CN2597897Y

CN2597897Y - 一种碟式聚光太阳跟踪装置

Info

Publication number: CN2597897Y
Application number: CNU022935274U
Authority: CN
Inventors: ���; 李安定; 李斌; 杨培尧; 臧春城
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-01-07
Anticipated expiration: 2012-12-23

Abstract

一种碟式聚光太阳跟踪装置，属于太阳能热发电领域。主要由碟形聚光器、聚光器支架和驱动控制单元组成，碟形聚光器由反光镜组、反光镜支撑架及其转轴组成，反光镜组采用分块张膜式结构，由若干块独立微调的反光镜组成，安装在反光镜支撑架上，反光镜支撑架通过轴承等可转动机构与聚光器支架相联接。聚光器支架采用桁架结构，分为三层，每层的节点采用钢球结构。层内及层间的钢球之间用钢管连接。该装置可以配套斯特林发动机来发电，也可以提供中高温太阳热，来驱动空调等设备。结构简单，造价低，能量转换效率高。

Description

一种碟式聚光太阳跟踪装置

技术领域

一种碟式聚光太阳跟踪装置，属于太阳能热发电领域。

背景技术

美国专利US4332238公开了一种太阳跟踪系统，如图1所示，系统由反光镜34、支架30、底盘12、驱动单元——包括电机22、44和齿轮传动机构24-12，和热电转换单元52组成。反光镜34采用单一式抛物面结构，通过轴40、42、轴承座26与支架30联接，并在电机44的直接驱动下绕轴线32转动，实现太阳赤纬角方向上的跟踪控制。热电转换单元52置于反光镜34的焦点处，接收反光镜34反射的太阳光，二者通过杆件50固联。支架30采用双立柱式结构，固定在底盘12上。底盘12采用齿轮结构，与小齿轮24啮合，在电机22的驱动下绕轴线14转动，实现太阳时角方向上的跟踪控制。系统结构比较简单，但存在以下缺陷：

1.电机44直接驱动转轴转动，所需扭矩较大，在电机选型方

面具有局限性；

2.底盘12是一个较大的齿轮，难以加工；

3.支架为两根立柱，垂直固定在底盘12上，承载能力差；

4.反光镜34开口面积较大时，抗风能力差。

发明内容

为克服上述已有技术的缺点，本实用新型提供了一种碟式聚光太阳跟踪装置，它的整体装置采用分块张膜式圆盘反光镜与桁架型支架相结合的结构，由碟形聚光器、聚光器支架和驱动控制单元组成，各组成部分采取以下技术方案：

1.碟形聚光器由反光镜组、反光镜支撑架及反光镜支撑架转轴组成，反光镜采用分块张膜式结构，若干块圆盘式反光镜均匀安装在反光镜支撑架上。每一块反光镜周边均匀布置微调机构，使反光镜在反光镜支撑架上定位，并调整反光镜的高度和角度，使若干块反光镜反射的太阳光聚焦于一点。反光镜组采用张膜式结构，即在反光镜表面上贴有反光膜。张膜式结构反光效率较高，镜面平滑度好，分块式结构可减小反光镜承受的风压，增强抗风能力。

2.反光镜支撑架为总体外形呈碟形的构件，由型钢焊接而成。反光镜布置在其碟形的凹面上，碟形构件张口的外侧有两个水平的反光镜支撑架转轴。在与此转轴垂直的，且通过反光镜支撑架中心的竖直平面上设置一竖直圆环，竖直圆环由槽钢弯制而成，竖直圆环中心与反光镜支撑架转轴同轴，竖直圆环与反光镜支撑架外沿固联。反光镜支撑架带动反光镜绕圆环中心轴线转动。反光镜支撑架通过可以转动的机构与聚光器支架相联接。

3.聚光器支架采用桁架结构，分为三层，每层的节点采用钢球结构。层内及层间的钢球之间用钢管连接。这种结构承载能力强。

聚光器支架底层有一水平圆环，采用槽钢弯制而成，聚光器支架底层的周边钢球固定在水平圆环槽钢上，水平圆环的中心转轴与聚光器支架底层的中心钢球联接。水平圆环的下面布置脚轮以支撑整个装置并可使装置绕水平圆环的中心转轴转动。

4.驱动单元由电机、减速器、链轮链条传动机构等组成。链条嵌于水平圆环和固定在反光镜支撑架上的竖直圆环的槽内。整个装置包括两个彼此独立的驱动单元。链轮链条结构与已有技术的齿轮传动相比，造价低，易于实现；与已有技术中用电机直接驱动反光镜转动相比，本实用新型可降低对电机输出扭矩的要求，易于电机选型。

