CN201282434Y - 太阳能定日镜柔性动力驱动装置 - Google Patents

太阳能定日镜柔性动力驱动装置 Download PDF

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Abstract

太阳能定日镜柔性动力驱动装置，包括控制系统和动力驱动系统；其水平转动和俯仰转动两大齿轮传动系统的主动齿轮均为2－5个，并均匀设置于定日镜转动齿轮周围，各个主动齿轮均与定日镜转动齿轮啮合；所述定日镜转动齿轮的输出端与定日镜底座相连；主动齿轮通过扭矩和转速传感器将主动齿轮的运行参数传回给控制系统的可编程控制器，计算机通过对可编程控制器传回信号的处理，再发出信号给可编程控制器，控制主动齿轮伺服电机的工作状态。本实用新型采用多个主动齿轮进行驱动的方案代替了现有的一个齿轮进行驱动的方案，增大了主动齿轮的驱动能力，特别是使得驱动系统在自然条件不利的情况下及定日镜俯仰转动过程，驱动能力稳定，驱动效果增强。

Description

太阳能定日镜柔性动力驱动装置
技术领域
本实用新型涉及一种动力驱动系统，尤其是一种适用于太阳能定日镜转动的柔性差动/同步动力驱动装置。
背景技术
人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期，就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源利用方式。
定日镜是太阳能发电中的重要设备，它将太阳光汇集于一点，再利用汇集于一点的光进行发电，这就是光电转换的简单描述。定日镜的安装及驱动技术是太阳能发电中的关键技术之一。目前定日镜的安装技术已经是大家所公知的较成熟的技术，定日镜安装结构的改善可以有效提高定日镜的抗风能力，但是定日镜安装技术的改善并不能使定日镜排除外界环境的影响，其聚光点和接收板之间的夹角为0°，当聚光点和接收板之间的夹角大于某个(0.036°)角度时，接收板将不能接收到定日镜汇聚的光，从而影响太阳能利用的效果。
聚光点和接收板之间的夹角受定日镜动力驱动系统的影响，不论是水平方向或者俯仰方向，主动齿轮与驱动定日镜转动的齿轮(以下简称从动齿轮)之间啮合角度都特别讲究。目前，在欧洲，定日镜的驱动主要采用一个主动齿轮进行驱动，其主要通过提高主动齿轮与从动啮合的精度来确保夹角尽量小，即需要精确控制定日镜转动的角度。由于定日镜接收板的面积一般为(4X4米)平方米，定日镜和接收板之间的距离400—1000米较远，使得当聚光点到达接收板的误差仍有4m或12m。因此，主动齿轮与从动齿轮之间啮合角度的世界标准是夹角要小于0.036°，尽管这个角度很小，目前在无风的情况下，聚光点到达接收板的误差可以通过增大接收板的面积来解决，但是接收板的面积增大将增加成本和不利于发电。而当在有风的情况下，特别是逆风和顺风的情况下，定日镜在主动齿轮的驱动下将不能达到预期的转动效果，造成聚光点和接收板之间的夹角加大，聚光点将不能正常到达接收板，即定日镜反射产生的聚光点将移出接收板，从而影响太阳能利用的效果。
因此，如何解决定日镜反射的聚光点与接收板之间的夹角问题，即定日镜在一天之中不同时间内反射误差问题一直业界需要解决的问题。而在我国，由于技术和设备的落后，通过提高主动齿轮与从动啮合的精度来解决定日镜夹角的问题显然是不行的，因此，定日镜转动精确夹角稳定性的问题已成为业内人士有待解决的重点问题。
此外，由于定日镜是跟随太阳相对于地球的转动而旋转，因而定日镜在一个精度较高的主动齿轮的驱动下，既需要进行水平转动，也需要进行俯仰转动，且转动速度非常缓慢，因此，对定日镜转动的精度控制需要很精确。当定日镜由俯仰转动时，在定日镜重力的作用下只采用一个主动齿轮对其进行驱动，会使主动齿轮的驱动控制特别困难，能量消耗加大，更会使得主动齿轮的磨损加大。因此，如何解决定日镜转动的动力驱动问题也是太阳能发电急需解决的问题。
实用新型内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种提高定日镜转动稳定性和精度，减小驱动齿轮磨损，能实现自动控制的太阳能定日镜柔性动力驱动装置。
