特性差，使得驱动力矩过大，从而需要选配高减速比减速度和高功率伺服电机，导致成本大大提升，同时聚光器产生的能量大部分消耗在伺服控制系统中，大大降低太阳能聚光器的效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构，对已有的太阳能聚光器跟踪机构的结构进行改进，使其传动压力角小，力传递特性强，驱动力小，对驱动系统要求低，并降低控制系统成本。

本发明提出的省力大旋转角度并联太阳能聚光器，包括聚光器(1)、动平台(2)、伸缩支链(3)、旋转支链(4)和机架(5)；所述的聚光器(1)固接在动平台(2)上；所述的旋转支链(4)的两端和伸缩支链(3)的两端分别连接动平台(2)和机架(5)；所述的伸缩支链(3)包括虎克铰链(31)、转动轴套(32)、电动推杆(33)、转动杆(34)和转动基座(35)，虎克铰链(31)固接在动平台(2)上，转动轴套(32)固接在虎克铰(31)下端，电动推杆(33)的上端通过第一转动副连接转动轴套(32)，第一转动副的转动轴与虎克铰链(31)的转动轴相互垂直，电动推杆(33)的下端通过第二转动副与转动杆(34)相连接，转动杆(34)通过第三转动副与转动基座(35)相连接，转动基座(35)固接在机架(5)上；所述的旋转支链(4)包括旋转块(41)、旋转座(42)、支撑杆(43)和转台(44)，旋转块(41)固接在动平台(2)上，旋转座(42)通过第四转动副连接旋转块(41)，第四转动副的旋转轴线为水平方向，旋转座(42)固接在支撑杆(43)的上端，支撑杆(43)通过第五转动副与转台(44)相连接，第五转动副的转动轴线为空间竖直方向。

上述跟踪机构中，所述的旋转支链(4)的转动轴线通过聚光器质心(6)。

上述跟踪机构中，所述的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线相互垂直。

上述跟踪机构中，第二转动副的转动轴线沿空间水平方向，第三转动副的转动轴线沿空间竖直方向。

上述跟踪机构中，第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线均沿空间水平方向。

本发明提出的省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构，具有以下优点：

1、本发明提出的省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构，采用伸缩支链和旋转支链两条支链支撑聚光器，避免了串联机构悬臂梁的结构，具有很高的刚性，在户外作业时，可抵挡暴风暴雨等恶劣天气下的外力。

2、本发明的跟踪机构，其中旋转支链的旋转轴线通过动平台上的聚光器质心，使得在旋转大型太阳能聚光器时，该支链不会承受聚光器倾斜所造成的偏置力，即可以很轻松地对太阳能聚光器进行旋转，即可采用小功率电机即可实现对太阳能聚光器的旋转运动，成本低。

3、本发明的跟踪机构，其伸缩支链和动平台几乎成90度，即压力角几乎成0度，力传递特性优异，所需的电机只需输出非常小的驱动力，即可实现聚光器的俯仰运动，对电机和减速器的要求低，控制系统成本低。

4、本发明的跟踪机构，只采用了两条支链就实现了聚光器的两自由度转动运动，支链少，对机构的运动限制少，具有很大的旋转角度，可满足聚光器对于大角度工作空间的需求，对驱动系统要求低，并降低控制系统成本。

5、本发明的跟踪机构，结构简单，易于制造，制造装配成本低，可靠性强，运动学控制简单，灵活性好，适合大规模应用于室外作业。

附图说明

图1为本发明提出的省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构的结构示意图。

图2为图1所示的跟踪机构中的伸缩支链的结构示意图。

图3为图1所示的跟踪机构中的旋转支链的结构示意图。

图1-图3中，1是聚光器，2是动平台，3是伸缩支链，4是旋转支链，5是机架，6聚光器质心，31是虎克铰链，32是转动轴套，33是电动推杆，34是转动杆，35是转动基座，41是旋转块，42是旋转座，43是支撑杆，44是转台。

具体实施方式

本发明提出的省力大旋转角度并联太阳能聚光器，其结构如图1所示，包括聚光器1、动平台2、伸缩支链3、旋转支链4和机架5。所述的聚光器1固接在动平台2的中心。所述的旋转支链4和伸缩支链3分别连接动平台2和机架5。所述的动平台2、旋转支链4、伸缩支链3和机架5构成空间闭环结构。

图2为本发明的伸缩支链3的三维结构示意图。伸缩支链3包括虎克铰链31、转动轴套32、电动推杆33、转动杆34和转动基座35。所述的虎克铰链31上端固接在动平台上2，虎克铰链31下端固接在转动轴套32上。所述的转动轴套32通过第一转动副和电动推杆33上端连接。所述的第一转动副的转动轴和虎克铰链31的转动轴相互垂直。电动推杆33下端通过第二转动副和转动杆34连接，所述的转动杆34通过第三转动副和转动基座35连接，所述的转动基座35固接在机架上。所述的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线相互垂直，所述的第二转动副的转动轴线沿空间水平方向，所述的第三转动副的转动轴线可沿空间竖直方向或水平方向。