5.整体装置采用分块张膜式圆盘反光镜与桁架型支架相结合的结构；实现太阳赤纬角和时角两个方向的跟踪控制。

附图说明

图1已有技术美国专利US4332238示意图；

图2碟式聚光太阳跟踪装置示意图：1吸热器—热电转换单元，2竖直圆环，3反光镜，4反光镜支撑架，5反光镜支撑架转轴，6竖直圆环的驱动单元，7聚光器支架，8水平圆环，9平台，60脚轮，61水平圆环驱动单元，62竖直圆环驱动单元的支架，63中心转轴，64、65轴承座，66连杆；

图3反光镜布置示意图：2竖直圆环，3反光镜，4反光镜支撑架，66连杆；

图4反光镜微调机构示意图：其中，a为主视图，b为俯视图，c为A的局部放大图。图中：3反光镜，4反光镜支撑架，70旋转螺杆，71螺母，72反光镜支撑板；

图5水平圆环的中心转轴与聚光器支架底层中心钢球连接结构示意图：9平台，63中心转轴，83中心钢球，84连杆，85支板，86支板，87中心转轴支撑架，88螺栓；

图6水平圆环的驱动单元机构示意图：8水平圆环，9平台，90步进电机，91减速器，92链轮，93链条，94链条销轴，95链条支撑板，96螺栓，97减速器支撑板，98支撑杆；

图7竖直圆环的驱动单元机构示意图：2竖直圆环，100步进电机，101减速器紧固环，102减速器，103链条销轴，104螺栓，105链条支撑板，106链条，107链轮，108支撑板，109支撑板；

图8脚轮安装结构示意图：8水平圆环，60脚轮，115支板，116筋板；

图9聚光器支架底层周边钢球与水平圆环连接结构示意图：8水平圆环，120周边钢球，121连杆，122支板，123筋板。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型的技术方案进一步说明。

本实用新型的总体结构如图2所示。

聚光器支架7采用左右部分对称的桁架结构，节点为钢球，钢球之间用钢管连接。按钢球的分布形式，聚光器支架7分为三层：底层布置7～9个钢球，本实施例采用9个。其中周边的8个钢球与水平圆环8联接，中间的一个钢球与水平圆环8的中心转轴63联接；中间层有6个钢球，左右各3个，对称分布；顶层有2个钢球，分别与轴承座64、65联接。

反光镜3采用分块张膜式结构，由7～14面圆盘反光镜组成，反光镜安装在反光镜支撑架4上。反光镜在反光镜支撑架4上均匀对称布置，如图3所示，在中间布置4面反光镜，然后向左右两侧各递减一面，即按4、3、2的顺序对称布置成5列。反光镜呈圆盘形，表面附着反光膜，焦径比为3.5～5。

反光镜支撑架4由型钢焊接而成，外形呈碟形，接收阳光的口径在4.5～5米范围内。它可以绕反光镜支撑架转轴5转动。转轴5为水平轴，通过轴承与轴承座64、65联接。在垂直于转轴5的平面内设置竖直圆环2，竖直圆环2由槽钢弯制而成，其中心轴线与转轴5重合，竖直圆环2与反光镜支撑架4通过连杆66固联。竖直圆环2在驱动单元6的驱动作用下带动反光镜支撑架4转动，以便在赤纬角方向上跟踪太阳。驱动单元6固定在支架62上，支架62与聚光器支架7固联。水平圆环8用槽钢弯制而成，槽钢下面均匀布置8只脚轮，以便支撑整个装置并可使装置绕中心转轴63转动。中心转轴63通过其支承架87固定在平台9上。水平圆环8在驱动单元61的驱动作用下带动整个装置绕中心转轴63转动，实现太阳时角方向的跟踪控制。

反光镜微调机构如图4所示。每个反光镜四周均匀安装4个微调机构，实现反光镜在反光镜支撑架4上的定位作用。旋转螺杆70可以调整反光镜的安装高度或角度，使反光镜反射的太阳光聚焦于一点。

中心转轴63与聚光器支架7底层中心钢球联接结构如图5所示。底层中心钢球83与支板85固联，支板86与中心转轴63固联，两支板85、86用螺栓88联接。连杆84将中心钢球83与聚光器支架7的其它钢球连接在一起。中心转轴63的支承架87采用螺纹联接方式固定在平台9上。

控制水平圆环8转动的驱动单元61结构如图6所示。它由步进电机90、减速器91和链轮92链条93传动机构组成。步进电机90与减速器91装配为一体，安装在平台9上，链轮92安装在减速器91的伸出轴端，并与链条93啮合。链条93嵌入并固定在水平圆环8的槽内。步进电机90在脉冲作用下通过链轮92链条93机构驱动水平圆环8在太阳时角方向上转动。

图7所示是控制固定在反光镜支撑架4上的竖直圆环2转动的驱动单元6结构示意图。它由步进电机100、减速器102和链轮107链条106传动机构组成。步进电机100与减速器102装配为一体，通过支撑板108、109和紧固环101固定在图2中的支架62上。链轮107安装在减速器102的伸出轴端，并与链条106啮合。链条106嵌入并固定在竖直圆环2的槽内。在脉冲作用下，步进电机100通过链轮107链条106机构驱动竖直圆环2转动，实现反光镜在太阳赤纬角方向上的跟踪控制。