本实用新型的目的是这样实现的：一种太阳能定日镜柔性动力驱动装置，包括控制系统和动力驱动系统，动力驱动系统由水平转动和俯仰转动的两大齿轮传动系统构成；其特征在于，所述两大齿轮传动系统的主动齿轮均为2—5个，并均匀设置于定日镜转动齿轮周围，各个主动齿轮均与定日镜转动齿轮啮合；各主动齿轮分别由相应的伺服电机驱动；所述定日镜转动齿轮的输出端与定日镜底座相连；
各主动齿轮通过扭矩和转速传感器将主动齿轮的运行参数传回给控制系统的可编程控制器，计算机通过对可编程控制器传回信号的处理，再发出信号给控制系统的可编程控制器，使其控制各主动齿轮的伺服电机的工作状态。
所述水平转动齿轮传动系统的主动齿轮和从动齿轮水平设置，水平主动齿轮为三个，均匀设置于控制定日镜水平转动的从动齿轮周围，并与从动齿轮啮合；水平主动齿轮由电机和减速器驱动工作；从动齿轮的一端连接基座，另一端与定日镜底座相连；
所述俯仰转动齿轮传动系统竖向设置，竖向主动齿轮也为三个，均匀设置于俯仰转动的第二从动齿轮周围，并与从动齿轮啮合；竖向主动齿轮分别由电机和减速器驱动工作；从动齿轮的两端连接定日镜底座。
相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果：
1)本实用新型驱动系统中，采用多个主动齿轮进行驱动的方案代替了现有的一个齿轮进行驱动的方案，不仅增大了主动齿轮的驱动能力，特别是使得驱动系统在自然条件不利的情况下及定日镜俯仰转动过程，驱动能力稳定，驱动效果增强；
2)本实用新型驱动系统中，采用多个主动齿轮对驱动定日镜转动的齿轮(以下简称从动齿轮)进行均载驱动，多个主动齿轮均匀分布在从动齿轮的周围，从而使得主动齿轮之间可以协同进行工作、功率分流，从而减小了主动齿轮的机械磨损，也减小主动齿轮的能耗；主动齿轮由于其运行受到控制系统的控制，因此，主动齿轮的选取上可以不必选用精度特别高的齿轮，降低了硬件成本，齿轮磨损出现间隙也可通过控制各个电机的速差调整来减小间隙；
3)本实用新型中控制系统能够根据自然条件的变化和定日镜转动的方向来自动调整主动齿轮工作的个数及工作的速度，从而保证定日镜转动的精度和稳定性，也使得定日镜的转动在自然条件不利的情况下不会产生晃动；
4)本实用新型采用控制系统对其主动齿轮的驱动进行控制，控制过程中利用主动齿轮转动的相位差，减小了主动齿轮与从动齿轮之间的啮合的夹角，从而提高了定日镜聚光点与接收板之间的对准精度，提高了定日镜的反射效果，从而提高了太阳能的利用率；
5)本实用新型驱动系统中，采用控制系统对驱动系统中的各个硬件进行自动控制，使得驱动系统运行过程实现了自动化，不需要人为的干预。
附图说明
图1是本实用新型太阳能定日镜柔性动力驱动装置中动力传动系统水平方向(或俯仰)控制原理图；
图2是本实用新型太阳能定日镜柔性动力驱动装置中动力驱动系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型太阳能定日镜柔性动力驱动装置，包括控制系统和动力驱动系统；控制系统由计算机1、可编程控制器2、伺服驱动器带编码器3、传感器5、扭矩和转速传感器6、激光接收传感器7和霍尔极限开关8构成。
动力驱动系统包括水平转动和俯仰转动两大齿轮传动系统，水平转动和俯仰转动两大齿轮传动的主动齿轮分别由伺服电机4驱动，并提供输入动力源，也可采用三相85BYGH步进电机。所述两大齿轮传动系统的主动齿轮均为2—5个(图1中，只标出水平或俯仰转动齿轮传动系统中的一种，为3个主动齿轮，还可为2个、4个或5个)，并均匀设置于定日镜转动齿轮(即从动齿轮)10的周围，各个主动齿轮9均与定日镜转动齿轮(从动齿轮)10啮合；各主动齿轮9分别由相应的伺服电机驱动；所述定日镜转动齿轮10的输出端与定日镜底座相连。
各主动齿轮9通过扭矩和转速传感器6将主动齿轮的运行参数传回给控制系统的可编程控制器2，计算机1通过对可编程控制器传回信号的处理，发出信号给控制系统的可编程控制器2，再由伺服驱动器带编码器3控制伺服电机4，控制各主动齿轮9的伺服电机的工作状态。