由于伸缩支链3中采用了电动推杆33，电动推杆33实质上是一种采用丝杠螺母的机械结构，其具有大减速比，自锁的特性。因此在本发明中由于采用了电动推杆33，可以避免采用大减速比的减速器和高功率电机，小功率电机即可驱动电动推杆33，推动聚光器1实现上下俯仰运动，节能又省力。

图3为本发明的旋转支链4的实施例三维结构示意图。旋转支链4包括旋转块41、旋转座42、支撑杆43和转台44。所述的旋转块41固接在动平台上，所述的旋转座42通过第四转动副连接旋转块41。所述的第四转动副的旋转轴线沿水平方向，且通过聚光器质心6。所述的旋转座42固接在支撑杆43的上端，所述的支撑杆43通过第五转动副和转台44连接；所述的第五转动副的转动轴线沿空间竖直方向。

当旋转支链4的旋转轴线通过动平台2上的聚光器质心6时，可以在旋转聚光器1时，旋转支链4不会承受聚光器1倾斜所造成的偏置力，即可以很轻松地对太阳能聚光器1进行旋转，即可采用小功率电机驱动转台44，即可实现对太阳能聚光器1的旋转运动，同样可避免大功率电机和高减速比减速度，同样可节能省力，降低控制系统中运动部件的成本。

本发明例中，由于采用了伸缩支链3和旋转支链4两条支链，可避免串联机构中的悬臂梁结构。当聚光器跟踪机构在户外作业时，可具有更强的刚度，可抵抗暴风、暴雨、狂沙等恶劣天气的影响，具有更高的可靠性和稳定性。

同时，本发明实施例中的伸缩支链3和旋转支链4上的铰链数目不多，对该并联机构的运动限制较少，可在提高刚度的情况下，依旧可满足聚光器跟踪机构大转角工作空间的要求，兼顾了高刚度和大旋转角度的要求。

本发明通过旋转支链3和伸缩支链4的协同驱动作用，可实现聚光器在动平台上的两自由度转动，从而完成跟踪太阳运动。该机构支链数少，结构简单，可靠性高，制造成本低。机构的铰链数目少，对机构运动的限制少，工作空间大。支链和动平台2的空间压力角小，力传递性能好，驱动力矩小，可支撑大型聚光器，并实现其旋转运动。该机构具有省力、高刚度和大旋转角度的优点；结构简单，可靠性高，可应用于恶劣环境中；制造成本低，具有非常广阔的应用前景。

本发明以一种省力大旋转角度并联太阳能聚光器跟踪机构的一种实施例为例进行了说明，但是可以理解，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 (5)

1.一种省力大旋转角度并联太阳能聚光器，其特征在于该跟踪机构包括聚光器(1)、动平台(2)、伸缩支链(3)、旋转支链(4)和机架(5)；所述的聚光器(1)固接在动平台(2)上；所述的旋转支链(4)的两端和伸缩支链(3)的两端分别连接动平台(2)和机架(5)；所述的伸缩支链(3)包括虎克铰链(31)、转动轴套(32)、电动推杆(33)、转动杆(34)和转动基座(35)，虎克铰链(31)固接在动平台(2)上，转动轴套(32)固接在虎克铰(31)下端，电动推杆(33)的上端通过第一转动副连接转动轴套(32)，第一转动副的转动轴与虎克铰链(31)的转动轴相互垂直，电动推杆(33)的下端通过第二转动副与转动杆(34)相连接，转动杆(34)通过第三转动副与转动基座(35)相连接，转动基座(35)固接在机架(5)上；所述的旋转支链(4)包括旋转块(41)、旋转座(42)、支撑杆(43)和转台(44)，旋转块(41)固接在动平台(2)上，旋转座(42)通过第四转动副连接旋转块(41)，第四转动副的旋转轴线为水平方向，旋转座(42)固接在支撑杆(43)的上端，支撑杆(43)通过第五转动副与转台(44)相连接，第五转动副的转动轴线为空间竖直方向。

2.如权利要求1所述的跟踪机构，其特征在于，其中所述的旋转支链(4)的转动轴线通过聚光器质心(6)。

3.如权利要求1所述的跟踪机构，其特征在于，其中所述的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线相互垂直。

4.如权利要求2所述的跟踪机构，其特征在于，所述的第二转动副的转动轴线沿空间水平方向，第三转动副的转动轴线沿空间竖直方向。

5.如权利要求2所述的跟踪机构，其特征在于，所述的第二转动副的转动轴线和第三转动副的转动轴线均沿空间水平方向。