脚轮安装结构如图8所示。脚轮60通过支撑板115与水平圆环8联接。联接方式采用螺栓。筋板116起到加强力的作用。

图9是聚光器支架7的底层周边钢球120与水平圆环8联接结构示意图。钢球120的下端加工成平面，平面上开有螺纹孔，采用螺栓联接方式通过支撑板122与水平圆环8联接。筋板123起到加强力的作用。

本实用新型采用分块张膜式圆盘反光镜与桁架型支架相结合的结构，实现太阳赤纬角和时角方向上的跟踪控制。其工作过程是：驱动单元61和驱动单元6由一台计算机控制，但彼此独立工作。计算机根据传感器发来的信号，进行判断，发出控制指令，对电机的转速转向等进行调节。其中，驱动单元6控制竖直圆环2的转动，从而调节反光镜的俯仰角，实现太阳赤纬角方向的跟踪控制；驱动单元61控制水平圆环8的转动，并带动整体装置转动，实现时角方向的跟踪控制。对太阳的跟踪控制使得聚光器接收太阳光的平面与太阳入射光光线始终保持垂直，反光镜将太阳光反射并聚焦于一点，吸热体—热电转换单元1放置在焦点处，将聚集的太阳光转变为热能，进一步变为电能。

本实用新型与现有技术比较，其特点是：

1、张膜式圆盘反光镜镜面平滑度好，反光效率较高；

2、系统的抗风能力强，稳定性好，驱动电机功率低，系统的寄

生损失低。

依据本实用新型的技术方案设计建造了碟式聚光太阳跟踪装置，其结构参数如下：平台9距离地面0.6米高度，聚光器支架7顶层和底层钢球直径180毫米，顶层和底层钢球的球心高度差为4.5米，底层中心的钢球与平台9上的中心转轴63相连接，水平圆环8内径为7.2米，其下安装8只万向脚轮60。7～14面圆盘式反光镜3对称分布在反光镜支撑架4上，每一面反光镜受光口直径1.146米，张膜式圆盘反光镜的腔内真空度为0.06Mpa，测试出几何聚光比大于500，反射效率在90％以上。反光镜支撑架通过轴承座与聚光器支架7相联结，调节俯仰角的竖直圆环2内径为6.5米。竖直圆环2与水平圆环8上均设有链条，均用步进电机通过链轮链条机构实现装置的相应转动。由专门的软硬件来控制并调节步进电机的转速、转向等。采用硅光电池来检测聚光器跟踪太阳过程中的偏差值，实施闭环。

Claims

1、一种碟式聚光太阳跟踪装置，包括碟形聚光器、聚光器支架和驱动控制单元，其特征在于碟形聚光器由反光镜组、反光镜支撑架及反光镜支撑架转轴组成，反光镜组采用分块张膜式结构，若干块独立微调的反光镜安装在反光镜支撑架上，反光镜支撑架通过轴承等可转动机构与聚光器支架相联接。

2、按照权利要求1所述的碟式聚光太阳跟踪装置，其特征在于：聚光器支架结构为三层的钢球—杆架桁架结构，底层平面为7～9个钢球，中间层为6个钢球，顶层为2个钢球；顶层钢球的上部和底层钢球的下部加工成平面。

3、按照权利要求1所述的碟式聚光太阳跟踪装置，其特征在于：驱动控制单元控制固定在反光镜支撑架[4]上的竖直圆环[2]转动的驱动单元[6]的步进电机[100]与减速器[102]装配为一体，通过支撑板[108]、[109]和紧固环[101]固定在支架[62]上；链轮[107]安装在减速器[102]的伸出轴端，并与链条[106]啮合；链条[106]嵌入并固定在竖直圆环[2]的槽内；步进电机[100]在脉冲作用下，通过链轮[107]链条[106]机构驱动竖直圆环[2]转动；控制水平圆环[8]转动的驱动单元[61]的步进电机[90]与减速器[91]装配为一体，安装在平台[9]上；链轮[92]安装在减速器[91]的伸出轴端，并与链条[93]啮合；链条[93]嵌入并固定在水平圆环[8]的槽内；步进电机[90]在脉冲作用下，通过链轮[92]链条[93]机构驱动水平圆环[8]转动。

4、按照权利要求1所述的碟式聚光太阳跟踪装置，其特征在于：反光镜呈圆盘形，表面附着反光膜，焦径比为3.5～5，反光镜四周均布四个定位微调机构。

5、按照权利要求1所述的碟式聚光太阳跟踪装置，其特征在于反光镜支撑架呈碟形，由型钢焊接而成。