参见图2，齿轮传动系统由水平转动齿轮传动系统和俯仰转动齿轮传动系统两部分构成；水平转动齿轮传动系统水平设置，水平主动齿轮21为三个，均匀设置于水平转动的从动齿轮22(即定日镜水平转动的齿轮)周围，并与从动齿轮22啮合；水平主动齿轮21由电机和减速器23驱动工作；从动齿轮22的一端连接基座24，另一端与定日镜底座25相连。俯仰转动齿轮传动系统竖向设置，竖向主动齿轮27也为三个，均匀设置于俯仰转动的竖向从动齿轮26(即定日镜竖向转动的齿轮)周围，并与竖向从动齿轮26啮合；竖向主动齿27轮分别由电机和减速器28驱动工作；竖向从动齿轮26的输出端20与定日镜底座(图中省略)连接。
本实用新型中不论水平或俯仰的主动齿轮与定日镜转动齿轮(从动齿轮)啮合角度的控制，均采用多电机柔性驱动消隙技术，多电机消隙就是两个以上电机通过主动齿轮与从动齿轮啮合，并按多电机消隙控制曲线进行驱动，不会出现两个电机输出转矩同时为零的情况，即任何时候两个电机至少有一个会对主齿轮施加不为零的转矩，在此转矩的作用下，主齿轮的运动间隙就不可能存在。当然，此转矩必须大于转动链本身的摩擦力矩。
在实际消隙方式下，当系统需要的输出合力矩为零(静止)时，两通道电机的电枢电流为±Io(消隙偏置电流)，其输出力矩大小相等方向相反；当系统需要的输出合力矩增加时，两通道电机的电枢电流随图二的曲线变化，其中一个通道的输出力矩将继续增加，另一个通道的输出力矩逐渐减小至零再增加，由阻力源变为动力源。可以理解为两个电机小齿轮与主齿轮啮合时，一个是前齿面接触，另一个是后齿面接触，正转是由前齿面接触的齿轮出力，而反转时由后齿面接触的齿轮出力，这样一来就不会出现间隙了。当然在实际工作中，两个齿轮都出力的，一个力大，另一个力小而已，它们的力矩方向都是运动方向。在本实用新型中主动齿轮的使用个数可以根据需要设计，其伺服电机与主动齿轮配套使用。
控制系统中，计算机1用于对数据进行传送、群控和监控；
可编程控制器2用于对定日镜的驱动装置进行全程两维闭环控制；
伺服驱动器带编码器3可采用三个400W伺服驱动器带编码器，控制前级的伺服电机，进行变功率控制。
传感器5包括动力源角位移传感器、风向和风速传感器和光电传感器三组传感器。其中，动力源角位移传感器采用时栅传感器，分辨率为1/60弧分，抗震动，适合沙漠环境工作或霍尔数字传感器加机械倍频器，价格便宜。风向和风速传感器用于检测系统风向、风速，数字信号输入PLC，进行顺风、逆风检测，并将信号送给可编程控制器2，可编程控制器2根据信号进行储能、释能、三组电机进行同步、差动调整，以保证在驱动功率最小的控制下系统平稳运行、进行应急处理。具体应用过程中，当风速大于13米/秒时台架处于水平位置以减小风阻。光电传感器用于补偿天文计算数值的偏差。
三组扭矩传感器6用于与协调三电机同步或进行差动运行，以使系统高精度动转或适应一些极端状态。
激光接收传感器7，用于系统进行初始化自检、对中、清零和校准；
霍尔极限开关8用于极限保护和清零。
本实用新型的创新在于，水平或俯仰的主动齿轮9由伺服电机4进行控制，在分布上为输出从动齿轮10周边均布，形成多点柔性传动、便于动力根据工况进行灵活分配、提高控制精度，具有运转平稳、节能、重量轻、体积小、承载能力大、传动比大的特点，与从动齿轮10的啮合间隙可调整，水平或俯仰的主动齿轮9在本实用新型中采用含扭矩和转速传感器的减速器，减速器用来与协调电机同步或进行差动运行、以使系统高精度运转或适应一些极端状态。
本实用新型中各硬件间电信号的传输过程是：启动信号输入到激光接收器7，激光接收器7对系统进行初始化自检、对中、清零和校准；然后激光接收器7再将信号传送给可编程控制2，可编程控制2将传回的所有任何信号传回给计算机1，以便计算机1进行数据存储、计算和监控，同时可编程控制器2根据既定程序和当前状态控制伺服电机4的启停；伺服电机4又控制水平和俯仰的主动齿轮9的启停和转速，进而控制定日镜的转动。在此过程中，水平和俯仰的主动齿轮9上的扭矩和转速传感器6会将主动齿轮的运行参数传回给可编程控制器2，传感器5也分别将各种信号传回给可编程控制器2，计算机1通过对可编程控制器2传回信号的处理，再发出信号给可编程控制器2，让其对控制的伺服电机4的工作状态作出适当的调整，以保证主动齿轮工作状态的合理性、精确性和有效性。当本动力驱动系统使用过程中，遇到一些极限值时，霍尔极限开关8可以对动力驱动系统用进行极限保护，将数据信号传给可编程控制器2清零。

Claims (4)

1、太阳能定日镜柔性动力驱动装置，包括控制系统和动力驱动系统，动力驱动系统由水平转动和俯仰转动的两大齿轮传动系统构成；其特征在于，所述两大齿轮传动系统的主动齿轮均为2—5个，并均匀设置于定日镜转动齿轮周围，各个主动齿轮均与定日镜转动齿轮啮合；各主动齿轮分别由相应的伺服电机驱动；所述定日镜转动齿轮的输出端与定日镜底座相连；
各主动齿轮通过扭矩和转速传感器将主动齿轮的运行参数传回给控制系统的可编程控制器，计算机通过对可编程控制器传回信号的处理，再发出信号给控制系统的可编程控制器，使其控制各主动齿轮的伺服电机的工作状态。
2、根据权利要求1所述的太阳能定日镜柔性动力驱动装置，其特征在于，所述水平转动齿轮传动系统的主动齿轮和从动齿轮水平设置，水平主动齿轮(21)为三个，均匀设置于控制定日镜水平转动的从动齿轮(22)周围，并与从动齿轮(22)啮合；水平主动齿轮(21)由电机和减速器(23)驱动工作；从动齿轮(22)的一端连接基座(24)，另一端与定日镜底座(25)相连；
所述俯仰转动齿轮传动系统竖向设置，竖向主动齿轮(27)也为三个，均匀设置于俯仰转动的从动齿轮(26)周围，并与第二从动齿轮(26)啮合；竖向主动齿轮(27)分别由电机和减速器(28)驱动工作；第二从动齿轮(26)的两端连接定日镜底座。
3、根据权利要求1所述的太阳能定日镜柔性动力驱动装置，其特征在于，所述控制系统由计算机(1)、可编程控制器(2)、伺服驱动器带编码器(3)、传感器(5)、扭矩和转速传感器(6)和激光接收传感器(7)构成；启动信号输入到激光接收器(7)，激光接收器(7)对系统进行初始化自检、对中、清零和校准；然后激光接收器(7)再将信号传送给可编程控制(2)，可编程控制(2)将传回的所有任何信号传回给计算机(1)，以便计算机(1)进行数据存储、计算和监控，同时可编程控制器(2)根据既定程序和当前状态控制伺服电机(4)的启停；伺服电机(4)又控制主动齿轮(9)的启停和转速，进而控制定日镜的转动。
4、根据权利要求3所述的太阳能定日镜柔性动力驱动装置，其特征在于，所述控制系统还包括霍尔极限开关(8)，对动力驱动系统用进行极限保护，并数据信号穿给可编程控制器(2)清零。
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